CN103196518A - 变压器呼吸器在线监测仪及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器呼吸器在线监测仪及其工作方法，包括依次连接的光电速度传感器、单片机采集***、数据存储***、数据传输***、PC机，所述数据存储***与PC机之间还串联数据显示***，上述各个模块都通过电源管理模块供电，所述光电速度传感器安装在呼吸器与防爆管之间的管道内部，所述防爆管与油位计连接，所述油位计与瓦斯继电器连接，所述瓦斯继电器与有载调压本体连接。本发明的有益效果：实时反应出呼吸器中空气流量的多少及对应的油位计浮动数值关系，能够判断假油位的问题，减轻了日常维护工作的难度。

Description

变压器呼吸器在线监测仪及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种变压器呼吸器在线监测仪及其工作方法。

背景技术

目前，国内外关于开展变压器在线监测的研究工作很多，对于呼吸器呼吸情况监测属于空白，全靠人员观察来判断呼吸器呼吸情况。在平常温度变化不大情况下，呼吸器呼吸情况很微弱，纯靠人员观察的话，很难判断呼吸情况，如果这时变压器油枕出现胶囊式或金属膨胀器卡滞情况，造成油枕内假油位，而又不能判断呼吸器不呼吸，很可能造成无法判断变压器正常运行情况，从而不能及时发现变压器缺陷。这也增加了呼吸器日常维护难度。

现有技术中，变压器呼吸器自动报警装置存在的缺陷是，第一，造价较高，且实现的程序比较复杂；第二，报警声容易干扰到其他的后台报警声，造成运行人员精力不集中；第三，不能判断假油位的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种变压器呼吸器在线监测仪及其工作方法，它具有能够解决不能及时发现加油位的问题的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变压器呼吸器在线监测仪，包括单片机采集***，所述单片机采集***分别采集油位计和气体测量元件的数据，并将数据存储到数据存储***中，数据存储***中的数据能通过数据传输***上传给PC机，还能够通过数据显示***显示出来，所述气体测量元件安装在呼吸器与防爆管之间的管道内部，所述防爆管与油位计连接，所述油位计与瓦斯继电器连接，所述瓦斯继电器与有载调压本体连接。

所述气体量测量元件是光电速度传感器。

所述单片机采集***为主MCU芯片，采用AT89S51单片机。

所述数据显示***为液晶显示屏。

所述数据存储***为NAND FLASH芯片。

所述电源管理模块为DC-DC控制芯片。

所述数据传输***为USB通讯芯。

所述在线监测仪的工作方法，主要分为以下步骤：

步骤（1）：开始；

步骤（2）：设定采样周期；

步骤（3）：脉冲计数，光电速度传感器采集空气流量的数据；

步骤（4）：空气流量的数据经数据变换后输入单片机采集***，计算空气流量速度，并利用空气流量速度v、呼吸器管道截面积S和空气作用于光电速度传感器的时间t，计算出流经呼吸器的气体量V₁；v为空气流量速度，单位是m/s；S为呼吸器管道截面积，cm²，是已知量，通过实际测量可以得出；V₁是指流经呼吸器的气体量，单位是ml，毫升；

步骤（5）：数据转移和数据存储；

步骤（6）：判断变压器是否出现假油位，如果是，同时进入步骤(7-1)、步骤（7-2）、步骤（7-3）的三条并联支路，如果否就结束；

步骤（7-1）：判断是否实时显示，如果是就实时显示，如果否就进入步骤(7-2)；

步骤（7-2）：判断通信口是否连接至计算机，如果是就数据传输，如果否就进入步骤（7-3）；

步骤（7-3）：判断是否是低电压，如果是就低电压提示报警，如果否就结束。

所述步骤（4）的具体计算公式为：

V₁=v*S*t

其中，v表示空气流量速度、S表示呼吸器管道截面积和t表示空气作用于光电速度传感器的时间，V₁表示流经呼吸器的气体量。

所述步骤（6）的判断假油位的计算方法为：

设r是油枕侧面横截面圆的半径，L为油箱的长度；H₁为油面变化前的高度，即油位计变化前高度值；H₂为油面变化后的高度，即油位计变化后高度值；H为油位变化高度计算值；θ₁、θ₂分别为油面变化前、油面变化后对应的扇形的角度；

其具体计算过程如下：

（1）当r≥H₂时，即油位变化后的体积没有超过油枕的一半。由三角函数可求出：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \left(\frac{r-H_1}{r}\right);$ ${\mathrm{\θ}}_2=2\arccos \left(\frac{r-H_2}{r}\right)$

其中，H₁、H₂为从油位计上读取的数值；

H₁对应圆的截面积 $S_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(r-H_1)}^2}*(r-H_1)$

$=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_1-H_1^2}*(r-H_1)$

同理可得H₂对应圆的截面积 $S_2=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_2-H_2^2}*(r-H_2)$

油枕内油变化的体积V₂=|S₂-S₁|*L

光电速度传感器测出的流经呼吸器的气体量V₁

判断V₁、V₂的差值是否超过设定的阈值，如果超过就是出现假油位，如果未超过就没有出现假油位，从而实现判断是否出现假油位情况；

（2）当r＜H₂时，即油位变化后的体积超过油枕的一半，

由三角函数可求出：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \left(\frac{r-H_1}{r}\right)$ ${\mathrm{\θ}}_2=2\arccos \left(\frac{H_2-r}{r}\right)$

H₁对应圆的截面积 $S_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(r-H_1)}^2}*(r-H_1)$

$=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_1-H_1^2}*(r-H_1)$

H₂对应圆的截面积 $S_2={\mathrm{\πr}}^2-[\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(H_2-r)}^2}*(H_2-r)]$

$=\frac{360-{\mathrm{\θ}}_2}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_2-H_2^2}*(H_2-r)$

与（1）相同，判断V₁、V₂的差值是否超过设定的阈值，如果超过就是出现假油位，如果未超过就没有出现假油位，从而实现判断是否出现假油位情况。

专业术语介绍：呼吸器是电力变压器油枕的重要部件，安装在油枕与空气连通的管道末端。当变压器油温升高时，油箱内的油会相应膨胀，使油枕内的油位升高，此时，油枕内部分气体经呼吸器排出；当变压器油温下降时，油箱内的油会相应收缩，油枕内的油位下降，此时，油枕内部吸入部分气体。通过呼吸器排出或吸人空气，形成变压器正常的呼吸作用，保持变压器油箱压力平衡；同时，呼吸器内的硅胶可吸收进入油枕空气中的水分，保持油枕内空气的干燥，防止变压器绝缘油氧化受潮。变压器呼吸器出现异常情况时，如呼吸器不畅通堵塞、硅胶严重变色、油封杯中无油等，均会影响变压器的安全可靠运行，因此，做好变压器呼吸器的日常维护工作尤为重要。

本发明的有益效果：

1实时反应出呼吸器中空气流量的多少及对应的油位计浮动数值关系，能够判断假油位的问题。

2减轻了日常维护工作的难度。

3所述光电速度传感器采用光电元件作为检测元件，把被测量的变化转换成光信号的变化，近一步将光信号转换成电信号，结构简单、形式灵活，精度高、反应快，可结合单片机实现更多功能。

4该监测仪要求对呼吸器微小的呼吸情况都能反映，在微小的呼吸（≤1ml/hr）情况下，能正确显示气体量变化引起的油位变化与实际油位计的变化的关系，两者的误差不超过1%。

5所述光电速度传感器的灵敏度高，且不会堵塞呼吸器的排气孔，不会造成不必要的误差，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的电气连接示意图；

图2为本发明的装置连接示意图；

图3为本发明的工作方法流程图；

图4为本发明的光电速度传感器探针的安装位置；

图5为本发明实施例的数据采集率误差示意图；

图6为本发明实施例的误差折线示意图；

图7为本发明r≥H2时的油枕结构示意图；

图8为本发明r＜H2时的油枕结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、4所示，一种变压器呼吸器在线监测仪，包括单片机采集***，所述单片机采集***分别采集油位计和气体测量元件的数据，并将数据存储到数据存储***中，数据存储***中的数据能通过数据传输***上传给PC机，还能够通过数据显示***显示出来，上述各个模块都通过电源管理模块供电，所述气体测量元件安装在呼吸器与防爆管之间的管道内部，所述防爆管与油位计连接，所述油位计与瓦斯继电器连接，所述瓦斯继电器与有载调压本体连接。

所述气体量测量元件是光电速度传感器。

所述单片机采集***为主MCU芯片，采用AT89S51单片机。

所述数据显示***为液晶显示屏。

所述数据存储***为NAND FLASH芯片。

所述电源管理模块为DC-DC控制芯片。

所述数据传输***为USB通讯芯。

如图2所示，PC机内的电脑管理芯片分别与数据显示***内的液晶显示控制芯片、单片机采集***的主MCU芯片、数据传输***内的USB通讯芯和数据存储***内的NAND FLASH芯片连接，所述单片机采集***的主MCU芯片分别与数据显示***的液晶显示控制芯片、数据传输***的USB通讯芯和数据存储***的NAND FLASH芯片连接，所述数据存储***的NANDFLASH芯片分别与数据传输***的USB通讯芯和数据显示***的液晶显示控制芯片连接。

所述主MCU芯片用于数据的采集和处理。

如图3所示，所述在线监测仪的工作方法，主要分为以下步骤：

步骤（1）：开始；

步骤（2）：设定采样周期；

步骤（3）：脉冲计数，光电速度传感器采集空气流量的数据；

步骤（4）：空气流量的数据经数据变换后输入单片机采集***，计算空气流量速度，并利用空气流量速度v、呼吸器管道截面积S和空气作用于光电速度传感器的时间t，计算出流经呼吸器的气体量V₁；

步骤（5）：数据转移和数据存储；

步骤（6）：判断变压器是否出现假油位，如果是，同时进入步骤(7-1)、步骤（7-2）、步骤（7-3）的三条并联支路，如果否就结束；

步骤（7-1）：判断是否实时显示，如果是就实时显示，如果否就进入步骤(7-2)；

步骤（7-2）：判断通信口是否连接至计算机，如果是就数据传输，如果否就进入步骤（7-3）；

步骤（7-3）：判断是否是低电压，如果是就低电压提示报警，如果否就结束。

所述步骤（4）的具体计算公式为：

V1=v*S*t

其中，v表示空气流量速度、S表示呼吸器管道截面积和t表示空气作用于光电速度传感器的时间，V1表示流经呼吸器的气体量。

所述步骤（6）的判断假油位的计算方法为：

设r是横截面圆的半径，L为油箱的长度；H₁为油面变化前的高度，即油位计变化前高度值；H₂为油面变化后的高度，即油位计变化后高度值；H为油位变化高度计算值；θ₁、θ₂分别为油面变化前、油面变化后对应的扇形的角度；

其具体计算过程如下：

如图7所示，（1）当r≥H₂时，即油位变化后的体积没有超过油枕的一半。由三角函数可求出：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \left(\frac{r-H_1}{r}\right);$ ${\mathrm{\θ}}_2=2\arccos \left(\frac{r-H_2}{r}\right)$

其中，H₁、H₂为从油位计上读取的数值；

H₁对应圆的截面积 $S_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(r-H_1)}^2}*(r-H_1)$

$=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_1-H_1^2}*(r-H_1)$

同理可得H₂对应圆的截面积 $S_2=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_2-H_2^2}*(r-H_2)$

油枕内油变化的体积V₂=（S₂-S₁）*L=光电速度传感器测出的体积V₁

判断V₁、V₂的差值是否超过设定的阈值（所述阈值为25ml,该阈值可以根据实际情况确定），如果超过就是出现假油位，如果未超过就没有出现假油位，从而实现判断是否出现假油位情况；

如图8所示，（2）当r＜H₂时，即油位变化后的体积超过油枕的一半，

由三角函数可求出：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \left(\frac{r-H_1}{r}\right)$ ${\mathrm{\θ}}_2=2\arccos \left(\frac{H_2-r}{r}\right)$

H₁对应圆的截面积 $S_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(r-H_1)}^2}*(r-H_1)$

$=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_1-H_1^2}*(r-H_1)$

H₂对应圆的截面积 $S_2={\mathrm{\πr}}^2-[\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(H_2-r)}^2}*(H_2-r)]$

$=\frac{360-{\mathrm{\θ}}_2}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_2-H_2^2}*(H_2-r)$

与（1）相同，判断V₁、V₂的差值是否超过设定的阈值（所述阈值为25ml,该阈值可以根据实际情况确定），如果超过就是出现假油位，如果未超过就没有出现假油位，从而实现判断是否出现假油位情况。

在某变电站对速度传感器的采集精度进行了试验，在强电磁干扰下得出了如下数据：

表1

根据数据采集率误差画出折线图，如图5所示：

由折线图5可以得到如下的结论：该光电速度传感器实现了测量流经主变呼吸器空气速度的数据，其采集误差≤10E-4(万分之一)，在要求的误差范围之内。从测试结果看，满足了目标值的要求。

随后在无强电磁干扰条件的实验室下对设备的数据采集精度也做了相应测试，将现场所测得的数据与实验室所测得的数据进行比较，结果表明，数据采集误差均在允许的范围内，该速度传感器的抗干扰能力符合要求。

对该变压器呼吸器在线监测仪在某变电站内进行了试验：

表2

根据试验结果，做出误差折线图6。

从图6和表2中可以看出，本发明能够在微小的呼吸（≤1ml/hr）情况下，正确显示气体量变化引起的油位计变化与实际油位计的变化关系，且两者的误差不能超过1%。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种变压器呼吸器在线监测仪，其特征是，包括单片机采集***，所述单片机采集***分别采集油位计和气体测量元件的数据，并将数据存储到数据存储***中，数据存储***中的数据能通过数据传输***上传给PC机，还能够通过数据显示***显示出来，所述气体测量元件安装在呼吸器与防爆管之间的管道内部，所述防爆管与油位计连接，所述油位计与瓦斯继电器连接，所述瓦斯继电器与有载调压本体连接。

2.如权利要求1所述的一种变压器呼吸器在线监测仪，其特征是，所述气体量测量元件是光电速度传感器。

3.如权利要求1所述的一种变压器呼吸器在线监测仪，其特征是，所述单片机采集***为主MCU芯片，采用AT89S51单片机。

4.如权利要求1所述的一种变压器呼吸器在线监测仪，其特征是，所述数据显示***为液晶显示屏。

5.如权利要求1所述的一种变压器呼吸器在线监测仪，其特征是，所述数据存储***为NAND FLASH芯片。

6.如权利要求1所述的一种变压器呼吸器在线监测仪，其特征是，所述电源管理模块为DC-DC控制芯片。

7.如权利要求1所述的一种变压器呼吸器在线监测仪，其特征是，所述数据传输***为USB通讯芯。

8.如上述任一权利要求所述的一种变压器呼吸器在线监测仪的工作方法，其特征是，主要分为以下步骤：

步骤（1）：开始；

步骤（2）：设定采样周期；

步骤（3）：脉冲计数，光电速度传感器采集空气流量的数据；

步骤（4）：空气流量的数据经数据变换后输入单片机采集***，计算空气流量速度，并利用空气流量速度v、呼吸器管道截面积S和空气作用于光电速度传感器的时间t，计算出流经呼吸器的气体量V₁；

步骤（5）：数据转移和数据存储；

步骤（6）：判断变压器是否出现假油位，如果是，同时进入步骤(7-1)、步骤（7-2）、步骤（7-3）的三条并联支路，如果否就结束；

步骤（7-1）：判断是否实时显示，如果是就实时显示，如果否就进入步骤(7-2)；

步骤（7-2）：判断通信口是否连接至计算机，如果是就数据传输，如果否就进入步骤（7-3）；

步骤（7-3）：判断是否是低电压，如果是就低电压提示报警，如果否就结束。

9.如权利要求8所述的一种变压器呼吸器在线监测仪的工作方法，其特征是，所述步骤（4）的具体计算公式为：

V1=v*S*t

其中，v表示空气流量速度、S表示呼吸器管道截面积和t表示空气作用于光电速度传感器的时间，V1表示流经呼吸器的气体量。

10.如权利要求8所述的一种变压器呼吸器在线监测仪的工作方法，其特征是，所述步骤（6）的计算油位上升或下降高度的计算方法为：

设r是横截面圆的半径，L为油箱的长度；H₁为油面变化前的高度，即油位计变化前高度值；H₂为油面变化后的高度，即油位计变化后高度值；H为油位变化高度计算值；θ₁、θ₂分别为油面变化前、油面变化后对应的扇形的角度；

其具体计算过程如下：

（1）当r≥H₂时，即油位变化后的体积没有超过油枕的一半。由三角函数可求出：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \left(\frac{r-H_1}{r}\right);$ ${\mathrm{\θ}}_2=2\arccos \left(\frac{r-H_2}{r}\right)$

其中，H₁、H₂为从油位计上读取的数值；

H₁对应圆的截面积 $S_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(r-H_1)}^2}*(r-H_1)$

$=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_1-H_1^2}*(r-H_1)$

同理可得H₂对应圆的截面积 $S_2=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_2-H_2^2}*(r-H_2)$

油枕内油变化的体积V₂=（S₂-S₁）*L=光电速度传感器测出的体积V₁

判断V₁、V₂的差值是否超过设定的阈值，如果超过就是出现假油位，如果未超过就没有出现假油位，从而实现判断是否出现假油位情况；

（2）当r＜H₂时，即油位变化后的体积超过油枕的一半，

由三角函数可求出：

${\mathrm{\θ}}_1=2\arccos \left(\frac{r-H_1}{r}\right)$ ${\mathrm{\θ}}_2=2\arccos \left(\frac{H_2-r}{r}\right)$

H₁对应圆的截面积 $S_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(r-H_1)}^2}*(r-H_1)$

$=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_1-H_1^2}*(r-H_1)$

H₂对应圆的截面积 $S_2={\mathrm{\πr}}^2-[\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}*2\sqrt{r^2-{(H_2-r)}^2}*(H_2-r)]$

$=\frac{360-{\mathrm{\θ}}_2}{360}{\mathrm{\πr}}^2-\sqrt{{2\mathrm{rH}}_2-H_2^2}*(H_2-r)$

与（1）相同，判断V₁、V₂的差值是否超过设定的阈值，如果超过就是出现假油位，如果未超过就没有出现假油位，从而实现判断是否出现假油位情况。

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