刘煌煌，沈谢林，黄志杰，连和，张国灿，林向宇
国网福建省电力有限公司泉州供电公司 福建 泉州 362011
摘要:大型电力变压器储油柜油位计是变压器油位指示工具，本文提出了一种基于压强原理检测外油式金属波纹管储油柜的油位监测装置，通过压强与油位转换实现油位测量。
关键词:储油柜;压强；监测；油位
中图分类号: TM41
0.引言
油位指示装置是大型电力变压器的重要非电量保护装置之一，是油位报警的重要部件，但近年来配用的胶囊式和金属波纹管式储油柜缺陷频发，油位过高导致变压器压力释放动作；油位过低将出现气体继电器轻瓦斯动作甚至缺油保护（重瓦斯）跳闸，严重影响变压器的安全稳定运行。亟需一种缺陷率相对低的油位指示装置。
油位计指针卡涩、磁吸转轮卡涩或失效、浮子连杆弯曲或被卡、浮子失效或脱落、胶囊变形压迫油位计浮子等情况，导致油位计不能显示真实油位，出现主变压器假油位。
1.外油式金属波纹管储油柜
金属波纹式储油柜是一种应用超过15年的全密封型储油柜，采用不锈钢波纹补偿技术，实现绝缘油体积补偿的同时，可靠地确保绝缘油与空气的隔离，如图1、图2所示。电网系统中应用了外油卧式或立式金属波纹储油柜和内油式金属波纹储油柜，如图3、图4、图5所示。
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2.配用油位计存在问题
拉带式主要用于外油式储油柜，安装在金属波纹管内，波纹管端面位置即是油位，采用拉带直接显示最长达5m，或转换为储油柜直径进行显示，因油位计完全暴露在空气中，拉带回复弹簧和转向轮卡涩时有发生，且日常无法发现问题和维护，缺陷呈现明显上升的趋势。
也有其他测距实现油位转换的方法，但都未能推广应用。
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图7翻板磁吸式拉带油位计
3.基于压强原理油位监测设计
3.1.波纹式储油柜压强和变压器油位关系
油位上升时，膨胀的变压器压缩金属波纹管以扩大储油空间；油位下降时，大气压力释放伸展金属波纹管。平衡后位置储油柜底部压强是由大气压强、油压和金属波纹管的形变共同作用。
金属膨胀器是一个压缩弹簧，根据胡克定律（Hooke′s low）有：
F
波纹管=-kx
式中，F为波纹管受油压力；k为弹簧劲度系数；x为波纹管弹性变形位移。
F
波纹管=kx
P
波纹管=F
波纹管S
2
V
波纹管=x(S
1-S
2)
式中，S1为储油柜内截面积；S2为波纹管截面积则：
ΔP
波纹管=ΔFS
2=kΔxS
2=kΔVS
2/(S
1-S
2)
因此，金属波纹储油柜压强取样位置的油位-压强关系由3部分组成可用分布函数表示：
P=P大气+P油+P波纹管=P大气+ρgΔh+ kΔVS2/(S1-S2)
式中，P
大气为大气压强，P
油为取样点油压，P
波纹管为金属波纹管形变压强
3.2.传感器选型
3.2.1.压强传感器使用环境
⑴极限压强
国内变电站分布在海拔-200～4650m之间，大气压强约在103～56kPa，考虑风压，还将再偏差超过5kPa，故气象压力分布应在51～108kPa；变压器正压极限压强为压力释放阀动作值85kPa（不考虑高度差）；变压器负极限压强为13Pa全真空注油极限压力工作范围应在-101kPa～85kPa；检测过程中峰值或持续不规则的上下波动，特别是瞬间的峰值能破坏传感器，一般取1.5倍。
极限压强：-154.5kPa～162kPa，
⑵温度
变压器为A级耐热等级，最高允许温度为105℃，低温为最低环境温度，与变压器油号对应（不计硅油等其他绝缘介质），温度范围是-45～105℃，实际顶层油面温度不会超过95℃，油路通过管路达到储油柜底部后更不可能达到75℃；
温度：-45～75℃。
⑶湿度
储油柜积污槽中最恶劣环境，相对湿度0～100%，并且长期被浸泡在油中或水中，其不能与油反应，如使用不锈钢材料，就应先进行钝化，防止Ni对油催化分解。
3.2.2.检测参数
传感器压强检测范围和精度与安装位置息息相关，不同的安装位置对应不同的检测范围和检测精度。传感器可安装储油柜的底部、注油口（未带引下管或带引下管）、上、中、下甚至死油区取油口均可，但从量程和精度配合看，储油柜底部需检测的范围最小，对应的精度较低，较为合适。
如按极限压的绝对值开展检测工作，传感器费用过高，可选用压差式传感器，将大气压强予以剔除，降低检测要求，实现精度测量。
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图8典型大容量变压器的可安装压强传感器位置
以某厂产三线圈全自冷变压器SSZ-180000/220的储油柜直径1500mm，长度5000mm，其中储油柜底部150mm为死油区，不考虑假油位等工艺问题，压强范围Δh只有1350mm，检测精度1%，即可达到10mm级油位高度准确检测。
不同的金属波纹管有着不同的弹簧劲度系数，一般极限设计范围不超过顶部加压30kPa要求，需检测油压范围：1.13kPa+30kPa，相对较小，容易实现。
3.2.3.压强变送器选择
压强式油位计需将油位产生的压强通过信号转换为电信号[4-5]，常见的供电方式为：DC 5V、12V、24V、±12V等，输出方式有：0~5V、1~5V、0.5~4.5V、0~10mA、 0~20mA、4~20mA等及Rs232、Rs485等与计算机的接口，选用了最为常见的24V、4~20mA方式。
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图9典型压强传感器
实际精度检测范围达到0～32kPa，非精度检测范围-50kPa～0～50kPa，选用0.5%。其检测精度达2.2%，相当于28.6mm，远超我们要求的10%精度、130mm或5%精度、6.5mm。
4.现场安装及调试
4.1.传感器采购
双法兰压差式变送器，型号：LDSZ-231、极限压力：1600kPa、检测范围：-50kPa～0～50kPa、电源电压：DC24V、变送信号：4～20mA；检测精度：0.5%。
配用在山东某变压器厂储油柜BP-W1350*5350，储油柜内部直径1300mm，安装在某变电站#2主变。
4.2.现场调试验证
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图10 现场安装调试情况
通过现场反复、多次全储油柜进行充放油调校检测，获得相应的指针油位表（实测）-就地压力-远传压力-远传油位的校正，最终得到一组完整数据，详见附表，最大精度偏差-4.00%。全程7.42kPa压差，由4～20mA上送至后台，全程被分为2048个点
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5.结束语
1）研制了基于压强检测原理的变压器油位监测装置，彻底消除了主流的磁耦合指针式油位计和拉带式油位计等取样和机械传动所造成的缺陷。
2）通过电子化远传，实现了数字化，为在线检测和智能化变电站提供了技术基础。
3）现场验证了基于压强检测原理的变压器油位监测装置的可行性。
参考文献
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[2]徐心怡，曹俊伟，吴平等.基于双压强传感器变压器油位检测系统的研究与应用[J].上海节能，2019，361（1）:55-59
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作者介绍：
刘煌煌（1987.11—），研究生，高级工程师，国网福建省电力有限公司泉州供电公司。]-3]