基于变介质电容式液位测量的电力变压器油位检测系统设计

刘 林,李 宁,徐 浩,魏云冰

(1.国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司,河北 邯郸 056000;2.上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 201620)

0 引言

油浸式电力变压器作为电力系统中不可或缺的关键环节,其安全稳定运行直接影响电力系统的安全性和可靠性。作为保障变压器散热与绝缘的关键组件,油浸式变压器储油柜以及油位检测装置是保证变压器安全稳定运行的一道重要防线。因此,对油浸式变压器油位的准确检测具有重要意义。

常用的变压器油位检测装置通常有管式油位计与指针式油位计。最常见的胶囊储油罐+玻璃油管油位计根据连通性原理,直接测量玻璃油管内的油位高度,但是这类油位计容易发生通道堵塞等问题,导致假油位的产生。还有一类油位计采用机械传动的方式进行油位检测,这类油位检测装置会导致密封性破坏、污染绝缘油等问题,进而影响测量精度。针对以上问题,研究者们进行了大量的探究。文献[1]通过引入SSD 目标检测方法,检测红外图像中的套管区域,加入损失函数以改进SSD 算法,从而提高套管检测准确率,并进一步通过简单线性迭代聚类(SLIC)的应用实现了不依赖红外图像温度信息的油位检测。文献[2]提出一种基于机器视觉的变压器油位仪表识别技术,对采集的指针式油位计图像进行二值化处理,随后结合膨胀腐蚀和边缘检测技术对图像进行预处理,最后采用霍夫变换算法取得指针方向和指针中心定位,完成油位计读数的自动识别。文献[3]设计基于双压强传感器的变压器油位检测系统,通过定量、实时和远程测量变压器油位,有效校验传统油位计的准确性,避免“假油位”现象的发生。

本文在上述研究基础上,提出了一种采用变介质电容式液位测量变压器油位检测的方法,该方法使用数字式电容传感器进行油位检测。具体做法是将两同轴金属圆筒插入变压器油中,由于两同轴金属圆筒之间会产生寄生电容,当油位变化时两同轴金属圆筒之间的寄生电容也随之变化,同时电容传感器会感知并记录变化,再通过上位设备对数据进行传输与处理,使用改进的中值算法去除数据中的毛刺与干扰,最后实现变压器油位的准确检测。

1 变介质电容式液位测量

1.1 电容式液位传感器基本原理

电容式液位传感器结构如图1所示,图中外圈金属圆筒为外极板,内圈金属圆筒为内极板,在进行液位检测时,两层极板之间的液体即为极板间的电容介质。当被测液体液位发生变化时,极板间液体与空气所占比例发生变化,2个同轴金属圆筒之间的寄生电容也相应发生变化[46]。通过检测电路检测电容值的变化,并根据一定的函数关系,实现液位高度的显示。

图1 电容式液位传感器结构

变介质电容式液位传感器结构固定,没有运动机构,且检测结构体积较小,结构简单,该设备安装维护较为方便[7],成本低,测量连续稳定。由两金属圆筒构成的液位传感器,垂直插入被测液体中,当确定了传感器尺寸以及介电常数后,即可推导出当前被测液体高度h,传感器寄生电容C与被测液体高度h之间的关系为

式中:L为金属圆筒长度;d为金属圆筒内直径;D为金属圆筒外直径;ε0为空气介电常数;εr为被测液体介电常数[8-10]。

1.2 油位检测原理

油位检测原理如图2所示,根据同轴金属圆筒电容计算公式可得,当两金属圆筒未插入被测液体中时,可计算出金属圆筒初始电容值为

图2 油位检测原理图

当把金属圆筒插入被测液体中时,空气部分高度为L-h,因此金属圆筒的总电容可以看作空气中和液体中的两部分,两部分并联即为金属圆筒的总电容。

当把金属圆筒全部插入被测液体中时电容为

其中

因此

当金属圆筒的尺寸确定后,可以确定金属圆筒的长度、内筒直径和外筒直径。待测液体的介电常数可通过将金属圆筒全部插入液体中测量得到。因此可得到液体高度[11]

1.3 电容检测方法与设备选择

由于两同轴金属圆筒之间距离与长度有限,故寄生电容的电容量通常较小,为p F 级,则测量过程中电容变化量会更小更难以检测[12]。

FDC2214是一种基于变介质电容式液位传感技术的传感器,采用了窄频段架构,该架构可降低常见的噪声干扰,从而提升电容式液位传感器精度。其检测原理如图3所示。

图3 FDC2214传感器电容检测原理

图3所示的电容检测电路中,为了提高采集数据的速率,需要给FDC2214 传感器外接40 MHz的有源晶振。由于传感器结构和几何形状的影响,每一个电感都会存在寄生电容,因为寄生电容不稳定且不好控制,所以需要在FDC2214传感器的电源端与接地端之间并联旁路电容对其进行调节[13]。连接FDC2214传感器的同轴圆柱形金属片,插入油中时,保持金属片的上端暴露在空气中,当油位发生改变时,金属片之间的寄生电容随之发生改变。同时为了减少来自外部物体的干扰,采用无缘屏蔽的差分配置方法,以改善由于温度漂移所带来的谐振偏移以及增加电路的抗干扰能力,使其在恶劣环境下也能正常运行,提升检测精度[14-15]。

2 系统总体结构

图4为电容式油位检测系统框图,包括电容式油位检测部分、FDC2214传感器部分、单片机部分、电源部分、显示模块等。

图4 电容式油位检测系统框图

当油位变化时,FDC2214电容传感器可以敏锐地检测到电容的变化,准确地采集电容数据,同时将其转化为28位二进制数据,将采集到的数据通过IIC 接口传输到STM32F103C8T6 单片机,对数据进行滤波算法处理,同时计算当前的油位高度,将计算好的油位高度数据传输至显示模块或者上位机中,供工作人员读取。整个系统采用3.3 V 的直流电源供电,可由变压器电路提供电源。

考虑到在遇到故障的时候,可能会发生断电的情况,因此可以将本文所提出的油位检测系统与机械浮子式油位检测机构联合使用,在发生停电故障的短时间内,故障检修人员可以通过直接观察浮子式油位检测机构所显示的油位高度,以判断断电期间油位是否有明显的变化,可以有效避免发生更严重的设备故障。

3 系统软件设计

3.1 软件工作流程

软件工作流程如图5所示。首先对单片机定时器、串口等进行初始化,之后单片机通过IIC 接口读取FDC2214 所接收到的数据。为了避免传感器抖动引起的测量误差并提高测量精度,对采集到的数据进行滤波处理,通过滤波算法去除干扰。每次采集油位数据通过计算得到油位信息,并将这些信息发送至PC或显示单元。

图5 软件工作流程

3.2 滤波算法

滤波算法采用一种改进中值滤波算法,对于FDC2214传感器采集到的油位数据,首先在数组中将同一时刻的数据进行排序处理,去除数组中的最大值和最小值,再将剩余数据取平均值,所得的平均值认为是当前时刻稳定的油位值。算法流程如图6所示。

图6 滤波算法流程

该改进中值滤波算法可有效地消除FDC2214传感器以及电路中的毛刺,且在油位有轻微波动的情况下仍然有较高的精度。

4 应用分析

4.1 实验测试

为验证本文设计的变介质电容式液位测量变压器油位检测系统在实际运行条件下的可靠性和稳定性,搭建实验平台并设计系统硬件与软件。图7为2个同轴金属圆筒构成的液位传感器。

图7 2同轴金属圆筒构成的液位传感器

实验环境为较为封闭的室内,环境温度控制在20 ℃。测试时把传感器极板调整好位置并固定在量筒中,依次向量筒中加入绝缘油并记录相应的液位高度值。经过实验所得到的液位高度值如表1所示。

表1 液位高度检测实验结果

由表1可以看出,随着液体高度的不断增加,测量值也不断增加,且测量值与真实值之间相对误差较小,说明本文所提的方法能够高精度测量液位高度。

4.2 实际工程测试

将设计的变压器油位检测系统安装于国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司的某35 k V 变电站变压器油标管中。该油标管顶部为可拆卸结构,因此,不需拆卸现有的油标管,即可直接将油位检测系统传感器从油标管顶部插入油标管内。变压器室安装效果如图8所示。对于老式顶部不可拆卸的设备,可以对油标管进行整体替换。

图8 油位检测系统安装效果

采集设备安装后12 h内实际油位高度(采集频率1次/h)。液位高度测试结果如表2所示。

表2 油位高度测试结果

由表2可以看出,油位高度测量值与实际值的相对误差较小,测量高度随着油位高度变化而变化。该油位检测系统能够实现对该变压器储油柜的油位检测,并且能够有效提高运维人员的工作效率,进一步提升了电网的安全运行水平。

5 结论

针对变压器储油柜油位检测设备容易出现“假油位”、测量精度差及污染绝缘油等问题,提出一种基于变介质电容式液位传感器技术的油位检测系统,该系统通过变介质电容传感器,首先采集数据,然后使用改进中值滤波算法消除电路中的毛刺效应和油位波动带来的测量误差,最后实现油位的准确测量,并通过串口输出,测试得出测量值与真实值之间误差较小。本文所提方法具有硬件电路简单、测量准确、前端不带电、抗干扰能力强、可靠性强等优势,提高了变压器的安全性与可靠性,减少了操作人员的工作量,降低了变压器绝缘油油位过低与溢出的风险,可保证电网的安全稳定运行。后期还可通过扩展铠装屏蔽电缆,远距离与信号采集模块连接,实时检测变压器油位并实现远程在线监测。