CN104596614A - 基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，建立卧式胶囊储油柜的不同油温下油位的测定曲线模型如下：由测定曲线模型得出，对于每台储油柜θ取固定值，则使所有的油位-油温曲线为同一条曲线；通过描点法制作通用的油位-油温曲线，即这些通用的曲线形状相同；该方法，实现不同直径采用统一油位指示，即统一的油位油温曲线，标准化，节省成本。

Description

基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法

技术领域

本发明涉及一种基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法。

背景技术

变压器油由于温度改变会呈现热胀冷缩的现象，其变化能力在等压下热膨胀系数γ表示为：γ＝ΔV/(V·ΔT)  (1)。

严格说来，上式(1)只是温度变化范围不大时微分定义式的差分近似，准确定义要求ΔV与ΔT无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。但在需要关注的温度区间内(-40°～90°)，可以认为变压器油的热膨胀系数为常数，也就是说γ＝0.000733，即油的体积与油温的平均温度呈线性关系，如式(2)。由于变压器内部的油温通常存在差异，所以油位-油温曲线只是油温的一种近似参照。

设定最低油温时储油柜最低油位，最高油温时储油柜最高油位。假设到储油柜最低油位的本体油体积为V，储油柜最高油位与最低油位之间容纳油的体积为ΔV，则有下式成立：ΔV＝γ·(T_max-T_min)·V     (2)

如果选取的储油柜容量小于理论值，这会导致油温处于下极限T_min时，油位低于最低油位，需要注油；油温处于上极限T_max时，油位高于最高油位，需要放油。如果用户反馈正常运行时亦存在频繁注放油的问题，表明储油柜容量取得过小。与之相反，如果储油柜容量选的偏大，通常不会遇到用户反馈正常运行时需频繁注放油的情况，但会造成材料的浪费，导致成本的升高。

因此，从成本最优的原则出发，储油柜容量的选择和本体油体积、最高油温、最低油温都有关系。

对于常见的金属波纹储油柜，包括内油式、外油式，油温变化时，油的体积呈线性变化，由于沿着油面变化方向截面积为常数，油位也呈线性变化，油位-油温曲线为一条直线，这容易理解。但对于卧式胶囊储油柜，油温变化时，由于其内部结构的特点，沿着液面变化方向截面积亦发生变化，导致油位-油温曲线呈现非线性，关系较复杂。现有的卧式胶囊储油柜油位油温曲线针对特定直径而定，不利于标准化制造生产。

现有的卧式胶囊储油柜通常使用指针式油位计。以沈阳嘉华的YZF3-200TH-TA型指针式油位计为例，油位计表盘读数0～10与内部摆杆的偏转角度0～45°之间呈线性关系，从这点出发，结合油的体积与油温的线性关系，可以导出其油位-油温曲线。

现用x＝0～10表示油位计表盘读数，h表示储油柜中油面高于最低油面的高度，α表示内部摆杆的最大偏转角，如图1，则有

$h=(D-2H)\·\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}---\left(3\right)$

其中α＝45°，D为储油柜内径，下侧H为油位计安装位置高度，油位计安装位置高度即为裕度。正常运行时，油温T介于T_min～T_max之间，油温变化时，油面在H～D-H之间变化，油面从H变化到D-H，摆杆刚好偏转α＝45°。

用t表示液面高度，则有

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{D/2-t}{D/2}---\left(4\right)$

其中t＝0～D，则β＝0～180°。

弓形面积

$S\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{2\mathrm{\β}}{360}-\sqrt{{(D/2)}^2-{(D/2-t)}^2}\·(D/2-t)---\left(5\right)$

其中t＝0～D；

按照成本最优原则制造储油柜时，满足最低油温最低油位、最高油温最高油位的条件。由于对变压器本体油体积的估计存在一定误差，因此留有一定的裕度。对于直径为D，裕度为H，长度为L的储油柜，有

$\mathrm{\ΔV}=[\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}-2S\left(H\right)]\·L---\left(6\right)$

由于已经知道油的体积与油温之间呈线性关系。因此

V_T/ΔV＝(T-T_min)/(T_max-T_min)       (7)

其中V_T表示油温为T时，储油柜中高于最低油位部分油的体积。

由式(7)，有

S_T/ΔS＝(T-T_min)/(T_max-T_min)       (8)

其中，S_T＝S(H+h)-S(H)        (9)

$\mathrm{\ΔS}=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}-2S\left(H\right)---\left(10\right)$

通过上述推导，可以知道，给定本体油体积V和温度区间T_min～T_max，按照成本最优的原则，由式(2)，可以确定出对应的ΔV。给定裕度H，由式(6)，有多个参数D×L满足条件的储油柜可以选择。为了工程设计的方便，可以确定出一系列的直径D，调节L满足ΔV的要求。对于给定直径D的储油柜，由式(10)可知ΔS是确定的。给定表盘读数x(x＝0～10)，由式(3)、式(4)分别可以确定此时对应的h和β，再由式(5)可以确定出此时对应的S(H+h)，进而由式(9)可以确定此时对应的S_T，最终由式(8)，可以确定出此时对应的油温T。由此，得出表盘读数x和油温T的关系，其函数关系较复杂，呈非线性，T是关于x的不减函数，但在工程实际中，可以确定出一系列的(x,T)，通过描点法，确定出对应的油位-油温曲线，如图2。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，实现不同直径采用统一油位指示，即统一的油位油温曲线，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，包括：

建立卧式胶囊储油柜的不同油温下油位的测定曲线模型如下：

$\frac{\mathrm{\π}\left(\mathrm{arc}\right\{\cos \mathrm{\θ}\·[1-2\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}]\}-\mathrm{\θ})-90\·(\sin (2\·\mathrm{arc}\{\cos \mathrm{\θ}\·[1-2\·\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}]\left\}\right)-\sin 2\mathrm{\θ})}{\mathrm{\π}\·(180-2\mathrm{\θ})+180\·\sin 2\mathrm{\θ}}=(T-T_{\min })/(T_{\max }-T_{\min })---\left(18\right)$

其中，α为内部摆杆的最大偏转角，T为油温，T_min为卧式胶囊储油柜油温的下极限，T_max为卧式胶囊储油柜油温的上极限；

由测定曲线模型得出，对于每台储油柜θ取固定值，则使所有的油位-油温曲线为同一条曲线；

通过描点法制作通用的油位-油温曲线，即这些通用的曲线形状相同。

进一步地，若定义裕度为H时，

θ＝arccos[(D/2-H)/(D/2)]         (11)

其中，D为储油柜内径，下侧H为油位计安装位置高度，油位计安装位置高度即为裕度。

进一步地，通过描点法制作储油柜θ＝60时通用的油位-油温曲线。

进一步地，对于裕度给定的储油柜，参数α的变化将导致油位-油温曲线的变化，具体为：θ给定时，α越小，油位-油温曲线更趋线性。

进一步地，通过描点法制作储油柜θ＝60°且α＝15°时通用的油位-油温曲线。

进一步地，按照如下式(12)确定油位计安装高度：

H＝(D/2)(1-cosθ)     (12)

其中，D为储油柜直径，H为裕度。

进一步地，在注油时，假定当时的环境温度为T₀，则由通用的油位-油温曲线确定出(T₀-T_min)/(T_max-T_min)时的表盘读数x(T₀)，注油到该刻度线即可。

本发明的有益效果是：该种基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，实现不同直径采用统一油位指示，即统一的油位油温曲线，标准化，节省成本。不同电压等级、不同规格变压器、不同直径的储油柜，只要按照式(11)确定油位表安装高度时采用的角度相同，则实际的油位-油温曲线都相同，与之前按照不同直径规格选用不同油位曲线标志牌相比，实际需要的油位曲线标志牌数量大大减少，若把按照最低环境温度分别为-40、-25、-10确定的油位-油温曲线表示在同一块标志牌上，如图5，则实际上可用一块通用油位曲线标志牌用在所有电压等级、所有规格、所有直径储油柜的变压器上。这样既利于标准化生产，也可减少生产过程中选用油位标志牌时出现错误的可能性。

附图说明

图1是本发明实施例卧式胶囊储油柜的结构示意图；

图2是通过描点法确定的D＝1000,H＝100的油位-油温曲线；

图3是通过描点法确定的θ＝60°的油位-油温曲线；

图4是给定θ＝60°时，α分别等于15°、30°、45°、60°、75°的油位-油温曲线。

图5是通用的卧式胶囊储油柜油位-油温曲线指示图；

图5中，地区常年最低温度-41℃的地区按A号曲线注油；地区常年最低温度-25℃的地区按B号曲线注油；地区常年最低温度-10℃的地区按C号曲线注油。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

针对现有技术中的分析，可以知道，油位-油温曲线只与储油柜直径D和裕度H以及温度区间T_min～T_max有关，且形状只与储油柜直径D和裕度H有关。事实上，若定义裕度为H时

θ＝arccos[(D/2-H)/(D/2)]           (11)

即H＝(D/2)(1-cosθ)          (12)

其中，θ为中间参数，与图1中β表示的含义相同。

则由式(9)、式(10)，有

$S_T=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{\mathrm{\β}}{180}-{\left(\frac{D}{2}\right)}^2\·\cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\β}-[\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{\mathrm{\θ}}{180}-{\left(\frac{D}{2}\right)}^2\·\cos \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\θ}]---\left(13\right)$

$\mathrm{\ΔS}=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}-2\·[\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\·\frac{\mathrm{\θ}}{180}-{\left(\frac{D}{2}\right)}^2\·\cos \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\θ}]---\left(14\right)$

将式(13)、式(14)代入式(8)，有

$\frac{\mathrm{\π}(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-90\·(\sin 2\mathrm{\β}-\sin 2\mathrm{\θ})}{\mathrm{\π}\·(180-2\mathrm{\θ})+180\·\sin 2\mathrm{\θ}}=(T-T_{\min })/(T_{\max }-T_{\min })---\left(15\right)$

将式(12)代入式(3)，有

$h=D\·\cos \mathrm{\θ}\·\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}---\left(16\right)$

将式(12)、式(16)代入式(4)，有

$\mathrm{\β}=\arccos \{\cos \mathrm{\θ}\·[1-2\·\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}\left]\right\}---\left(17\right)$

将式(17)代入式(15)，得到卧式胶囊储油柜的不同油温下油位的测定曲线模型为：

$\frac{\mathrm{\π}\left(\mathrm{arc}\right\{\cos \mathrm{\θ}\·[1-2\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}]\}-\mathrm{\θ})-90\·(\sin (2\·\mathrm{arc}\{\cos \mathrm{\θ}\·[1-2\·\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}]\left\}\right)-\sin 2\mathrm{\θ})}{\mathrm{\π}\·(180-2\mathrm{\θ})+180\·\sin 2\mathrm{\θ}}=(T-T_{\min })/(T_{\max }-T_{\min })---\left(18\right)$

由式(18)可知，油位-油温曲线的形状只与θ值有关，而与储油柜直径D及温度区间T_min～T_max都无关。若对于每台储油柜θ取固定值，则所有的油位-油温曲线都为同一条曲线。因此，可以给油位-油温曲线制作通用铭牌，这些通用铭牌之间曲线形状相同，仅T_min、T_max不同。

之前指针式油位计的安装高度H是根据直径D这样确定的，即D≤500,H＝80；D＞500，H＝100。由背景技术分析可知，事实上这样将产生多条油位-油温曲线，尽管它们形状相似。因此，建议按照式(12)确定油位计安装高度并依据实施例根据采用θ值的不同而确定相应的油位-油温曲线，如图3。

实施例还可以做进一步的分析，事实上，当储油柜中油面在H～D-H之间变化时，内部摆杆的偏转角度并非一定要求为45°，因此，可以把参数α纳入考虑范围。这对储油柜的形状有要求

$L>D\·\frac{\cos \mathrm{\θ}}{\tan \mathrm{\α}}---\left(19\right)$

对于裕度给定的储油柜，参数α的变化将导致油位-油温曲线的变化。图4是给定θ＝60°时，α分别等于15°、30°、45°、60°、75°的油位-油温曲线。

由图4可知，θ给定时，α越小，油位-油温曲线更趋线性；与此同时，由式(19)可知，相对于给定对的储油柜直径D，储油柜长度L也越长。θ＝60°、α＝15°时，有

L＞1.866·D     (20)

由工程实践可知，这个条件通常是满足的。因此，若无其他方面的考虑，建议在卧式胶囊储油柜制造时，统一采用θ＝60°、α＝15°并确定对应的油位-油温曲线。

在注油时，假定当时的环境温度为T₀，则由油位-油温曲线，可确定出(T₀-T_min)/(T_max-T_min)时的表盘读数x(T₀)，注油到该刻度线即可。

Claims (7)

1.一种基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，其特征在于，包括：建立卧式胶囊储油柜的不同油温下油位的测定曲线模型如下：

$\frac{\mathrm{\π}\left(\mathrm{arc}\right\{\cos \mathrm{\θ}\·[1-2\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}]\}-\mathrm{\θ})-90\·(\sin (2\·\mathrm{arc}\{\cos \mathrm{\θ}\·[1-2\·\frac{\sin (\mathrm{\αx}/10)}{\sin \mathrm{\α}}]\left\}\right)-\sin 2\mathrm{\θ})}{\mathrm{\π}\·(180-2\mathrm{\θ})+180\·\sin 2\mathrm{\θ}}=(T-T_{\min })/(T_{\max }-T_{\min })---\left(18\right)$

其中，α为内部摆杆的最大偏转角，T为油温，T_min为卧式胶囊储油柜油温的下极限，T_max为卧式胶囊储油柜油温的上极限；

由测定曲线模型得出，对于每台储油柜θ取固定值，则使所有的油位-油温曲线为同一条曲线；

通过描点法制作通用的油位-油温曲线，即这些通用的曲线形状相同。

2.如权利要求1所述的基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，其特征在于，若定义裕度为H时，

θ＝arccos[(D/2-H)/(D/2)]    (11)

其中，D为储油柜内径，下侧H为油位计安装位置高度，油位计安装位置高度即为裕度。

3.如权利要求2所述的基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，其特征在于，通过描点法制作储油柜θ＝60时通用的油位-油温曲线。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，其特征在于：对于裕度H给定的储油柜，内部摆杆的最大偏转角α的变化将导致油位-油温曲线的变化，具体为：θ给定时，最大偏转角α越小，油位-油温曲线更趋线性。

5.如权利要求4所述的基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，其特征在于，通过描点法制作储油柜θ＝60°且最大偏转角α＝15°时通用的油位-油温曲线。

6.如权利要求5所述的基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，其特征在于，按照如下式(12)确定油位计安装高度：

H＝(D/2)(1-cosθ)    (12)

其中，D为储油柜直径，H为裕度。

7.如权利要求6所述的基于油温的卧式胶囊储油柜油位测定方法，其特征在于，在注油时，假定当时的环境温度为T₀，则由通用的油位-油温曲线确定出(T₀-T_min)/(T_max-T_min)时的表盘读数x(T₀)，注油到该刻度线即可。