基于變介質(zhì)電容式液位測量的電力變壓器油位檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉 林,李 寧,徐 浩,魏云冰

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司邯鄲供電分公司,河北 邯鄲 056000;2.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

0 引言

油浸式電力變壓器作為電力系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其安全穩(wěn)定運行直接影響電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。作為保障變壓器散熱與絕緣的關(guān)鍵組件,油浸式變壓器儲油柜以及油位檢測裝置是保證變壓器安全穩(wěn)定運行的一道重要防線。因此,對油浸式變壓器油位的準確檢測具有重要意義。

常用的變壓器油位檢測裝置通常有管式油位計與指針式油位計。最常見的膠囊儲油罐+玻璃油管油位計根據(jù)連通性原理,直接測量玻璃油管內(nèi)的油位高度,但是這類油位計容易發(fā)生通道堵塞等問題,導(dǎo)致假油位的產(chǎn)生。還有一類油位計采用機械傳動的方式進行油位檢測,這類油位檢測裝置會導(dǎo)致密封性破壞、污染絕緣油等問題,進而影響測量精度。針對以上問題,研究者們進行了大量的探究。文獻[1]通過引入SSD 目標檢測方法,檢測紅外圖像中的套管區(qū)域,加入損失函數(shù)以改進SSD 算法,從而提高套管檢測準確率,并進一步通過簡單線性迭代聚類(SLIC)的應(yīng)用實現(xiàn)了不依賴紅外圖像溫度信息的油位檢測。文獻[2]提出一種基于機器視覺的變壓器油位儀表識別技術(shù),對采集的指針式油位計圖像進行二值化處理,隨后結(jié)合膨脹腐蝕和邊緣檢測技術(shù)對圖像進行預(yù)處理,最后采用霍夫變換算法取得指針方向和指針中心定位,完成油位計讀數(shù)的自動識別。文獻[3]設(shè)計基于雙壓強傳感器的變壓器油位檢測系統(tǒng),通過定量、實時和遠程測量變壓器油位,有效校驗傳統(tǒng)油位計的準確性,避免“假油位”現(xiàn)象的發(fā)生。

本文在上述研究基礎(chǔ)上,提出了一種采用變介質(zhì)電容式液位測量變壓器油位檢測的方法,該方法使用數(shù)字式電容傳感器進行油位檢測。具體做法是將兩同軸金屬圓筒插入變壓器油中,由于兩同軸金屬圓筒之間會產(chǎn)生寄生電容,當油位變化時兩同軸金屬圓筒之間的寄生電容也隨之變化,同時電容傳感器會感知并記錄變化,再通過上位設(shè)備對數(shù)據(jù)進行傳輸與處理,使用改進的中值算法去除數(shù)據(jù)中的毛刺與干擾,最后實現(xiàn)變壓器油位的準確檢測。

1 變介質(zhì)電容式液位測量

1.1 電容式液位傳感器基本原理

電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中外圈金屬圓筒為外極板,內(nèi)圈金屬圓筒為內(nèi)極板,在進行液位檢測時,兩層極板之間的液體即為極板間的電容介質(zhì)。當被測液體液位發(fā)生變化時,極板間液體與空氣所占比例發(fā)生變化,2個同軸金屬圓筒之間的寄生電容也相應(yīng)發(fā)生變化[46]。通過檢測電路檢測電容值的變化,并根據(jù)一定的函數(shù)關(guān)系,實現(xiàn)液位高度的顯示。

圖1 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)

變介質(zhì)電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)固定,沒有運動機構(gòu),且檢測結(jié)構(gòu)體積較小,結(jié)構(gòu)簡單,該設(shè)備安裝維護較為方便[7],成本低,測量連續(xù)穩(wěn)定。由兩金屬圓筒構(gòu)成的液位傳感器,垂直插入被測液體中,當確定了傳感器尺寸以及介電常數(shù)后,即可推導(dǎo)出當前被測液體高度h,傳感器寄生電容C與被測液體高度h之間的關(guān)系為

式中:L為金屬圓筒長度;d為金屬圓筒內(nèi)直徑;D為金屬圓筒外直徑;ε0為空氣介電常數(shù);εr為被測液體介電常數(shù)[8-10]。

1.2 油位檢測原理

油位檢測原理如圖2所示,根據(jù)同軸金屬圓筒電容計算公式可得,當兩金屬圓筒未插入被測液體中時,可計算出金屬圓筒初始電容值為

圖2 油位檢測原理圖

當把金屬圓筒插入被測液體中時,空氣部分高度為L-h,因此金屬圓筒的總電容可以看作空氣中和液體中的兩部分,兩部分并聯(lián)即為金屬圓筒的總電容。

當把金屬圓筒全部插入被測液體中時電容為

其中

因此

當金屬圓筒的尺寸確定后,可以確定金屬圓筒的長度、內(nèi)筒直徑和外筒直徑。待測液體的介電常數(shù)可通過將金屬圓筒全部插入液體中測量得到。因此可得到液體高度[11]

1.3 電容檢測方法與設(shè)備選擇

由于兩同軸金屬圓筒之間距離與長度有限,故寄生電容的電容量通常較小,為p F 級,則測量過程中電容變化量會更小更難以檢測[12]。

FDC2214是一種基于變介質(zhì)電容式液位傳感技術(shù)的傳感器,采用了窄頻段架構(gòu),該架構(gòu)可降低常見的噪聲干擾,從而提升電容式液位傳感器精度。其檢測原理如圖3所示。

圖3 FDC2214傳感器電容檢測原理

圖3所示的電容檢測電路中,為了提高采集數(shù)據(jù)的速率,需要給FDC2214 傳感器外接40 MHz的有源晶振。由于傳感器結(jié)構(gòu)和幾何形狀的影響,每一個電感都會存在寄生電容,因為寄生電容不穩(wěn)定且不好控制,所以需要在FDC2214傳感器的電源端與接地端之間并聯(lián)旁路電容對其進行調(diào)節(jié)[13]。連接FDC2214傳感器的同軸圓柱形金屬片,插入油中時,保持金屬片的上端暴露在空氣中,當油位發(fā)生改變時,金屬片之間的寄生電容隨之發(fā)生改變。同時為了減少來自外部物體的干擾,采用無緣屏蔽的差分配置方法,以改善由于溫度漂移所帶來的諧振偏移以及增加電路的抗干擾能力,使其在惡劣環(huán)境下也能正常運行,提升檢測精度[14-15]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖4為電容式油位檢測系統(tǒng)框圖,包括電容式油位檢測部分、FDC2214傳感器部分、單片機部分、電源部分、顯示模塊等。

圖4 電容式油位檢測系統(tǒng)框圖

當油位變化時,FDC2214電容傳感器可以敏銳地檢測到電容的變化,準確地采集電容數(shù)據(jù),同時將其轉(zhuǎn)化為28位二進制數(shù)據(jù),將采集到的數(shù)據(jù)通過IIC 接口傳輸?shù)絊TM32F103C8T6 單片機,對數(shù)據(jù)進行濾波算法處理,同時計算當前的油位高度,將計算好的油位高度數(shù)據(jù)傳輸至顯示模塊或者上位機中,供工作人員讀取。整個系統(tǒng)采用3.3 V 的直流電源供電,可由變壓器電路提供電源。

考慮到在遇到故障的時候,可能會發(fā)生斷電的情況,因此可以將本文所提出的油位檢測系統(tǒng)與機械浮子式油位檢測機構(gòu)聯(lián)合使用,在發(fā)生停電故障的短時間內(nèi),故障檢修人員可以通過直接觀察浮子式油位檢測機構(gòu)所顯示的油位高度,以判斷斷電期間油位是否有明顯的變化,可以有效避免發(fā)生更嚴重的設(shè)備故障。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件工作流程

軟件工作流程如圖5所示。首先對單片機定時器、串口等進行初始化,之后單片機通過IIC 接口讀取FDC2214 所接收到的數(shù)據(jù)。為了避免傳感器抖動引起的測量誤差并提高測量精度,對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理,通過濾波算法去除干擾。每次采集油位數(shù)據(jù)通過計算得到油位信息,并將這些信息發(fā)送至PC或顯示單元。

圖5 軟件工作流程

3.2 濾波算法

濾波算法采用一種改進中值濾波算法,對于FDC2214傳感器采集到的油位數(shù)據(jù),首先在數(shù)組中將同一時刻的數(shù)據(jù)進行排序處理,去除數(shù)組中的最大值和最小值,再將剩余數(shù)據(jù)取平均值,所得的平均值認為是當前時刻穩(wěn)定的油位值。算法流程如圖6所示。

圖6 濾波算法流程

該改進中值濾波算法可有效地消除FDC2214傳感器以及電路中的毛刺,且在油位有輕微波動的情況下仍然有較高的精度。

4 應(yīng)用分析

4.1 實驗測試

為驗證本文設(shè)計的變介質(zhì)電容式液位測量變壓器油位檢測系統(tǒng)在實際運行條件下的可靠性和穩(wěn)定性,搭建實驗平臺并設(shè)計系統(tǒng)硬件與軟件。圖7為2個同軸金屬圓筒構(gòu)成的液位傳感器。

圖7 2同軸金屬圓筒構(gòu)成的液位傳感器

實驗環(huán)境為較為封閉的室內(nèi),環(huán)境溫度控制在20 ℃。測試時把傳感器極板調(diào)整好位置并固定在量筒中,依次向量筒中加入絕緣油并記錄相應(yīng)的液位高度值。經(jīng)過實驗所得到的液位高度值如表1所示。

表1 液位高度檢測實驗結(jié)果

由表1可以看出,隨著液體高度的不斷增加,測量值也不斷增加,且測量值與真實值之間相對誤差較小,說明本文所提的方法能夠高精度測量液位高度。

4.2 實際工程測試

將設(shè)計的變壓器油位檢測系統(tǒng)安裝于國網(wǎng)河北省電力有限公司邯鄲供電分公司的某35 k V 變電站變壓器油標管中。該油標管頂部為可拆卸結(jié)構(gòu),因此,不需拆卸現(xiàn)有的油標管,即可直接將油位檢測系統(tǒng)傳感器從油標管頂部插入油標管內(nèi)。變壓器室安裝效果如圖8所示。對于老式頂部不可拆卸的設(shè)備,可以對油標管進行整體替換。

圖8 油位檢測系統(tǒng)安裝效果

采集設(shè)備安裝后12 h內(nèi)實際油位高度(采集頻率1次/h)。液位高度測試結(jié)果如表2所示。

表2 油位高度測試結(jié)果

由表2可以看出,油位高度測量值與實際值的相對誤差較小,測量高度隨著油位高度變化而變化。該油位檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對該變壓器儲油柜的油位檢測,并且能夠有效提高運維人員的工作效率,進一步提升了電網(wǎng)的安全運行水平。

5 結(jié)論

針對變壓器儲油柜油位檢測設(shè)備容易出現(xiàn)“假油位”、測量精度差及污染絕緣油等問題,提出一種基于變介質(zhì)電容式液位傳感器技術(shù)的油位檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)通過變介質(zhì)電容傳感器,首先采集數(shù)據(jù),然后使用改進中值濾波算法消除電路中的毛刺效應(yīng)和油位波動帶來的測量誤差,最后實現(xiàn)油位的準確測量,并通過串口輸出,測試得出測量值與真實值之間誤差較小。本文所提方法具有硬件電路簡單、測量準確、前端不帶電、抗干擾能力強、可靠性強等優(yōu)勢,提高了變壓器的安全性與可靠性,減少了操作人員的工作量,降低了變壓器絕緣油油位過低與溢出的風(fēng)險,可保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。后期還可通過擴展鎧裝屏蔽電纜,遠距離與信號采集模塊連接,實時檢測變壓器油位并實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測。