基于多普勒超聲波流量計(jì)的重瓦斯信號在線監(jiān)測方法分析

霍丹，李國強(qiáng)

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡管理中心，廣東 廣州 510000）

瓦斯繼電器是變壓器的主要保護(hù)裝置，安裝在變壓器油箱與儲油柜的連接管上，能有效反映變壓器的內(nèi)部故障。瓦斯繼電器被大量應(yīng)用于變壓器保護(hù)，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。根據(jù)DL／T 540-2013《氣體繼電器校驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，瓦斯繼電器的校驗(yàn)周期為5年。瓦斯繼電器浸泡在變壓器油中，油流長期對瓦斯繼電器擋板產(chǎn)生的沖擊力會使其彈簧產(chǎn)生金屬疲勞，隨著時間的推移，瓦斯繼電器的動作定值會發(fā)生變化,因此，長期運(yùn)行的瓦斯繼電器可能出現(xiàn)誤動或拒動等情況。目前瓦斯繼電器的校驗(yàn)方法需變壓器停電，將瓦斯繼電器拆下，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校驗(yàn)。隨著對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求的不斷提高，瓦斯繼電器的重要性日益體現(xiàn)，瓦斯繼電器校驗(yàn)方法亟需提升。因此，探索一種檢測速度快、準(zhǔn)確率高的在線式檢測主變油流速度的新方法，可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，具有重要的研究價值和指導(dǎo)意義。

1 瓦斯繼電器重瓦斯動作原理

瓦斯繼電器的重瓦斯保護(hù)由擋板、彈簧、干簧觸點(diǎn)等組成，作用于跳閘。變壓器正常運(yùn)行時，瓦斯繼電器充滿油，開口杯浸在油內(nèi)，處于上浮位置，干簧觸點(diǎn)斷開。變壓器內(nèi)部繞組短路故障、絕緣層毀壞、鐵芯接觸欠佳或多點(diǎn)接地等常見故障會造成大量汽體產(chǎn)生，使變壓器內(nèi)部壓力大幅升高，并在油枕方位沖擊力下產(chǎn)生大量油流。假如油的流速超出瓦斯的標(biāo)定值，瓦斯的擋板受正電荷的作用力便會在重瓦斯維護(hù)姿勢中動作，使簧片觸點(diǎn)跳閘，與斷路器相互配合，擺脫彈簧摩擦阻力，進(jìn)而推動磁石向簧片觸點(diǎn)方位移動。相對于制造商對瓦斯的設(shè)定值，重汽體調(diào)整值通常設(shè)置在0.7米/秒和1.5米/秒之間。目前技術(shù)方式無法明確變壓器的油流速率，瓦斯產(chǎn)生常見故障和拒動的狀況也無法獲得預(yù)警信息。

2 超聲波流量計(jì)的基本原理

多普勒式超聲波流量計(jì)是利用多普勒效應(yīng)法工作的一種超聲波流量計(jì)。多普勒效應(yīng)是指一個發(fā)送聲波的物件接受并反射另一個物件的聲波。假如發(fā)送聲波的物件相對于接受物件來說是移動的，那么接受物件將以它所發(fā)送的頻率接受聲波。假如兩個物件之間的相對間距在降低，接受的頻率將比原先強(qiáng)化。假如兩個物件之間的相對間距在強(qiáng)化，接受的頻率便會比原先降低。在超聲多普勒流體測量方式中，超聲發(fā)送器是一個固定的聲源，隨流體運(yùn)動的固體顆粒物做為相對于聲源運(yùn)動的"觀察者"，但只將射到固體顆粒物上的超聲波反射到信號接收器。發(fā)送和接受的聲波之間的頻率差是由于流體中固體顆粒物的運(yùn)動而造成的聲波的多普勒頻移。這個頻率差與流體的流速成正比，因而可以通過測量頻率差來明確流速[1]。

如圖1所示為多普勒效應(yīng)原理圖，設(shè)超聲波聲速為c,流體中懸浮顆粒物或氣泡的速率與流體運(yùn)動的速率相同，v和θ為超聲波速和流體運(yùn)動的速率角。換能器1發(fā)射的超聲波信號頻率為f1,經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?頻率發(fā)生偏移,此時接收器接收到的信號頻率f2也會發(fā)生變化，其表達(dá)式如下：

式中，c為流體中的聲速，由于c2?（vcosθ）2，上式可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

將發(fā)射信號頻率和接收信號頻率之差作為多普勒頻率fr，則有：

根據(jù)上式可得流速v:

假如管路條件、換能器安裝部位、發(fā)送頻率和聲速早已明確，且c、f1和θ為常數(shù)，則流體流速和多普勒頻移成正比，其可通過測量流體流速的頻移來明確[6]。

3 超聲波流量計(jì)在線使用的可行性

為了驗(yàn)證在主變壓器中線上應(yīng)用超聲波流量計(jì)的可行性，需開展此類測試。首先，用超聲波流量計(jì)和渦街流量計(jì)對水流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備開展校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果為兩表均處在1.0水準(zhǔn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證可行性，我們隨機(jī)抽取一塊經(jīng)鑒定合格的旋進(jìn)式旋渦流量計(jì)，安裝到瓦斯繼電器油流校驗(yàn)臺的管路中,將超聲波流量計(jì)安裝在管道外,以0m/s的速度開始，以0.02m/s的流速上升至2m/s，選取10個測試點(diǎn)將兩者的測量結(jié)果進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波流量計(jì)與旋渦流量計(jì)測量數(shù)據(jù)表

根據(jù)《JJG1033-92計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中關(guān)于測量標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證要求，假如挑選同樣精度的測量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)兩者的測量值分別為m和n、標(biāo)準(zhǔn)性為A時，則應(yīng)務(wù)必達(dá)到以下公式要求：

4 超聲波流量計(jì)在主變壓器上的應(yīng)用

超聲波流量計(jì)現(xiàn)場安裝在變壓器油箱與儲油柜的連接管上，超聲波流量計(jì)在線監(jiān)測安裝示意圖如圖2所示，其可實(shí)現(xiàn)連接管上的油流速度的監(jiān)測。該類超聲波流量計(jì)的安裝方法為外貼式，這種超聲波流量計(jì)安裝換能器無需管道斷流,即貼即用,對主變壓器的油流系統(tǒng)無任何影響，也不影響主變壓器及瓦斯繼電器運(yùn)行的穩(wěn)定性。超聲波流量計(jì)可定量測量連接管內(nèi)的油流速度，通過數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測主變的運(yùn)行情況，實(shí)時識別主變運(yùn)行的異常，在主變壓器重瓦斯動作前就可對主變壓器運(yùn)行的異常情況提前預(yù)警。流量計(jì)可設(shè)定油流報警值，可在瓦斯繼電器重瓦斯拒動時及時預(yù)警，防止因瓦斯繼電器拒動而造成更大的事故。另外，當(dāng)瓦斯繼電器重瓦斯動作時，該流量計(jì)可監(jiān)測重瓦斯的動作值，能夠有效識別出瓦斯繼電器誤動和拒動等情況，從而實(shí)現(xiàn)了瓦斯繼電器流速定值的在線校驗(yàn)。

圖2 超聲波流量計(jì)在線監(jiān)測安裝示意圖

5 結(jié)論

針對目前瓦斯繼電器運(yùn)行動作不可靠、校驗(yàn)設(shè)備耗資昂貴、需停電拆裝校驗(yàn)等問題，本文所提出的基于多普勒超聲流量計(jì)重瓦斯信號在線監(jiān)測方法具有以下特點(diǎn)：

（1）通過多普勒超聲流量計(jì)安裝在主變壓器油流管道上，可實(shí)現(xiàn)對主變油流的在線監(jiān)測，可實(shí)時定量測量油流速度，為運(yùn)行人員監(jiān)測主變運(yùn)行狀態(tài)提供了可視、可靠的數(shù)據(jù)支撐，提高了變壓器運(yùn)行的可靠性。

（2）多普勒超聲流量計(jì)測量的油流速度與瓦斯繼電器重瓦斯跳閘信號對應(yīng)流速為同一物理量，可在線校驗(yàn)瓦斯繼電器，并能有效識別瓦斯繼電器的誤動及拒動。此方法簡化了校驗(yàn)流程，大大提升了工作效率，有益于系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（3）該方法安裝簡便，為外貼式，無需管道斷流,即貼即用,對主變壓器的油流系統(tǒng)無任何影響，也不會影響主變壓器及瓦斯繼電器運(yùn)行的穩(wěn)定性，適合在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，具有一定的推廣應(yīng)用價值。