CN209624631U - 一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置 - Google Patents

Abstract

一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，包括瞬态油流特征量测量模块、信号调理与采集模块、通信模块以及上位机；其中，瞬态油流特征量测量模块和信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块通过通信模块与上位机相连；其中，瞬态油流特征量测量模块设置在变压器油枕连接管上。本实用新型的装置能够长期可靠运行，不受强电磁、油污环境影响，具有响应速率快、测量频率高的优点，运行过程中不向电力系统注入谐波，不影响变电站内一次、二次设备的正常运行。通过本实用新型获得的变压器瞬态油流可以评估变压器安全运行状态。

Description

一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置

技术领域

本实用新型属于电力系统领域，涉及一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置。

背景技术

作为一种关键的电力主设备，变压器在电力系统中占有举足轻重的地位，它的稳定运行是保证整个电力系统电能可靠传输、灵活分配且安全使用的重要前提。尤其是安装于系统枢纽位置的大型电力变压器，因其电压等级高、容量大、结构复杂、造价高昂，一旦发生故障将会对电力系统供电可靠性和运行稳定性带来严重影响，而因故障发生损坏势必造成巨大的经济损失。

作为石油提取物的变压器油具有绝缘性能好、粘度较低、传热性能好且制造成本低等优点。自19世纪末起，电力变压器便开始填充这种烷烃类重油作为冷却和绝缘介质使用。除了一些特殊用途的中小容量变压器以及个别气体绝缘变压器外，使用变压器油作为填充物的油浸式变压器广泛应用在不同容量、电压等级要求下的电力系统中。

变压器油充满于变压器油箱、连接管以及部分油枕，主要起着绝缘和传导热量的双重作用。变压器油在变压器各部分之间流动，不同运行条件下导致变压器内部油流流动的机理不甚相同：

1)当变压器正常运行时，造成变压器内部油流流动的主要原因有以下两个方面：由于温度差异而产生的变压器油自然对流以及冷却系统油泵强制变压器油循环。作为电磁耦合设备，电力变压器正常运行时铁损和铜损是主要的内部热量来源。这些热量一方面用以升高绕组、铁芯以及金属构件的温度，同时由于温差而自发向周围空间传递、扩散，形成变压器油的自然对流流动。另一方面，当电力变压器重载或是外界气温较高导致需要启动冷却系统强迫绝缘油循环时，油箱顶层温度较高的变压器油被抽入油箱外置的散热管路，通过风冷或水冷方式实现与外界的热交换而起到快速降温的作用，再由底层导管注入变压器主油箱而形成冷却油路循环。此时，油箱内部的油流流动速度主要与油泵强油功率有关。

2)当变压器发生内部短路故障时，在故障电弧加热与电离的共同作用下，故障点附近大量绝缘油汽化、分解形成具有一定体积的压缩气泡。根据质量守恒定律，在等质量的绝缘油汽化、分解形成等质量气体的过程中，体积变化将反比于密度变化，故障气泡体积上的扩张将迫使一部分绝缘油向变压器油枕涌动，同时故障气泡在上浮、分裂过程中也将形成持续的气-液两相流涌入油箱顶部连接管。因此，内部短路故障条件下，变压器油箱内部油流特征将发生明显变化，尤其是位于主油箱与油枕之间的连接管，其内部油流涌动特征更为显著。传统观点认为，当变压器发生内部短路故障时，油枕连接管中油流流速通常超过0.8～1.5 m/s，广泛使用的变压器机械式瓦斯保护便利用这个特征量区分正常运行以及内部短路故障。

3)当变压器发生外部短路时，短路故障电流穿越绕组引起绕组及内部金属构件的形变及振动是造成油流变化的主要原因。由于变压器整个内部结构完全浸没于变压器绝缘油中，绕组等构件在外部短路电流冲击作用下发生振动势必引起固、液相界面的相对位移，从而导致油箱内部流场的显著变化。

因此，针对变压器油枕连接管内部油流进行实时测量、记录、运算对于变压器运维人员获取变压器油枕连接管内瞬态油流特征，评估变压器安全运行状态具有重要的参考价值，从而有必要提供一种测量变压器油枕连接管内部油流的装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，包括瞬态油流特征量测量模块、信号调理与采集模块、通信模块以及上位机；其中，瞬态油流特征量测量模块和信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块通过通信模块与上位机相连；其中，瞬态油流特征量测量模块设置在变压器油枕连接管上。

本实用新型进一步的改进在于，瞬态油流特征量测量模块由外捆式超声波流量计、流量计变送器以及通信线缆组成，外捆式超声波流量计与流量计变送器相连，流量计变送器通过通信线缆和信号调理与采集模块相连；外捆式超声波流量计安装在变压器油枕连接管上。

本实用新型进一步的改进在于，变压器油枕连接管上安装有瓦斯继电器，外捆式超声波流量计安装在瓦斯继电器前方100mm～300mm处。

本实用新型进一步的改进在于，外捆式超声波流量计的测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s。

本实用新型进一步的改进在于，信号调理与采集模块包括接线端子、信号调理电路、低通滤波器以及信号采样电路；接线端子与信号调理电路相连，信号调理电路与低通滤波器(6) 相连，低通滤波器与信号采样电路相连，信号采样电路与通信模块相连，接线端子还与瞬态油流特征量测量模块相连。

本实用新型进一步的改进在于，信号调理与采集模块还包括模数A/D转换电路，模数 A/D转换电路一端与信号采样电路相连，另一端与通信模块相连。

本实用新型进一步的改进在于，通信模块包括接口模块与通信链路，接口模块与通信链路相连；接口模块与信号采样电路与模数A/D转换电路相连，通信链路与上位机相连。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果：

本实用新型通过采用瞬态油流特征量测量模块，在不破坏变压器本体结构完整性的前提下实现对油枕连接管内部油流流速的实时测量，无论从精度还是使用范围瞬态油流特征量测量模块都能满足电力变压器本体高温、强电磁环境要求；本实用新型涉及的在线监测装置独立于电力网络，油流特征的测量和信号传输所受干扰较小，亦不向电力系统注入谐波。本实用新型具有构成简单、易于实现、可靠高效等优点。本实用新型的应用对于变压器运行人员实时、准确、可靠获取变压器瞬态油流数据具有重要的工程实用意义。本实用新型装置能够长期可靠运行，不受强电磁、油污环境影响，具有响应速率快、测量频率高的优点，运行过程中不向电力系统注入谐波，不影响变电站内一次、二次设备的正常运行。通过本实用新型获得的变压器瞬态油流可以评估变压器安全运行状态。

进一步的，本实用新型通过采用测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s的流量计进行测量，外捆式超声波流量计可以在不破坏变压器油枕连接管结构完整性的前提下实现对油流流速的实时测量，同时，无论从精度还是使用范围高频超声波流量计都能满足电力变压器本体高温、强电磁环境要求。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构示意图。

图2为高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置现场试验实测结果。

图中，1为外捆式超声波流量计，2为流量计变送器，3为通信线缆，4为接线端子，5为信号调理电路，6为低通滤波器，7为信号采样电路，8为模数A/D转换电路，9为通信模块，10为上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

本实用新型中外捆式超声波流量计，也称外夹式超声波流量计。

参见图1，本实用新型包括：包括瞬态油流特征量测量模块、信号调理与采集模块、通信模块以及上位机；其中，瞬态油流特征量测量模块与信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块通过通信模块9和上位机10相连；其中，瞬态油流特征量测量模块设置在变压器油枕连接管上，其中，瞬态油流特征量测量模块由外捆式超声波流量计1、流量计变送器2以及通信线缆3组成，外捆式超声波流量计1与流量计变送器2相连，流量计变送器2与通信线缆3一端相连，通信线缆3另一端和信号调理与采集模块相连。

外捆式超声波流量计1安装在变压器油枕连接管上。具体的，变压器油枕连接管上安装有瓦斯继电器，外捆式超声波流量计1安装在瓦斯继电器前方100mm～300mm处。

为确保对变压器油流的准确、实时获取，外捆式超声波流量计1的测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s。

信号调理与采集模块由接线端子4、信号调理电路5、低通滤波器6、信号采样电路7以及模数A/D转换电路8组成；接线端子4一端与信号调理电路5相连，接线端子4另一端与通信线缆3相连，信号调理电路5与低通滤波器6相连，低通滤波器6与信号采样电路7相连，信号采样电路7与模数A/D转换电路8相连，模数A/D转换电路8与通信模块9相连，通信模块9和上位机10相连。

通信模块9包括接口模块与通信链路，接口模块与通信链路相连，通信链路与上位机10 相连；接口模块还与模数A/D转换电路8相连。

本实用新型中，利用外捆式超声波流量计1实时高速测量变压器油枕连接管内部瞬态油流变化特征，利用流量计变送器2和通信线缆3输出与之相对应的模拟电压/电流信号。信号调理与采集模块用于接收瞬态油流特征量测量模块输出的模拟电压/电流信号，并将其转换为标准数字信号，并输出标准数字信号，标准数字信号通过通信模块9传输到上位机10，实现高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流。

本实用新型通过外夹式超声波流量计在不破坏变压器现有结构完整性的前提下实现对油枕连接管内部油流进行实时测量，并且本实用新型的装置独立于电力网络，油流特征的测量和信号传输所受干扰较小，亦不向电力系统注入谐波。

进一步的，本实用新型采用测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s的外捆式超声波流量计，外捆式超声波流量计无论从精度还是使用范围都能满足电力变压器内部高温、油污、强电磁环境要求。

本实用新型的应用对于变压器运行人员实时、准确、可靠获取变压器瞬态油流数据、评估变压器安全运行状态具有重要的工程实用意义。本实用新型的装置能够长期可靠运行，不受强电磁、油污环境影响，具有响应速率快、测量频率高的优点，运行过程中不向电力系统注入谐波，不影响变电站内一次、二次设备的正常运行。

以SFSZ8-40000/110三相三绕组变压器为测试平台进行现场试验，说明本实用新型装置效果，该型变压器主要几何结构及铭牌参数如表1所示。如图2所示，当该变压器正常运行时(t＜0ms)，变压器油枕连接管内部油流并未出现显著变化。当变压器在t＝0ms时刻突发内部电弧故障，由于故障能量的注入，故障气体产生导致油枕连接管内部绝缘油发生定向流动，本实用新型装置迅速感知并测量瞬时油流流速的变化特征。t＝101.7ms时，本实用新型装置测量得到瞬时流速峰值为1.37m/s。现场测试结果表明：本实用新型装置，能够在极短时间内感知并获取油浸式电力变压器油枕连接管内部油流突变特征，具有响应速率快、测量频率高的优点，通过本实用新型获得的变压器瞬态油流可以评估变压器安全运行状态。

表1 SFSZ8-40000/110型变压器主要几何结构及铭牌参数

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，其特征在于，包括瞬态油流特征量测量模块、信号调理与采集模块、通信模块(9)以及上位机(10)；其中，瞬态油流特征量测量模块和信号调理与采集模块相连，信号调理与采集模块通过通信模块(9)与上位机(10)相连；其中，瞬态油流特征量测量模块设置在变压器油枕连接管上。

2.根据权利要求1所述的一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，其特征在于，瞬态油流特征量测量模块由外捆式超声波流量计(1)、流量计变送器(2)以及通信线缆(3)组成，外捆式超声波流量计(1)与流量计变送器(2)相连，流量计变送器(2)通过通信线缆(3)和信号调理与采集模块相连；外捆式超声波流量计(1)安装在变压器油枕连接管上。

3.根据权利要求2所述的一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，其特征在于，变压器油枕连接管上安装有瓦斯继电器，外捆式超声波流量计(1)安装在瓦斯继电器前方100mm～300mm处。

4.根据权利要求2或3所述的一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，其特征在于，外捆式超声波流量计(1)的测量频率为100Hz以上，测量误差小于1％，工作温度为-30～80℃，流速量程为-20～20m/s。

5.根据权利要求1所述的一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，其特征在于，信号调理与采集模块包括接线端子(4)、信号调理电路(5)、低通滤波器(6)以及信号采样电路(7)；接线端子(4)与信号调理电路(5)相连，信号调理电路(5)与低通滤波器(6)相连，低通滤波器(6)与信号采样电路(7)相连，信号采样电路(7)与通信模块(9)相连，接线端子(4)还与瞬态油流特征量测量模块相连。

6.根据权利要求5所述的一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，其特征在于，信号调理与采集模块还包括模数A/D转换电路(8)，模数A/D转换电路(8)一端与信号采样电路(7)相连，另一端与通信模块(9)相连。

7.根据权利要求6所述的一种高频超声波非接触测量变压器内部瞬态油流的装置，其特征在于，通信模块(9)包括接口模块与通信链路，接口模块与通信链路相连；接口模块与信号采样电路与模数A/D转换电路(8)相连，通信链路与上位机(10)相连。