變壓器油位超聲波監(jiān)測系統(tǒng)及方法

包宇喆?陳嵩?劉棟

摘要：在傳統(tǒng)變壓器油枕油位測量裝置的基礎(chǔ)上進行改進，針對現(xiàn)有超聲波液位檢測方法存在安裝時需對容器開孔，從而破壞容器結(jié)構(gòu)和聲波受揮發(fā)性介質(zhì)影響的問題，采用微處理器與傳感器相結(jié)合設(shè)計的一種非接觸式超聲波液位傳感器，該新型裝置具有油位報警，測量快速、精確等優(yōu)點，通過采用微處理器和傳感器相配合，將油枕油位數(shù)字化顯示，使其更加方便快捷，直觀明了。

關(guān)鍵詞：變壓器油位；傳感器；非接觸；超聲波；數(shù)字化

一、前言

在電網(wǎng)安全運行中，變電站是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其運行狀態(tài)決定了整個電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。變壓器是變電站的關(guān)鍵設(shè)備，其變壓器油的重要性不言而喻，它主要有絕緣、散熱和消弧的作用[1]。如果油位嚴重不足，使變壓器部分線圈鐵芯與分接開關(guān)暴露在空氣中，一旦受潮，絕緣性能下降，嚴重時甚至擊穿絕緣，燒毀變壓器，輕者也會使瓦斯保護動作，如果變壓器長期處于低油位運行，呼吸空間增大，空氣與變壓器油的接觸面增大，增加油氧化的速度，還會增加水分和其他灰塵雜質(zhì)的含量，也是變壓器的安全隱患[2]。如油位過高，呼吸空間變小，嚴重時會向外溢油，也是一種安全隱患[3]。

變壓器油箱在任何溫度和工況下都充滿油，并防止變壓器油量隨油溫而膨脹或減少，變壓器應(yīng)安裝油枕起儲油和補油的作用，減少變壓器本體與空氣的接觸面，減緩油的變質(zhì)速度[4]。

油枕側(cè)面設(shè)有油位指示器，可監(jiān)控油位變化。但目前的油位指示器讀數(shù)方式對于運維人員在日常工作中，觀察記錄油位、判斷是否補充變壓器油及觀察變壓器油是否處于安全油位來說，十分不便。因此，需一種便于測量記錄變壓器油位的裝置。

二、方案設(shè)計

（一）設(shè)計要求

為了方便運維人員，提高檢查效率，使變壓器油位檢查更準確、更直觀，需要設(shè)計一套可以用于變壓器油枕快速測油位的裝置，并且能夠方便使用，結(jié)合智能化的要求，所設(shè)計的裝置應(yīng)當具有以下優(yōu)點：

1.適用性高，可以實現(xiàn)為不同型號、不同地點、不同工作狀態(tài)的變壓器進行快速油位測量。

2.安全性好，在設(shè)計方便運維人員的同時，要保證人身安全。

3.方便易實現(xiàn)，為了在避免傳統(tǒng)油位測量裝置不易觀察、不便使用的缺點，該設(shè)計應(yīng)當具有快速、方便、易實現(xiàn)的優(yōu)點。

綜合以上幾點，所設(shè)計的裝置決定采用數(shù)字化微控制器及外加傳感器實現(xiàn)所需要的功能。

（二）方法設(shè)計

設(shè)計采用微處理器，該裝置的實現(xiàn)也分為硬件部分和軟件部分。硬件實現(xiàn)包括微處理器、傳感器選型、電路設(shè)計等；軟件設(shè)計主要為程序，通過程序編寫實現(xiàn)對傳感器的調(diào)用，再通過運算處理得到所需信號。對此，設(shè)計了一款偵測變壓器油枕油位的裝置[5]。在容器外壁底部安裝超聲波傳感器，如圖1所示。超聲波透過容器壁在被測液體、氣體中傳播時，在界面處反射，根據(jù)通過固液、氣體兩個界面的時間差和在被測液體中的傳播速度，可以計算出被測液體的高度。

其中θ1、θ2為入射、折射角；R1、R2特性阻抗。

若θ1＝θ2＝0，據(jù)（2）（3）公式假如穿過n介質(zhì)，得傳輸矩陣公式：

（4）中P1t、P1r為入射、反射聲壓，R、ρi、di 、Pnt分別是聲速、密度、厚度、幅值。

通過（5）（6）得出回傳信號頻率，其Ａ11、Ａ*11分別代表傳輸矩陣1行1列及聲波反射到矩陣的 1行 1列。

三、方案實現(xiàn)

（一）硬件實現(xiàn)

超聲波液位傳感器整體設(shè)計框圖，如圖2所示。

傳感器以單片機模塊為核心，裝置組成由超聲波傳感器、發(fā)射、接收電路、顯示模塊、報警模塊構(gòu)成。超聲傳感器用來發(fā)射和接收超聲波，超聲波發(fā)射電路用來產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動超聲傳感器，接收電路將接收反饋信號送入處理器等處理，電源電路則是為裝置供電。

（二）處理器的選擇

本次處理器的選擇為單片機MSP430F413，其芯片特點：工作電壓低、電流小、有5種低功耗模式、16位RISC架構(gòu)、27條精簡指令、125ns指令周期。

具備定時器、通電自動復(fù)位、XTAL或DCO可選時鐘源、比較器、雙向I/O口、片內(nèi)集成4×24段LCD液晶驅(qū)動器、定時器、支持以硬件方式實現(xiàn)串行UART通信，如圖3所示。

（三）發(fā)射電路的功能實現(xiàn)及原理：

發(fā)射電路的主要作用是激發(fā)超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，其主要工作原理是先降低發(fā)射變壓器初級電壓VDD，再減小發(fā)射電路功耗。通過采用單片機的I/O端口連接來驅(qū)動場效應(yīng)管Q1，從而由場效應(yīng)管去驅(qū)動變壓器完成超聲波的發(fā)射，工作時單片機I/O端口輸出超聲波脈沖串至Q1的柵極，然后由Q1直接驅(qū)動變壓器T1，完成超聲波脈沖串的發(fā)射（見圖4）。

（四）信號接收電路的設(shè)計實現(xiàn)

接收電路的主要作用就是將回波信號進行放大并送入處理器處理[9]。其主要結(jié)構(gòu)為三級放大電路，探頭2的回波信號首先通過限流電阻Rs，經(jīng)電容C1隔直后，進入一次放大電路進行放大；經(jīng)三極管T2進行二次放大；然后再經(jīng)三極管T3進行三次放大；由T3的集電極輸出至單片機的A/D端口完成回波信號的采集和處理（見圖5）。

（五）顯示電路的設(shè)計實現(xiàn)

顯示模塊主要用于顯示數(shù)據(jù)值、工作模式代碼等，其工作原理是通過LCD屏與單片機的I/0端口進行連接，通過片內(nèi)LCD驅(qū)動器完成驅(qū)動LCD工作，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示的功能（見圖6）。

（六）報警電路的實現(xiàn)

報警部分的設(shè)計選擇的是小型繼電器通過輸入電流就可以控制繼電器的通斷，但是單片機管腳的驅(qū)動能力有限，因此一般通過三極管加到繼電器的輸入端，一方面解決了單片機管腳驅(qū)動能力不足的問題，另一方面可以起到一定的隔離作用。繼電器的COM口接到單片機的VCC，繼電器的VCC和GND對應(yīng)接到單片機的VCC和GND繼電器的IN口接到單片機的端口（見圖7）。

（七）軟件實現(xiàn)

軟件實現(xiàn)主要在于編寫相關(guān)程序，根據(jù)裝置應(yīng)具備的功能，分別對單片機和一些外圍器件進行初始化和重新賦值一些變量，程序主要完成系統(tǒng)、各個模塊的初始化和控制電路運作等功能，最終實現(xiàn)設(shè)計功能（見圖8）。

四、結(jié)語

以上講述了帶油位報警功能的變壓器油枕油位超聲波監(jiān)測系統(tǒng)及方法，設(shè)計的裝置可以實現(xiàn)對變壓器油枕油位的精確測量，滿足數(shù)字化快速讀數(shù)的要求，但是還有以下幾點可以提升的地方。首先，已知目前所使用的各個變電站變壓器體積均較大，內(nèi)部所裝變壓器油體積也較大，使得變壓器油上下部分密度存在一定的變化，會造成一定的測量誤差；其次，雖然所設(shè)計的裝置選擇了單片機作為核心處理裝置，可以快速測量，但是在對于無線模塊的選擇上可能存在一定的局限性，對于遠端記錄來說，還需要工作人員在計算機端手動輸入。該裝置的設(shè)計可以為變壓器運維提供直接的數(shù)字依據(jù)，為未來變電站的智能化發(fā)展做出一定的貢獻。

參考文獻

[1]王超，唐銘澤，李東澤，等.電力變壓器油楔放電故障預(yù)警技術(shù)研究[J].通化師范學院學報，2022，43（10）： 63-66.

[2]楊定乾，李龍飛，劉清松，等.不同受潮類型油紙絕緣套管的高壓時/頻域介電響應(yīng)特性分析[J].電工電能新技術(shù)，2022，41（10）： 54-64.

[3]仲維燦，裴煜，穆寶，等.某核電廠油浸式變壓器儲油柜油位監(jiān)測裝置改造及分析[J]. 儀器儀表用戶，2022，29（5）： 52-56.

[4]趙長超.無線 FMCW 雷達液位計的設(shè)計[D].南京：南京信息工程大學，2013．

[5]蒲杰，李平，吳文燾.一種簡單高精度超聲液位計系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].應(yīng)用聲學， 2010（6） ：6.

[6]張根寶，李秀平，龐蘇娟.基于ARM Cortex- M3便攜式智能超聲波液位計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（1） ：3.