一种电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型

技术领域

本发明属于测试领域，尤其涉及一种用于测试电力变压器油枕油位谐振的仿真模型。

背景技术

目前随着电网的建设与发展，电网供电对设备运行可靠性要求越来越高。

XX供电公司目前有35千伏及以上主变压器140余台，主变压器是电网重要设备，变压器油是变压器重要部分，起绝缘、散热、消弧作用，保证变压器正常运行。

确保电力系统的可靠运行，必须对运维管理实施严格监控，确保其安全性能，并找出电力设备经常出现的一些问题，对设备进行定期巡检，以保证电力系统高效运行，尽可能杜绝运行故障的发生。

现场工作人员可以借助各式各样的传感器，采取科学性强、最具合理性的评测估量办法，及时获取电力设备的运行状态各系列参数，提前预判设备状态，并做出严谨规格的分析。

变压器油位计是保障变压器油散热和绝缘的重要组件，变压器油位计通常可分为针式油位计和管式油位计两大类，但是油位计指针卡涩异常(针式油位计经常发生)、示油管堵塞(管式油位计容易发生)等会造成油位指示不正确，不能保证设备的可靠运行，也使设备处于隐患运行工况。

目前某变运在日常巡视中发现有城X、望X等5台主变压器油枕油位异常，如：2022年假油位典型缺陷之一，城X站主变油位计中油位管已不能实际显示油枕油位，造成油位不正确的缺陷假象。

变压器油枕油位检查是运维一线的重要工作。当发生油位指示缺陷后，检测方法有：1、红外测温，依据油枕温度来测量，大致显示油位，但受户外高温阳光直射等情况影响；2、虹吸导管，临时连接变压器油枕放油处导管，导管竖直与油枕垂直，用虹吸原理显示油位，此方法是现场油位测量的主要方法，但需配置工作班人员，测量时间也较长。而目前主变数量多，发生油位不正确缺陷概率增加，加重了运检人员处理缺陷的任务和时间，而油位异常也是困扰运维一线的重要难题，所以解决测量油枕油位迫在眉睫。

授权公告日为2022.05.31，授权公告号为CN 216645507 U的实用新型专利，公开了了一种变压器油枕油位测量装置，包括设置在变压器储油柜旁的测量油柱、第一压力传感器、第二压力传感器、测试仪；所述测量油柱的顶端设有放气阀、下部设有进油口，进油口通过油管与变压器储油柜的下部连接；所述第一压力传感器与第二压力传感器设置在测量油柱的中部，且两者之间的垂直高度为固定距离；所述测试仪采集第一压力传感器和第二压力传感器测量位置的油压，得出变压器储油柜的油面高度及油枕的上下沿高度。该技术方案测量方法简单，能够有效地排除虚假油位的干扰，提升检修效率和质量；通过两个传感器使液体密度不影响液位高度的测量，显著提高了测量精确度。但是其基本原理还是依赖于虹吸导管的测量原理。其实施过程中需配置工作班人员，测量时间也较长。

如何能够有效地排除虚假油位的干扰，提升检修效率和质量，不影响供电，实现高效、实用的电力变压器油枕油位测试，是现场运维工作中急待解决的实际问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型。其根据电力变压器油枕结构、电力变压器油的物理特征(标准)，提出了一种模拟电力变压器油枕运行的仿真模型(或称装置)，用以模拟电力变压器在运行中的实际温度和运行振动；在该仿真模型内部盛装有变压器油，在模型外壳上设置有发声装置，在外壳上按比例设置测量刻度；通过一个能够主动发出特定声波频率的发声装置，对变压器油枕施加指定频率的声波；运用声频检测装置，得出特定声频谐振在油枕中的震荡情况，得出准确的声频削谷理论，确定指定频率声波(振动)削谷特征，进而能够开发出一种符合该理论且能够快速测量金属密闭电力变压器油枕的油位检测装置。

本发明的技术方案是：提供一种电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型，其特征是：

电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型的机械结构包括：设置在底座上的油枕仿真筒，在油枕仿真筒上设置有发声装置、通气孔和变压器振动模拟器，在在油枕仿真筒外壁上，设置有硅加热板，在油枕仿真筒中，设置有温度计；

在油枕仿真筒的外壁上设置有测试刻度线；

在外壁上的测试刻度线处设置有专业声频检测装置；

所述专业声频检测装置的拓扑结构包括：电脑声卡输出接发声装置，电脑声卡输入接麦克风；电脑预装REW，使用配套的Umik-1电容式麦克风；

所述的电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型，内部盛装变压器油，通过硅加热板和变压器振动模拟器模拟电力变压器在运行中的运行温度和机械振动；采用发声装置对油枕仿真筒施加不同频率的声频；运用专业声频检测装置，将声学原理与谐振现象相结合，通过接收油枕内不同测试刻度线部位传出的振动峰值或谐振波，通过检测油枕内绝缘油的振动频率峰值与油枕内空气振动频率峰值变化情况，即可判别出变压器油枕内绝缘油的液面高度。

具体的，所述的电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型，通过模拟电力变压器油枕在运行中的工作状况，测试管状封闭式变压器油枕内空气和绝缘油在特定振动频率下的谐振情况，掌握变压器油枕内空气和绝缘油交汇界面处的谐振参数，掌握变压器油枕内空气和绝缘油交汇界面的谐振参数，模拟电力变压器油枕在运行中的工作状况，并根据此仿真模型进行模拟实验，得到声频谐振在油枕中的震荡情况，依据声频削谷理论，确定特定声音频率下的频率削谷特征。

进一步的，所述的发声装置为喇叭。

具体的，所述的Umik-1电容式麦克风设置在外壁上的测试刻度线处。

具体的，所述的油枕仿真筒按照变压器油枕外形结构，制作相同外形结构的模型；该模型为圆桶形密闭容器，只在上部开口有通气孔；模型桶身密闭，模型桶内部一半装满变压器油，模型桶内部的空腔部分由耐油的尼龙橡胶皮囊填充，尼龙橡胶皮囊通过通气孔与外部空气接触。

进一步的，所述的尼龙橡胶皮囊使用6.5mm PE管与大气连接，并与油枕仿真筒外壁密封。

具体的，所述的变压器振动模拟器，采用电机带动偏心轮的模式来实现变压器振动模拟器的可调频振动功能；其模拟变压器油枕的振动范围为100～200Hz。

进一步的，所述的变压器振动模拟器，通过调整偏心轮电机的转速使变压器振动模拟器的振动频率变化。

具体的，所述硅橡胶加热板的工作电压为DC12V，功率为100W，尺寸为100*100mm；工作时将硅橡胶加热板紧贴至油枕仿真筒外壁上。

具体的，所述的温度计用于测量油枕仿真筒内变压器油的温度。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.本发明的技术方案，通过一个能够主动发出特定声波频率的装置，对变压器油枕施加指定频率的声波，该声频可以谐振出密闭金属变压器油枕内油位情况；通过接收、测定这个特定的声波频率，即可来判别变压器油位；

2.本发明的技术方案，无需对变压器油枕内进行任何的操作，不破坏变压器油枕的密封性，不会引起油枕内变压器油的挥发或流失，极大地缩短了油位测量时间；

3.本发明的技术方案，简便易行，实施过程中需要的耗时少，所需人员少，不牵扯到现场物资的耗费，减少了油位检测工作实施过程中的人力物力支出。

附图说明

图1是本发明电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型的结构爆炸示意图；

图2是本发明仿真模型的电路拓扑框架示意图。

图中1为喇叭，2为通气孔，3为油枕仿真筒，4为底座，5为变压器振动模拟器，6为硅加热板，7为温度计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

现在，对于运行中的主变压器的油液面校准测量方法主要有以下几种：

1)红外测温：依据油枕温度来测量，大致显示油位，但受户外高温阳光直射等情况影响；

2)超声波(雷达)液位测量：由超声波器(雷达)发射信号至油位反射回馈，测量准确，但需装设信号发射器至变压器油同容积油箱内，且又因变压器油枕外壳是全金属密闭结构，这种全金属外壳反射超声波信号，所以不能使用超声波测得油枕内变压器油液面的高度；

3)压强测定：通过油枕内压力传感器与本体底部油压力传感器压力差计算得出油位位置，该方法只能对单一变压器油位测量有针对性；

4)虹吸导管：临时连接变压器油枕放油处导管，导管竖直与油枕垂直，用虹吸原理显示油位，此方法是现场油位测量的主要方法，但需配置工作班人员，测量时间也较长。

为了能够现场快速检验分析变压器油位，本技术方案突破传统现场检测的方法，提出了一种新的技术方案，其运用声学原理与谐振相结合，根据声音频谱在变压器油枕模型上测试得出的数据结论，设计一种能够主动发出特定声波频率的装置，使其他测量装置通过测定这个特定的声波频率来判别变压器油位。

根据物体特性：“共振是自然界中一种普遍、频繁的现象，物理系统在驱动力的作用下做受迫振动，若系统阻尼很小，当驱动力频率等于系统的固有频率时，此时受迫振动的振幅最大，发生共振，这一特定频率也称为共振频率”，也就是说物体在不同系统同等驱动力下振动并不相同。

又，根据密度测量原理振动方程，振动频率可以利用如下公式进行计算：

式中：f为振动频率；k为常数；E为杨氏模量；I为转动惯量；m

当振动管内部有沉淀物(包括液体)附着时，振动管的振动频率将会发生变化:

式中：M为管内附着物和液体质量之和。

根据以上物理理论及计算公式，使用特定振动频率(亦称指定频率)对管状密闭变压器油枕敲击，引起油枕内变压器油有规律的震动，会引起管状密闭变压器油枕内的绝缘油振动峰值、并与管状密闭变压器油枕内空气的振动峰值频率段相区别。

依据物理理论及“变压器油枕振动实验装置”数据结论，提出将电信号转化为声音振动方案，开发研制一种能够引起变压器油振动的特定声音频率的发声装置(亦称谐振声频发生器)，对变压器油枕释放特定频率的声波；然后，再使用特定的仪器(实为特定频率声波的声音接收装置)测得绝缘油的振动频率峰值与空气振动频率峰值变化，即可判别出变压器油枕内绝缘油的液面高度。

为了准确测定管状封闭式变压器油枕内绝缘油的液面高度，就需要设计一种电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型，用以测试管状封闭式变压器油枕内空气和绝缘油在特定振动频率下的谐振情况，掌握变压器油枕内空气和绝缘油交汇截面的谐振参数，模拟电力变压器油枕在运行中的工作状况，并根据此仿真模型进行模拟实验，得到声频谐振在油枕中的震荡情况，依据声频削谷理论，确定特定声音频率下的频率削谷特征。

基于上述发明目的，本发明的技术方案，提供了一种电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型，该模型通过模拟电力变压器油枕在运行中的工作状况，测试管状封闭式变压器油枕内空气和绝缘油在特定振动频率下的谐振情况，掌握变压器油枕内空气和绝缘油交汇界面处的谐振参数，掌握变压器油枕内空气和绝缘油交汇界面的谐振参数，模拟电力变压器油枕在运行中的工作状况，并根据此仿真模型进行模拟实验，得到声频谐振在油枕中的震荡情况，依据声频削谷理论，确定特定声音频率下的频率削谷特征。通过检测油枕内绝缘油的振动频率峰值与油枕内空气振动频率峰值变化情况，即可判别出变压器油枕内绝缘油的液面高度。

如图1中所示，所述的电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型，包括设置在底座4上的油枕仿真筒3，在油枕仿真筒上设置有发声装置1、通气孔2和变压器振动模拟器5，在在油枕仿真筒外壁上，设置有硅加热板6，在油枕仿真筒中，设置有温度计7。

其中，底座用于安放油枕仿真筒。

油枕仿真筒按照变压器油枕外形结构，制作相同外形结构的模型；该模型为圆桶形密闭容器，只在上部开口有通气孔；模型桶身密闭，模型桶内部一半装满变压器油，模型桶内部的空腔部分由耐油的尼龙橡胶皮囊填充(在现场实际使用过程中，油枕内的变压器油是不与大气直接接触的)，尼龙橡胶皮囊通过通气孔与外部空气接触。

进一步的，尼龙橡胶皮囊使用6.5mm PE管与大气连接，并与油枕仿真筒外壁密封。

通气孔：本模型在油枕仿真筒上开设有通气孔，尼龙橡胶皮囊通过通气孔与外部大气连通。

变压器振动模拟器：正常运行中的变压器器身振动是由电力变压器铁芯、绕组的振动及冷却装置的振动引起的。其中，电力变压器铁芯本体振动的来源有：硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯周期性振动；硅钢片接缝处和叠片之间因漏磁而产生的电磁吸引力引起的铁芯振动；绕组中负载电流产生的绕组匝间电动力引起的振动；漏磁引起的油枕(亦称油箱)壁振动；电力变压器本体的振动通过铁芯垫脚以及绝缘油路径传递给油箱壁，使油箱壁产生振动，进而产生油箱振动以及噪声，并以声波的形式均匀地向四周发射；冷却装置自身产生的振动与噪声，并通过接头等结构、部件将振动传递给油箱；由于磁致伸缩的周期是工频电源周期的一半，所以磁致伸缩引起的电力变压器本体的振动与噪声以100Hz为基频；铁芯磁致伸缩固有的非线性特点以及绕组内电流的畸变，会导致油箱表面测得的振动信号中存在着基频为100Hz的高阶谐波分量。

本技术方案中，采用电机带动偏心轮的模式来实现变压器振动模拟器的可调频振动功能。

其模拟变压器油枕的振动范围为100～200Hz。

通过调整偏心轮电机的转速使变压器振动模拟器的振动频率变化。

本技术方案模拟变压器的振动频率为200Hz，使用外径35mm，长28mm，轴直径3mm的无刷电机，在电机输出转轴的一端安装有偏心锤，使用调速器控制转速，无刷电机的转速通过振动仪测量在每分钟200转。

加热板：使用硅橡胶加热板，工作电压DC12V，功率100W，尺寸100*100(mm)；工作时将硅橡胶加热板紧贴至油枕仿真筒外壁上。

温度计：硅加热板工作后，测量油枕仿真筒内变压器油的温度。

发声装置(亦称测试发声器)：使用2寸全频喇叭(简称扩音喇叭)，测试软件输出为0～20Khz波段音频，所以根据测试软件情况，喇叭的特性选择铝质振膜，阻抗内阻使用易推的4殴，功率5W。

如图2中所示，该油枕模型实验装置的电路拓扑框架包括：电脑声卡输出接扩音喇叭，电脑声卡输入接REW配套Umik-1电容式麦克风；电脑预装REW(Room EQ Wizard，声学测试软件)，使用配套的Umik-1电容式麦克风，从该公司官网下载配套编号的电容麦克风的校准文件，并在软件中设置检验，以保证测试数据的准确。

实际使用时，油枕模型实验装置测试时为竖直安放，外壳上每1cm设置一挡测试刻度线，总刻度线由上往下为1至18挡，测试时Umik-1电容式麦克风贴近筒壁，在每一档进行测量；桶顶部放置测试发声器保持不变，扫频频率不变；加热器、振动模拟器均开启工作；桶内变压器油加注至11挡位线。

通过实际测量，针对金属质密闭式横置电力变压器油枕结构，其特定频率或指定频率，为3.8kHz的音频。

本发明的技术方案，根据电力变压器油枕结构、电力变压器油的物理特征(标准)、设计一种电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型，用以模拟电力变压器在运行中的40～60℃温度、200Hz左右的振动；内部盛装变压器油、比例设置测量刻度；运用专业声频检测装置，可以根据此电力变压器油枕油位谐振测试仿真模型得出的声频谐振在油枕中的震荡情况，得出准确的声频削谷理论，确定的特定频率(亦称指定频率)下的削谷特征，有助于一种符合该理论且能够快速测量金属密闭电力变压器油枕的油位检测装置。

为了能够现场快速检验分析变压器油位，本技术方案突破传统现场检测的方法，提出了一种新方法，运用声学原理与谐振现象相结合，根据声音频谱在变压器油枕模型上测试得出的数据结论，通过能够主动发出特定的声波频率的装置，使其他声频测量装置，通过测定这个特定的声波频率来判别变压器油位。

本技术方案的检测基本原理，实际上就是检测指定声波驱动下密闭状态下变压器油枕内部的空气和变压器油所产生的振动波(或谐振波)；由于管状密闭变压器油枕内的绝缘油振动峰值的频率段，与管状密闭变压器油枕内空气振动峰值的频率段存在明显的差异，则通过接收油枕内不同部位传出的振动峰值(亦可称为谐振波)很容易检测并判断出变压器油枕内空气振动峰值与绝缘油振动峰值变化的临界点，该临界点即为所需要的变压器油枕内油位的液面。

本发明可广泛用于电力变压器的运行检测领域。