配电变压器状态监测技术应用研究

配电变压器状态监测技术应用研究
摘要：配电变压器作为配电系统的核心设备，其安全平稳运行直接影响配电网运行的可靠性。

目前针对配电变压器的在线监测技术尚未有大规模应用，其油位和油温测量方式基本还是采用机械式管状油位计和机械式指针温度计，测量的精度有限并且无法实现在线测量，测量数据无法实时上送。

而具有在线状态监测功能的相关装置目前也未能实现大规模应用。

本文针对配电变压器的结构特点设计了深度集成微功耗传感器的状态传感单元，结合以国产芯MCU为核心的采集终端，实现了对配电变压器油温、油位、油压、微水等状态量的实时监测。

并且将装置安装于配电台区中进行实际运行，运行结果验证了装置未来推广应用的可行性。

关键词：配电；变压器；状态监测
1 配电变压器状态监测装置设计方案
监测装置由状态传感单元和采集终端两部分构成，状态传感单元包括金属筒壁、标识管、观察窗、金属连杆、浮子、各类传感器等构成。

在不改变配电变压器原有结构、功能及密封性的基础上，将各传感器布置在原有管式油位计内部；配套采集终端则由传感器信号处理模块、国产芯MCU、通信模块、航插接口、后备电池等构成。

装置的样机实物图见图1。

传感单元保持原有的管状结构（图2），标识管、观察窗等仍然有油位识别功能，测温铂电阻为细长型结构从金属连杆和浮子中穿过，其顶端浸入到变压器油中。

压力传感器和红外距离传感器安装于金属管壁顶部，分别用于测量油位计内部气压及变压器油箱的油位。

压力释放阀安装于金属管壁侧面，各个传感器信号输出线及电源线通过航插与采集终端连接。

图1 配电变压器状态监测装置样机
图2 传感单元结构示意图
采集终端选用国产芯MCU复旦微电子FM33LG0系列芯片，相比于同类型国外
芯片，国产芯MCU具有成本低、技术自主可控等优势。

该MCU基于ARM架构的Cortex-M0+内核，最高主频可到64MHz，存储方面集成了256KB嵌入式FLASH与
32KB的RAM，具备各类通用总线以及丰富的模拟、数字外设。

终端采用低功耗设计，内部集成后备电池，实现终端无源化和自我可靠供电。

配置3路RS485接口，预留WiFi/LoRa等无线通讯模块接口，整机功耗<2W。

实现对各类传感器的信号
处理，对外数据传输等功能。

2 关键技术应用与研究
2.1 传感器的选型和结构设计
油温、油位、压力等状态量的监测功能需要通过各类传感器实现，传感器的
选型首先需要考虑实际运行时的工作环境，其具有温度高、长期密闭、较强的电
磁干扰等特点。

变压器的运行温度一方面和环境温度有关，另一方面也受到运行
负荷的影响，其顶层油温最高可以达到100℃左右。

因此各类传感器需具备一定
的耐高温性能，并且输出信号有较好的抗干扰能力。

另外，整个传感单元采用原
有管状油位计结构，传感器的结构设计需要和管状油位计结构相结合，并且不能
影响装置的密封性和压力释放阀性能。

压力传感器的结构类型主要分为金属铠装
型和板载型，金属铠装型外型较大，难以集成在管式油位计内；而板载压力传感
器需要气体导流管，也不适合实际应用。

最终与传感器厂家定制了一款金属铠装
外壳，外壳带螺纹的压力传感器，螺纹安装直径与管式油位计管径匹配。

油位测量功能主要调研了激光接近传感器、位移传感器、差分电容传感芯片
和接地电容传感芯片，并进行了试验验证。

验证结果表明激光接近传感器的分辨
率不够，位移传感器的体积较大，不便于结构集成，且成本较高。

而电容传感器
的容值变化范围有限，且需要引出感应电极，导致安装的可靠性不强。

本装置最
终选用GP2Y0A51型红外传感器作为最终的油位测量传感器，测距范围2cm～15cm，分辨率1mm，利用红外线反射原理将传感器和被测物体间的距离转换为模拟电压
输出。

在传感单元标识管顶端安装塑料挡板用于反射红外光线，装置在正常工作
状态下浮子随着油位的变化而上下浮动，从而带动塑料挡板的移动，传感器将测
量的挡板移动距离等效为油位变化的距离。

温度传感器选用常用的PT100铂电阻，测温范围-40℃～200℃，结构设计上
从金属连杆和浮子中间穿过，确保其顶端浸入到变压器油中。

另外，微水传感器
作为选配的扩展功能直接安装于油箱的放油阀位置（不集成于传感单元中），通
过航插直接与采集终端连接。

各类传感器的选型和一体化结构设计是实现装置整
体功能的重要保障。

2.2 油位测量技术的应用
用于测量油位的红外传感器直接输出的是电压信号，而监测装置最终上送的
是油位值，因此需明确传感器电压和油位变化距离之间的函数关系。

首先采集塑
料挡板在2cm～15cm范围内移动不同距离对应的输出电压值，然后利用Matlab
软件的相关工具箱进行数据拟合，最终得出分式函数的拟合模型。

在进行油位测量的相关验证试验中发现，装置的浮子在油位下降一定距离之
后才开始移动，油位测量值也才开始发生变化，这段下降距离约为15mm，导致一
定的测量误差。

根据浮力原理分析，在初始状态下，浮子所受的浮力大于重力，
并且在油位下降过程中该状态会维持一段距离。

而当油位继续下降到15mm左右
的临界位置，此时浮子的受力状态为平衡状态，开始随油位的下降而下降。

因此
考虑适当减小浮子的体积（质量），使其更容易达到受力平衡的状态。

然后再次
进行试验验证，其中H表示油位实际下降的高度，H0表示监测装置测量的油位变
化值。

试验结果表明，减小浮子的体积后，油位下降约3mm后，浮子开始移动，装
置的油位测量功能开启，测量误差1mm左右，与改进前有了明显改善。

3 结论
配电变压器状态监测装置的实际应用验证了其功能和性能的稳定性和可靠性，实现对配电变压器油箱顶层油温、油位、压力、微水等状态量的在线监测，解决
了配电变压器运行工况无法实时监测及数据远传的难题，可以排除配电变压器监
测盲区及巡检盲点，节省运维巡检时间，符合未来智能台区智慧物联体系“云-
管-边-端”的框架建设，可以有力地推动配电网系统的数字化和智能化建设进程。

参考文献
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