基于變介質電容式液位測量的電力變壓器油位檢測系統設計

劉 林,李 寧,徐 浩,魏云冰

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

0 引言

油浸式電力變壓器作為電力系統中不可或缺的關鍵環節,其安全穩定運行直接影響電力系統的安全性和可靠性。作為保障變壓器散熱與絕緣的關鍵組件,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連通性原理,直接測量玻璃油管內的油位高度,但是這類油位計容易發生通道堵塞等問題,導致假油位的產生。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域,加入損失函數以改進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)的應用實現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,對采集的指針式油位計圖像進行二值化處理,隨后結合膨脹腐蝕和邊緣檢測技術對圖像進行預處理,最后采用霍夫變換算法取得指針方向和指針中心定位,完成油位計讀數的自動識別。文獻[3]設計基于雙壓強傳感器的變壓器油位檢測系統,通過定量、實時和遠程測量變壓器油位,有效校驗傳統油位計的準確性,避免“假油位”現象的發生。

本文在上述研究基礎上,提出了一種采用變介質電容式液位測量變壓器油位檢測的方法,該方法使用數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,再通過上位設備對數據進行傳輸與處理,使用改進的中值算法去除數據中的毛刺與干擾,最后實現變壓器油位的準確檢測。

1 變介質電容式液位測量

1.1 電容式液位傳感器基本原理

電容式液位傳感器結構如圖1所示,圖中外圈金屬圓筒為外極板,內圈金屬圓筒為內極板,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。當被測液體液位發生變化時,極板間液體與空氣所占比例發生變化,2個同軸金屬圓筒之間的寄生電容也相應發生變化[46]。通過檢測電路檢測電容值的變化,并根據一定的函數關系,實現液位高度的顯示。

圖1 電容式液位傳感器結構

變介質電容式液位傳感器結構固定,沒有運動機構,且檢測結構體積較小,結構簡單,該設備安裝維護較為方便[7],成本低,測量連續穩定。由兩金屬圓筒構成的液位傳感器,垂直插入被測液體中,當確定了傳感器尺寸以及介電常數后,即可推導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之間的關系為

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

1.2 油位檢測原理

油位檢測原理如圖2所示,根據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、內筒直徑和外筒直徑。待測液體的介電常數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是一種基于變介質電容式液位傳感技術的傳感器,采用了窄頻段架構,該架構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,為了提高采集數據的速率,需要給FDC2214 傳感器外接40 MHz的有源晶振。由于傳感器結構和幾何形狀的影響,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旁路電容對其進行調節[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,當油位發生改變時,金屬片之間的寄生電容隨之發生改變。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,使其在惡劣環境下也能正常運行,提升檢測精度[14-15]。

2 系統總體結構

圖4為電容式油位檢測系統框圖,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,準確地采集電容數據,同時將其轉化為28位二進制數據,將采集到的數據通過IIC 接口傳輸到STM32F103C8T6 單片機,對數據進行濾波算法處理,同時計算當前的油位高度,將計算好的油位高度數據傳輸至顯示模塊或者上位機中,供工作人員讀取。整個系統采用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,可能會發生斷電的情況,因此可以將本文所提出的油位檢測系統與機械浮子式油位檢測機構聯合使用,在發生停電故障的短時間內,故障檢修人員可以通過直接觀察浮子式油位檢測機構所顯示的油位高度,以判斷斷電期間油位是否有明顯的變化,可以有效避免發生更嚴重的設備故障。

3 系統軟件設計

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 所接收到的數據。為了避免傳感器抖動引起的測量誤差并提高測量精度,對采集到的數據進行濾波處理,通過濾波算法去除干擾。每次采集油位數據通過計算得到油位信息,并將這些信息發送至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據,首先在數組中將同一時刻的數據進行排序處理,去除數組中的最大值和最小值,再將剩余數據取平均值,所得的平均值認為是當前時刻穩定的油位值。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 應用分析

4.1 實驗測試

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

圖7 2同軸金屬圓筒構成的液位傳感器

實驗環境為較為封閉的室內,環境溫度控制在20 ℃。測試時把傳感器極板調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的液位高度值。經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

將設計的變壓器油位檢測系統安裝于國網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構,因此,不需拆卸現有的油標管,即可直接將油位檢測系統傳感器從油標管頂部插入油標管內。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備,可以對油標管進行整體替換。

圖8 油位檢測系統安裝效果

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

表2 油位高度測試結果

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。該油位檢測系統能夠實現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,進一步提升了電網的安全運行水平。

5 結論

針對變壓器儲油柜油位檢測設備容易出現“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電容式液位傳感器技術的油位檢測系統,該系統通過變介質電容傳感器,首先采集數據,然后使用改進中值濾波算法消除電路中的毛刺效應和油位波動帶來的測量誤差,最后實現油位的準確測量,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險,可保證電網的安全穩定運行。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遠程在線監測。