CN101067617A - 变压器油中微水及混合气体超声在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力设备的辅助设备，特指一种基于超声技术的变压器油中微水及混合气体含量在线检测方法与装置。其基于超声技术，结合CPLD技术及ARM9嵌入式微处理器开发系统，综合应用现代先进的声学检测手段与现代先进的电子技术，通过将标准变压器油与待测变压器油冷冻到零摄氏度以下，或加热到变压器油在运行时的最高允许温度，利用两对性能一致的超声收发换能器同时对标准与待测变压器油的超声传播时间及相位采集，采集信号进入CPLD单元处理得到混合气体的含量；从而实现对采用油浸变压器的电气设备的微水及混合气体含量的智能在线监测与超标报警，实现了对采用油浸变压器的高压电气设备的监控。

Description

变压器油中微水及混合气体超声在线检测方法及装置

技术领域

本发明属于电力设备的辅助设备，特指一种基于超声技术的变压器油中微水及混合气体含量在线检测方法与装置。

背景技术

变压器是我国电力行业主要的电力设备，在整个电力系统安全运行中起了非常重要的作用。随着变压器的长期运行，由于一些客观或主观因素会使变压器油中混入一些气体和水分，这些气体杂质和微量水分的存在大大降低了变压器油的绝缘性能，加速了绝缘系统的老化进程，还可导致变压器的局部放电击穿及产生气泡，这不仅仅缩短了变压器的正常使用寿命，严重时甚至还会导致一些事故的发生，造成巨大的损失和危害。鉴于此，早在1987年，我国已经出台了GB/T7600-1987运行中变压器油水分含量测定法(库仑法)以及GB/T7601-1987运行中变压器油水分测定法(气相色谱法)两个标准。

库仑法实质是利用化学反应进行微水检测，可普遍用于测量固体、液体以及气体中的水分含量，测定的水分可达到质量分数为50×10^-6以下。库仑法的优点是分析速度快，灵敏度高，准确度高，可广泛用于自动检测方面，在石油化工、医药、食品、环境检测等领域已经有了重要的应用。缺点是取样操作易引起误差，且负反应较多，在检测时要考虑很多因素。色谱法是由俄国植物学家Tswett在1906年提出的。其实质是利用不同物质在不同的两相(固定相，流动相)中具有不同的分配系数即溶解度，当两相作相对运动时，这些物质在两相中的分配反复进行多次，这样使得那些分配系数只有微小差异的组分产生很大的分离效果，从而使不同组分得到完全分离。两组分差异在千分之五时便可以达到分离。此方法用于油中微水检测时，流动相为汽化样品后的混合气体，流动相随载气进入固定相中进行分离，得到分离层后进行微水含量的测定。色谱法的优点是灵敏度高，准确可靠，干扰性小，缺点是操作较复杂，一般的技术人员难以把握且设备要求较高。

目前，较为常用的还有介电常数法，即利用变压器油中油和水的介电常数不同，油中含水的多少决定了变压器油的介电常数，传感器是电容式的温度传感器、湿度传感器，将传感器浸在油中，介电常数的变化导致电容的变化，通过测得电容的变化量，经计算从而得到微水的含量。优点是达到了油中微水的在线检测。此外，还有基于模糊控制神经网络检测法，射频检测法，红外检测法等等，近期还出现了利用虚拟仪器(Labview)的油品水分检测法。见“罗桂娥 杨欣荣 曾明，利用虚拟仪器技术的油品水分检测仪”，自动化仪表，第25卷第5期2004年5月，

目前，国内外有一些关于油水检测的专利，有中国专利“变压器油箱油中水分在线检测装置”中国：02277288.X[P]2003.09.03属于对变压器进行监测技术领域，涉及一种变压器油箱油中水分变化状况的在线监测装置。该变压器油箱油中水分在线监测装置包括变压器的一组冷却器与变压器相连的底部出油管、智能传感器，智能传感器的电信号经智能传感器处理之后，由RS232接口与工控机连接，工控机可以通过以太网与后台诊断处理计算机连接。能及时监测变压器油箱油中水分的变化，出现异常情况时，使人们能够及时采取调控措施或由自动控制系统自动处理，避免变压器故障的发生。变压器油中水分在线监测装置：包括变压器的一组冷却器、与变压器相连的底部出油管、智能传感器，其特征在于智能传感器将安装在底部出油管上的传感器探头的电信号经放大或衰减、整流、滤波和模数转换以后经RS232接口和3芯屏蔽电缆与前台工控机连接，前台工控机可以通过以太网与后台诊断处理计算机连接。主要通过测量油温及水活性两个量，来得到水分含量，从而能及时监测变压器油箱油中水分的变化。优点是实现了在线检测，在微水超标时报警，但关键技术传感器采用国外现成的传感器，价格比较贵，不利于推广。有俄国：RU2249204[P]2005-03-27 Method And Device ForMeasuring Content Of Water In Water-Oil-Gas Mixture(油水气混合物中水分检测方法及装置)主要用于油水气混合物的测量。将样本取样放置，沉淀，进行液体静压力的测量。并测量超声波脉冲的时间。在沉淀层发射超声脉冲。W＝g rhowCw(t1-t0)/2DeltaP，W是水分含量，g是加速度，rhow是水的密度，Cw是混合物中的声速，DeltaP为液体静压力，(t1-t0)为超声脉冲发射到表层与从表层反射回来的时间差。由此公式可得到水分的含量。此检测设备由液体静压力、温度、压力传感器构成，超声换能器装容器底部发射超声波。优点是公式简单，能够直观的得到结果，但由于超声波在液体中的传播速度大概差不多，精度可能达不到微水测量的要求，不适合于微量水份的测量。有美国专利075093[P]1993-6-1Determination of water content in presence of oils(油中水分检测)主要用于测量油中或乳剂中的水分，将沸石放入待测样品中，水分含量的不同使温度升高的不同，根据温度多少可以知道水分含量的多少。比原来卡尔—费休法节省了很多时间，操作简单，但由于是通过测量温度升高的多少来得到水分含量的，所以传感器对温度的敏感要求很高，且对环境温度的要求也很高，如果不注意则水分含量会有很大的偏差。

综上所述，对变压器绝缘油中含水量的检测已成为近年来研究的一个热门课题。检测方法越简单，检测设备越灵敏，检测结果越准确，以及检测方法及仪器推广越经济等几个方面成为变压器油中微水检测设备研发的趋向。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超声技术的变压器油中微水及混合气体含量在线检测方法与装置。其基于超声技术，结合CPLD技术及ARM9嵌入式微处理器开发系统，将现代先进的声学检测手段与现代先进的电子技术综合应用于变压器油中微水及混合气体含量的在线测量，从而实现对采用油浸变压器的电气设备的微水及混合气体含量的智能在线监测与超标报警，实现了对采用油浸变压器的高压电气设备的监控。

由于变压器油中微水理论上主要以游离、溶解、乳化的形式存在于变压器绝缘油中。温度越高，变压器油中溶解水分的能力越强，能溶解的水分就越多，在实际运行中水分是以溶解形式均匀的存在于变压器绝缘油中。

本发明的检测方法：

(1)在同温同压下，对标准变压器油与待测变压器油进行等时间段乳化，使微水与混合气体均匀的分布在变压器油中；

(2)再将标准变压器油与待测变压器油冷冻到零摄氏度以下，这时水就变成了小固体颗粒均匀的分布在变压器油中，利用两对性能一致的超声收发换能器同时对标准与待测变压器油的超声传播时间及相位采集，采集信号进入CPLD单元处理得到微水的含量；

(3)再将标准变压器油与待测变压器油加热到变压器油在运行时的最高允许温度，同样利用两对性能一致的超声收发换能器同时对标准与待测变压器油的超声传播时间及相位采集，采集信号进入CPLD单元处理得到混合气体的含量；加热不仅仅对变压器油中混合气体进行了含量检测，而且由于加热是到变压器油运行温度，为最后顺利循环流到变压器中继续使用提供了方便，

(4)最后变压器油经过循环装置回流到变压器中继续运行使用。这样就完成了对变压器油中微水及混合气体含量的在线测量。

超声波是一种机械波，频率高于20kHz，可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，但气体、液体、固体的声传播速度存在很大差异，在气体及液体中超声传播速度分别为340m/s左右、1500m/s左右。但超声在固体中的传播速度比液体和固体的高得多，且不同固体中传播速度相差很大，在本发明，采用将水转化成冰的方法进行检测，超声在冰中传播的速度为3160m/s，对比超声在变压器油中的传播速度1425m/s，就可以根据声波的传播速度的差异来进行测量。其中对油中微水及混合气体检测方法中包括三个方面：

(1)首先给出标准变压器油的声速测量公式

设标准变压器油的密度ρ₁，在固定长度L距离中传播的声速为c₁，有

$c_1=\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{\κ}}_s}^{\′}{\mathrm{\ρ}}_1}}$

式中：κ_s′——变压器油的绝热压缩系数。

(2)待测变压器油中声速测量公式

微水检测的推导方法：设微水冷冻池悬浮液中变压器油密度ρ₁(即标准变压器油密度)，体积分数υ₁，悬浮液中混合气体密度ρ₂，体积分数υ₂，

           ρ＝ρ₁υ₁+ρ₂υ₂＝ρ₁(1-υ₂)+ρ₂υ₂

由于固体粒子半径a非常小，βa□1，所以在固定长度L距离变压器油水混合悬浮液中超声传播的速度为

$c_2={\left(\frac{K}{\mathrm{\ρ}}\right)}^{\frac{1}{2}},$

其中K＝(υ₁/K₁+υ₂/K₂)^-1

    ρ＝ρ₁υ₁+ρ₂υ₂＝ρ₁(1-υ₂)+ρ₂υ₂

(3).测量关系推导；

由于微水检测及混合气体检测的测量关系推导公式相同，只是数据不同，这里以微水检测为例给出推导关系：在等温等压条件下，第一对换能器之间放置标准变压器油，声速用c₁表示，另一对换能器之间放置待测变压器油，对标准变压器油及待测变压器油同时冷冻到同一温度，这时变压器油中的微量水分变成了固态冰，即成悬浮液，声速用c₂表示。发射换能器与接收换能器均相距L长。超声波信号为脉冲波，频率为f。两路发射信号同相位，则两路接收信号相位差为

$c_1=\sqrt{\frac{1}{{{\mathrm{\κ}}_s}^{\′}{\mathrm{\ρ}}_1}}---\left(2\right)$

$c_2={\left(\frac{K}{\mathrm{\ρ}}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

同时测量超声脉冲在第一个通道中传播时间为t，

$t=\frac{L}{c_1}---\left(4\right)$

又知ρ＝ρ₁υ₁+ρ₂υ₂＝ρ₁(1-υ₂)+ρ₂υ₂(液相密度为ρ₁，体积分数为υ₁，固相密度为ρ₂，体积分数为υ₂)，K＝(υ₁/K₁+υ₂/K₂)^-1

由(1)(2)(3)(4)可得

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{-B+\sqrt{B^2-4\mathrm{AC}}}{2A}$

其中： $A=\frac{(K_1-K_2)({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1)}{K_2{K}_1}$

$B=\frac{K_2({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1)+{\mathrm{\ρ}}_1(K_1-K_2)}{K_2{K}_1}$

$D={\left({k_s}^{\′}{\mathrm{\ρ}}_1\right)}^{-\frac{1}{2}}$

由此根据声速脉冲的相位差来测量冰的体积分数，即得到了微水的含量。

本发明所述的装置为：超声乳化装置及超声波检测装置，且采用的多个阀门是用来完成变压器油可循环进入乳化池、采样池，并保证进行乳化、采样时反应容器的密闭，保证结果的准确性。

超声乳化装置为带n个超声电源的乳化池。

超声波检测装置包括：具有两个用来分别检测微水及混合气体含量的参照装置及两个采样装置，以及功率放大电路，隔离放大整形电路与包含波形发生器、比较及测量电路、分频器的CPLD芯片，晶振电路，单片机，RS-485总线，ARM9微处理器。其中检测微水的参照装置及采样装置为冷冻池，包括两部分，其一是标准变压器油冷冻池(参照装置)，其二是待测变压器油冷冻池(采样装置)。经过乳化的标准变压器油和待测变压器油通过循环管流入各自的冷冻池，进行冷冻操作。检测混合气体的参照装置及采样装置为加热池，亦包括两部分，其一是标准变压器油加热池(参照装置)，其二是待测变压器油加热池(采样装置)。经过冷冻检测的标准变压器油和待测变压器油通过循环管流入各自的加热池，进行加热操作。参照装置和采样装置内部的各作为发射端的一端均设有发射超声波的超声波换能器，作为接收端的另一端均设有接收超声波的超声波换能器。其中晶振电路的晶振信号输出端接分频器。分频器具有两个输出端，分别是使用时可输出第一频率f₁的第一频率输出端和使用时可输出第二频率f₂的第二频率输出端，所述的第一频率f₁在超声波的频率范围内，所述的第二频率f₂是第一频率f₁的50至300倍；分频器的第一频率输出端接波形发生器的输入端，其第二频率输出端接比较及测量电路的频率信号输入端，波形发生器的输出端接功率放大电路，功率放大电路的输出端同时与参照装置和采样装置的发射端处的超声波换能器电连接，参照装置和采样装置的接收端处的超声波换能器各自与相应的隔离放大整形电路的输入端电连接，各隔离放大整形电路的输出端与比较及测量电路的2个超声测量信号的相应输入端电连接，比较及测量电路的超声测量信号输出端接单片机的超声测量信号输入端，单片机再通过RS-485总线与上位机通信。

本发明选用了CPLD芯片作为核心器件，主要完成超声波信号的发生，接收；对接收信号进行调理；并且对微相位进行比较分析。

所述上位机采用ARM9微处理器，其具有液晶显示模块，键盘控制模块，报警模块，网络接口模块，实时时钟模块，历史数据存储和查询模块。主要完成对微水及混合气体含量的液晶显示；当含量超标时进行语音报警；同时它还有实时时钟模块，完成时间的设定，显示；它可以对每次的数据进行存储，键盘操作可以完成查询历史数据等功能；另外，还可以设计网络接口，与Internet进行通信等。

CPLD对晶振电路的分频得到超声换能器的驱动信号，经过放大隔离电路分别输入超声换能器的发射端，超声换能器发射超声信号，另一端的超声换能器接收超声信号，再经过调理信号电路对模拟信号进行滤波放大整形，得到相位方波信号送入CPLD，进行比较，计数，滤波。

与此同时，对温度，湿度的环境参数进行采集，送入ARM9微处理器，ARM9对CPLD输入的信号进行处理，完成液晶显示。如若含量超标，则语音报警。

本发明的优点是：

1.)基于超声技术来对变压器油进行乳化，使油中混合物均匀存在于油里，简化了复杂的变压器油成分的分析，为准确的测得微水及混合气体含量打下了基础；

2.)基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)来智能化实现超声信号的产生、发射、接收及声信息的处理、变压器油中微水及混合气体含量的在线检测，使快速处理器件CPLD直接面对采集端，突显CPLD的快速处理优势，由于其时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，提高采集的速度与精度，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。主要依靠CPLD实现对超声波相位差和传播时间的测量，从而实现变压器油中微水及混合气体含量的检测，由于CPLD运行速度快，且CPLD单元采用窗口比较器，抑制干扰，在CPLD中对测量结果滤波处理，从而保证达到含量检测的精度要求；

3.)利用ARM9嵌入式完成对环境参数如温度，湿度等的采集，完成液晶显示微水及混合气体含量的显示并用键盘输入，在微水及混合气体含量超标后进行报警，从而实现对采用油浸变压器的电气设备的微水及混合气体含量的智能在线监测与超标报警；

4.)打破了传统的取样检测方法，采用循环系统对变压器油进行实时检测，动态分析检测结果，更加具有准确性，灵活性，方便性；

5.)由于本发明的核心器件CPLD和重要器件ARM9开发板都是可编程器件，并且CPLD还是ISP(在系统可编程)器件，所以本发明易于扩展或在线实时扩展为测量其它两种不相容液体混合物的测控系统。

6)本发明将现代电子技术与先进的声学检测手段综合应用于变压器油中微水及混合气体含量的在线测量，实现了对采用油浸变压器的高压电气设备的监控。

附图说明

图1为微水与混合气体含量检测系统框图

1.标准变压器油2.变压器(待测变压器油)3.闸阀4.回止阀5.超声乳化池(标准变压器油)6.超声乳化池(待测变压器油)7.超声电源8.冷冻微水采样池(标准变压器油)9.冷冻微水采样池(待测变压器油)10.加热混合气体采样池(标准变压器油)11.加热混合气体采样池(待测变压器油)12.离心泵13.循环管道

图2为冷冻微水采样池及CPLD/ARM9基本连接装置图

图3为微水含量检测流程图

具体实施方式

超声波发射端处的换能器由超声波发射换能器组成；超声波接收端处的超声波接收换能器组成。

超声乳化装置为带n个超声电源的乳化池。微水冷冻池及混合气体池的采样分别由一对超声发射及接受换能器组成。其一是用于标准变压器油冷冻池，其二是用于待测变压器油冷冻池。经过乳化的标准变压器油和待测变压器油通过循环管流入各自的冷冻池，进行冷冻操作。加热池亦主要由两对超声换能器组成，其一是用于标准变压器油加热池，其二是用于待测变压器油加热池。经过冷冻检测的标准变压器油和待测变压器油通过循环管流入各自的加热池，进行加热操作。

超声波发射端处的换能器由超声波发射换能器组成；超声波接收端处的换能器由超声波接收换能器组成。超声波发射端的信号由CPLD分频，再进行功率放大得到，接收端信号送到隔离放大比较电路。

CPLD(复杂可编程逻辑控制器)由完全可编程的与/或门阵列和宏单元构成。与/或阵列是可编程的，可以实现多种逻辑功能；不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能。宏单元则是可实现组合或时序逻辑的功能模块，同时还提供了真值或补码输出和以不同的路径反馈等额外的灵活性。把CPLD应用于嵌入式应用系统，同单片机结合起来，更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点，提高了嵌入式应用系统的性能。在超声波相位比较中，由于超声波频率为40kHz，而在相位比较中相位差精度要求很高，用普通单片机为超声波的相位差进行采样是远远不够的，因此采用了具有丰富的可编程I/O引脚的可编程逻辑器件CPLD，CPLD采集超声测量信号，并将该信号输至单片机的超声信号输入端(CPLD与单片机相连)。CPLD的数据输出端有：D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7；单片机的数据输入端有：D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7。CPLD的数据输出端与单片机的数据输入端按上述序号依次相连。CPLD与单片机间的握手程序由READ端和WRITE端实现。发光二极管D3为电源指示灯。HEADER 6为采用JTAG标准的、用于在CPLD下载程序的接线头。

单片机型号为AT89C51，是一种低功耗，高性能的CMOS 8位微型计算机，它带有8K可编程电擦写的只读存储器(EPROM)。其P00端、P01端、P02端、P03端、P04端、P05端、P06端和P07端为其数据输入端；P23端和P27端分别为串行通信接口芯片的接收和发送的使能端。单片机的RXD端和TXD端为其串行数据输出端。

RS-485串口由型号为MAX485DS的RS-485串行通信接口芯片、电阻R和RS-485接头组成。电阻R的两端分别接在串行通信接口芯片的6脚和7脚，同时电阻R的两端分别接RS-485接头的输入端。MAX485DS接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。该芯片采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，并采用半双工通讯方式。该芯片将单片机的RXD端和TXD端输出的串行数据的TTL电平转换为RS-485数据串行信号所需电平的功能。TTL电平的逻辑“1”和逻辑“0”分别对应的电平为2.4V和0.4V。MAX485DS芯片内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD端和TXD端相连即可；与单片机的P27端和P23端相连的RE端和DE端分别为RS-485串行通信接口芯片的接收和发送的使能端。数据传输时，数据格式依次为：1位起始位，8位数据位，1位停止位。其中无奇偶校验位，通信错误检测通过累加和校验的方法实现。根据通信协议，一旦主控ARM单元通过RS-485总线向本变送器发来数据请求，单片机立即将实时处理的数据由RS-485串口输送至主控ARM单元。当采集数据出现异常或通信不正常时，传感器将发出报警信号，便于及时排除故障。

隔离放大比较电路主要由起信号隔离作用的运算放大器LM356、运算放大器NE5532和比较器LM393组成。运算放大器LM356、运算放大器NE5532和比较器LM393是三个集成块。运算放大器LM356起到信号隔离的作用，保证信号输送的稳定性。比较器LM393将模拟正弦波信号转换成CPLD能够方便处理的方波信号。

加热池及CPLD/ARM9基本连接电路图，流程图与图2、图3类似。

Claims (4)

1.变压器油中微水及混合气体超声在线检测方法，其特征是：

(1)在同温同压下，对标准变压器油与待测变压器油进行等时间段乳化，使微水与混合气体均匀的分布在变压器油中；

(2)再将标准变压器油与待测变压器油冷冻到零摄氏度以下，利用两对性能一致的超声收发换能器同时对标准与待测变压器油的超声传播时间及相位采集，采集信号进入CPLD单元处理得到微水的含量；

(3)再将标准变压器油与待测变压器油加热到变压器油在运行时的最高允许温度，同样利用两对性能一致的超声收发换能器同时对标准与待测变压器油的超声传播时间及相位采集，并进入CPLD单元处理得到混合气体的含量；

(4)最后变压器油经过循环装置回流到变压器中继续运行使用。

2.实现权利要求1所述的变压器油中微水及混合气体超声在线检测方法的装置，其特征是包括超声乳化装置及超声波检测装置，以及多个控制循环流动的阀门；

其中超声乳化装置为带n个超声电源的乳化池；

超声波检测装置包括：具有两个用来分别检测微水及混合气体含量的参照装置及两个采样装置，以及功率放大电路，隔离放大整形电路与包含波形发生器、比较及测量电路、分频器的CPLD芯片，晶振电路，单片机，RS-485总线，ARM9微处理器；其中检测微水的参照装置及采样装置为冷冻池，包括两部分，其一是标准变压器油冷冻池，其二是待测变压器油冷冻池；检测混合气体的参照装置及采样装置为加热池，亦包括两部分，其一是标准变压器油加热池，其二是待测变压器油加热池；参照装置和采样装置内部的各作为发射端的一端均设有发射超声波的超声波换能器，作为接收端的另一端均设有接收超声波的超声波换能器；其中晶振电路的晶振信号输出端接分频器。分频器具有两个输出端，第一频率输出端接波形发生器的输入端，其第二频率输出端接比较及测量电路的频率信号输入端，波形发生器的输出端接功率放大电路，功率放大电路的输出端同时与参照装置和采样装置的发射端处的超声波换能器电连接，参照装置和采样装置的接收端处的超声波换能器各自与相应的隔离放大整形电路的输入端电连接，各隔离放大整形电路的输出端与比较及测量电路的2个超声测量信号的相应输入端电连接，比较及测量电路的超声测量信号输出端接单片机的超声测量信号输入端，单片机再通过RS-485总线与上位机通信。

3.如权利要求2所述的变压器油中微水及混合气体超声在线检测装置，其特征是所述的分频器具有的两个输出端中，分别是使用时可输出第一频率f₁的第一频率输出端和使用时可输出第二频率f₂的第二频率输出端，所述的第一频率f₁在超声波的频率范围内，所述的第二频率f₂是第一频率f₁的50至300倍。

4.如权利要求2所述的变压器油中微水及混合气体超声在线检测装置，其特征是所述上位机采用ARM9微处理器，具有液晶显示模块，键盘控制模块，报警模块，网络接口模块，实时时钟模块，历史数据存储和查询模块。

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