基于多普勒超声波流量计的重瓦斯信号在线监测方法分析

霍丹，李国强

（1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2.广东电网有限责任公司机巡管理中心，广东 广州 510000）

瓦斯继电器是变压器的主要保护装置，安装在变压器油箱与储油柜的连接管上，能有效反映变压器的内部故障。瓦斯继电器被大量应用于变压器保护，对电力系统的安全运行具有至关重要的作用。根据DL／T 540-2013《气体继电器校验规程》规定，瓦斯继电器的校验周期为5年。瓦斯继电器浸泡在变压器油中，油流长期对瓦斯继电器挡板产生的冲击力会使其弹簧产生金属疲劳，随着时间的推移，瓦斯继电器的动作定值会发生变化,因此，长期运行的瓦斯继电器可能出现误动或拒动等情况。目前瓦斯继电器的校验方法需变压器停电，将瓦斯继电器拆下，送到实验室进行校验。随着对电力系统稳定运行要求的不断提高，瓦斯继电器的重要性日益体现，瓦斯继电器校验方法亟需提升。因此，探索一种检测速度快、准确率高的在线式检测主变油流速度的新方法，可以大大提高系统运行的安全性和可靠性，具有重要的研究价值和指导意义。

1 瓦斯继电器重瓦斯动作原理

瓦斯继电器的重瓦斯保护由挡板、弹簧、干簧触点等组成，作用于跳闸。变压器正常运行时，瓦斯继电器充满油，开口杯浸在油内，处于上浮位置，干簧触点断开。变压器内部绕组短路故障、绝缘层毁坏、铁芯接触欠佳或多点接地等常见故障会造成大量汽体产生，使变压器内部压力大幅升高，并在油枕方位冲击力下产生大量油流。假如油的流速超出瓦斯的标定值，瓦斯的挡板受正电荷的作用力便会在重瓦斯维护姿势中动作，使簧片触点跳闸，与断路器相互配合，摆脱弹簧摩擦阻力，进而推动磁石向簧片触点方位移动。相对于制造商对瓦斯的设定值，重汽体调整值通常设置在0.7米/秒和1.5米/秒之间。目前技术方式无法明确变压器的油流速率，瓦斯产生常见故障和拒动的状况也无法获得预警信息。

2 超声波流量计的基本原理

多普勒式超声波流量计是利用多普勒效应法工作的一种超声波流量计。多普勒效应是指一个发送声波的物件接受并反射另一个物件的声波。假如发送声波的物件相对于接受物件来说是移动的，那么接受物件将以它所发送的频率接受声波。假如两个物件之间的相对间距在降低，接受的频率将比原先强化。假如两个物件之间的相对间距在强化，接受的频率便会比原先降低。在超声多普勒流体测量方式中，超声发送器是一个固定的声源，随流体运动的固体颗粒物做为相对于声源运动的"观察者"，但只将射到固体颗粒物上的超声波反射到信号接收器。发送和接受的声波之间的频率差是由于流体中固体颗粒物的运动而造成的声波的多普勒频移。这个频率差与流体的流速成正比，因而可以通过测量频率差来明确流速[1]。

如图1所示为多普勒效应原理图，设超声波声速为c,流体中悬浮颗粒物或气泡的速率与流体运动的速率相同，v和θ为超声波速和流体运动的速率角。换能器1发射的超声波信号频率为f1,经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后,频率发生偏移,此时接收器接收到的信号频率f2也会发生变化，其表达式如下：

式中，c为流体中的声速，由于c2≫（vcosθ）2，上式可转变为：

将发射信号频率和接收信号频率之差作为多普勒频率fr，则有：

根据上式可得流速v:

假如管路条件、换能器安裝部位、发送頻率和声速早已明确，且c、f1和θ为常数，则流体流速和多普勒频移成正比，其可通过测量流体流速的频移来明确[6]。

3 超声波流量计在线使用的可行性

为了验证在主变压器中线上应用超声波流量计的可行性，需开展此类测试。首先，用超声波流量计和涡街流量计对水流标准设备开展校准，其校准结果为两表均处在1.0水准。为进一步验证可行性，我们随机抽取一块经鉴定合格的旋进式旋涡流量计，安装到瓦斯继电器油流校验台的管路中,将超声波流量计安装在管道外,以0m/s的速度开始，以0.02m/s的流速上升至2m/s，选取10个测试点将两者的测量结果进行对比，测试结果如表1所示。

表1 超声波流量计与旋涡流量计测量数据表

根据《JJG1033-92计量标准考核规范》中关于测量标准的认证要求，假如挑选同样精度的测量标准，当两者的测量值分别为m和n、标准性为A时，则应务必达到以下公式要求：

4 超声波流量计在主变压器上的应用

超声波流量计现场安装在变压器油箱与储油柜的连接管上，超声波流量计在线监测安装示意图如图2所示，其可实现连接管上的油流速度的监测。该类超声波流量计的安装方法为外贴式，这种超声波流量计安装换能器无需管道断流,即贴即用,对主变压器的油流系统无任何影响，也不影响主变压器及瓦斯继电器运行的稳定性。超声波流量计可定量测量连接管内的油流速度，通过数据分析，监测主变的运行情况，实时识别主变运行的异常，在主变压器重瓦斯动作前就可对主变压器运行的异常情况提前预警。流量计可设定油流报警值，可在瓦斯继电器重瓦斯拒动时及时预警，防止因瓦斯继电器拒动而造成更大的事故。另外，当瓦斯继电器重瓦斯动作时，该流量计可监测重瓦斯的动作值，能够有效识别出瓦斯继电器误动和拒动等情况，从而实现了瓦斯继电器流速定值的在线校验。

图2 超声波流量计在线监测安装示意图

5 结论

针对目前瓦斯继电器运行动作不可靠、校验设备耗资昂贵、需停电拆装校验等问题，本文所提出的基于多普勒超声流量计重瓦斯信号在线监测方法具有以下特点：

（1）通过多普勒超声流量计安装在主变压器油流管道上，可实现对主变油流的在线监测，可实时定量测量油流速度，为运行人员监测主变运行状态提供了可视、可靠的数据支撑，提高了变压器运行的可靠性。

（2）多普勒超声流量计测量的油流速度与瓦斯继电器重瓦斯跳闸信号对应流速为同一物理量，可在线校验瓦斯继电器，并能有效识别瓦斯继电器的误动及拒动。此方法简化了校验流程，大大提升了工作效率，有益于系统的安全平稳运行。

（3）该方法安装简便，为外贴式，无需管道断流,即贴即用,对主变压器的油流系统无任何影响，也不会影响主变压器及瓦斯继电器运行的稳定性，适合在电力系统中应用，具有一定的推广应用价值。