一種磁浮球液位開關(guān)在牽引變壓器上的異常觸發(fā)及處理

鄧鳳祥 何建

【摘 要】本文介紹了一種磁浮球液位開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及工作原理，結(jié)合它在牽引變壓器上的異常觸發(fā)及處理，旨在為牽引變壓器用液位開關(guān)的選型提供借鑒和指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】磁性浮球；液位開關(guān)；牽引變壓器；異常觸發(fā)

0 引言

近年來，隨著高速動車組在國內(nèi)的快速發(fā)展，高鐵成為高新科學(xué)技術(shù)集成的重要體現(xiàn)，而牽引變壓器是高速動車組牽引系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。通過利用各種智能傳感器，如溫度、壓力、油位等，可快速準確發(fā)現(xiàn)變壓器潛在運行故障，這是提升牽引變壓器運行質(zhì)量的重要手段。油浸式牽引變壓器作為電力變壓器中一種常見產(chǎn)品，廣泛用于大功率交流傳動電力機車領(lǐng)域。

為了實時掌握油浸式變壓器中箱體油位的變化情況，在油箱上安裝液位傳感器。磁浮球液位開關(guān)是一種典型的液位傳感器，由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點，被人們廣泛接受。本文通過介紹一種磁浮球液位開關(guān)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及原理，結(jié)合它在油浸式牽引變壓器的異常觸發(fā)及處理，一方面為類似異常觸發(fā)故障提供解決思路和方法，另一方面指導(dǎo)牽引變壓器用液位開關(guān)的合理選型。

1 磁浮球液位開關(guān)

基于不同的工作模式，工程應(yīng)用常見的液位開關(guān)有磁浮球液位開關(guān)、電容式液位開關(guān)、及超聲波式液位開關(guān)等[1]。磁浮球液位開關(guān)借助浮力和靜磁場原理，通過液位變化引起浮球位置的改變，并帶來空間磁場分布的改變，再借助干簧管的吸合特性，將油位信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，實現(xiàn)對液位的實時監(jiān)測。

磁浮球液位開關(guān)為一無源裝置，易于實現(xiàn)日常檢修維護。因此，目前在牽引變壓器上的液位開關(guān)普遍采用該結(jié)構(gòu)。液位開關(guān)采用法蘭結(jié)構(gòu)安裝，垂直裝于變壓器油箱蓋上，對油箱內(nèi)油位進行監(jiān)測。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

液位開關(guān)主要由磁浮球、干簧管、導(dǎo)桿及屏蔽罩等部件組成。

（1）磁浮球

磁浮球是通過內(nèi)嵌條形磁鐵，形成穩(wěn)定、均勻的空間靜磁場。浮球為不銹鋼材質(zhì)，浮球結(jié)構(gòu)需結(jié)合變壓器油比重和報警油位線值等條件確定。根據(jù)阿基米德原理F浮=ρ液 gV 排可知，為保證浮球處于漂浮狀態(tài)，浮球應(yīng)滿足ρ浮<ρ液。浮球貫穿于一導(dǎo)桿，由于浮球內(nèi)嵌永磁體，浮球重心會出現(xiàn)一定偏移，與導(dǎo)桿間有有相互作用力，這在浮球設(shè)計時應(yīng)引起注意。

（2）導(dǎo)桿

導(dǎo)桿通常采用不銹鋼材質(zhì)，表面應(yīng)光滑，防止浮球卡滯。導(dǎo)桿為一空心半閉口鋼管，內(nèi)置磁簧開關(guān)并真空灌膠固定。在選擇膠體時，所選材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能小，防止膠體擠壓磁簧開關(guān)。

（3）干簧管

干簧管通常由兩個軟磁性材料組成的金屬簧片觸點，觸點尖端是鍍或濺射銠、釕或銥，封裝在充有惰性氣體（如氮、氦等）或真空玻璃管里，防止開關(guān)動作形成的電火花氧化觸點。玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端部重疊，留有一定間隙或接觸以構(gòu)成常開和常閉觸點[2]。

（4）屏蔽罩

考慮牽引變壓器在工作時，在其周圍存在一定強度的磁場。為避免外部磁場對液位開關(guān)產(chǎn)生干擾，增設(shè)了一屏蔽罩。屏蔽罩采用普通碳素鋼，內(nèi)外壁鍍層處理，防止生銹。

1.2 技術(shù)參數(shù)

1.3 工作原理

液位開關(guān)有兩個開關(guān)點，用于監(jiān)測變壓器低油位和低低油位。正常油位時，磁簧開關(guān)A的兩個接觸彈片感應(yīng)出同名磁性，液位開關(guān)為斷開狀態(tài)；降至低油位時，兩個彈片感應(yīng)出異名磁性，磁簧開關(guān)A閉合，永磁體距開關(guān)B較遠，不足以使其吸合，處于斷開狀態(tài)；當(dāng)降至低低油位時，工作原理同低油位，如圖1所示。

2 液位開關(guān)異常觸發(fā)及處理

自2017年起，裝有磁性浮球液位開關(guān)在某牽引變壓器上頻繁發(fā)生低油位和低低油位異常觸發(fā)故障，持續(xù)時間大部分為幾秒至幾十秒，故障集中發(fā)生在某些特定（如彎道或坡道）運行線路。造成低油位異常觸發(fā)問題的因素較多，如油液污染、設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理、機械振動、氣體等[3]。

2.1 故障調(diào)查和分析

通過對異常觸發(fā)的變壓器進行逐一排查，確認變壓器無滲漏油問題且油位正常，液位開關(guān)檢測和功能均正常，接線無異常。通過調(diào)查，造成本次液位開關(guān)異常觸發(fā)故障根本原因有：

（1）液位開關(guān)浮球存在缺陷滲漏問題，造成浮球因比重變大而下沉，引起液位開關(guān)的持續(xù)觸發(fā)；

（2）液位開關(guān)浮球觸發(fā)低油位的行程較小，動作過于靈敏，當(dāng)變壓器在運行中受到較強烈振動時，浮球會發(fā)生一定位移，造成液位開關(guān)的短時觸發(fā)；

（3）變壓器油箱內(nèi)部存在少量氣體，當(dāng)變壓器運行在彎道或長坡道線路上時，會發(fā)生一定傾斜，氣體緩慢聚集在液位開關(guān)位置，導(dǎo)致液位開關(guān)的短時觸發(fā)。

2.2 故障處理及措施

由于造成誤報警故障原因的差異，故障處理方式各不相同。針對故障調(diào)查，本次液位開關(guān)異常觸發(fā)問題重點從三個方面進行了優(yōu)化和解決。

（1）浮球質(zhì)量篩查

對于浮球滲漏問題，采取直接更換故障液位開關(guān)，并對浮球進行常規(guī)的質(zhì)量篩查。具體篩查方法：將液位開關(guān)浮球放入變壓器油中，進行高低溫冷熱循環(huán)試驗，油從常溫緩慢加熱至80℃后自然冷卻，循環(huán)3次。經(jīng)實踐證明，該方法可有效暴露浮球中較小尺寸的缺陷，如貫穿氣孔等。

（2）靈敏度調(diào)整

對于動作靈敏問題，采用重新匹配磁簧開關(guān)工作特性與浮球比重的方式，增大液位開關(guān)觸發(fā)低油位動作行程，降低動作靈敏度。縮小屏蔽罩底部進油孔徑，降低變壓器在彎道或長坡道運行時因氣體集中問題造成的誤觸發(fā)風(fēng)險。試驗表明，采用小進油孔屏蔽罩的液位開關(guān)抗振防能力有顯著提升，異常觸發(fā)問題得到解決。

（3）工藝改善

對于氣體問題，一方面通過加強制造工藝質(zhì)量監(jiān)督，規(guī)范變壓器的真空注油工藝；另一方面對故障變壓器進行排氣處理。正常情況下，考慮變壓器采用真空注油工藝，變壓器內(nèi)部氣體含量較低。為了避免因運行線路等因素，造成氣體集中導(dǎo)致液位開關(guān)誤動作，通過適當(dāng)增大油位報警線值，實現(xiàn)液位開關(guān)油位保護冗余設(shè)計。

3 結(jié)束語

磁浮球液位開關(guān)是一種傳統(tǒng)的液位傳感器，但在實際工程應(yīng)用中仍暴露出諸多問題。牽引變壓器用液位開關(guān)與普通靜態(tài)工作設(shè)備用液位開關(guān)的工況條件存在較大差異，設(shè)計人員在選擇液位開關(guān)型號、安裝位置及安裝方式等時，需充分論證液位開關(guān)與工作環(huán)境的適應(yīng)性，并結(jié)合產(chǎn)品實際在線運用情況，靈活調(diào)整液位開關(guān)的結(jié)構(gòu)，提升液位開關(guān)可靠性。

參考文獻：

[1] 王帆.外測液位開關(guān)在丙烯儲罐上的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2016，52（06）：67-68.

[2] 百度百科.干簧管[EB/OL].http：// baike.Baidu.com/view/1048726.htm.2013 - 8 - 25.

[3] 黃愛武，卓然，仝世偉，王付崗，史洪濤.磁性浮球液位開關(guān)異常觸發(fā)的研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014（04）：11-15+18.

（作者單位：中車株洲電機有限公司）