1、基于压力温度特征智能感知技术的变压器智能压力释放阀研究刘灿东1，李峰1，谢璐佳1，解江伟2，邱训萌2（1特变电工科技投资有限公司，天津 301700；2特变集团国创电力公司，辽宁 沈阳 110000）摘要：变压器压力释放阀是用来保护变压器油箱的重要组配件，由于缺少油压变化感知手段，现场运行人员无法对故障暂态过程中的油压特征进行分析和研究。变压器的油温、油位以及他们之间的变化关系与压力释放阀的感知压力变化直接相关，但是目前很少有这方面的系统研究。本文中作者介绍了一种以变压器油位、油温和压力为研究对象，借助微传感技术及微处理器技术设计数据采集分析系统，实时采集油温、压力值，设计智能调整时间窗算法，
2、计算油温、压力的变化情况，评估油位、油温的关系曲线是否合理，指导运维人员进行补油或排油，并且可根据预设的油温、压力阈值作为触发条件对变化情况进行记录，作为故障预警和故障后期分析的有效手段。关键词：压力释放阀；油温和油位关系；动态计算；故障预警中图分类号：TM403.5文献标识码：B文章编号：10018425（2023）03001204ResearchonIntelligentPressureReliefValveofTransformerBased on Intelligent Sensing Technology of Pressure andTemperature Characterist
3、icsLIU Can-Dong1,LI Feng1,XIE Lu-Jia1,XIE Jiang-wei2,QIU Xun-Meng2（1.TBEA Technology Investment Co.,Ltd.,Tianjin 301700,China;2.Tebian Group Guochuang Power Company,Shenyang 110000,China）Abstract：The transformer pressure relief valve is an important component used to protectthe transformer oil tank.
4、Due to the lack of oil pressure change sensing means,the fieldoperators cannot analyze and study the oil pressure characteristics in the fault transientprocess.The transformer oil temperature,oil level and the relationship between them aredirectly related to the perceived pressure change of the pres
5、sure relief valve,but thereis little systematic research in this field at present.This paper introduces a data acquisi-tion and analysis system based on the oil level,oil temperature and pressure of pres-sure relief valve of transformer.With the help of micro sensor technology and micropro-cessor te
6、chnology,it designs a real-time oil temperature and pressure value,designsan intelligent adjustment time window algorithm,calculates the changes of oil tempera-ture and pressure,evaluates the relationship between oil level and oil temperature,andrealizes the dynamic diagnosis of oil temperature and
7、pressure according to the presetoil temperature The pressure threshold is used as a trigger condition to record thechanges,and as an effective means of fault early warning and post fault analysis.Key words：Pressure relief valve；Relationship between oil temperature and pressure；Dynamic calculation；Fa
8、ult early warning1 引言压力释放阀是变压器主要的非电量保护装置之一，压力释放阀误动作会引起变压器停运事故。当前压力释放阀的应用中由于缺少油压特征的动态监测与记录，现场运行人员无法及时感知可能发生的故障，在故障发生后分析过程中也缺少有效手段进行故障分析。现场运行过程中油位、油温、压力对于变压器的可靠运行有较大影响，很多故障都是因为油温升高内部压力增大而油位处在不正TRANSFORMER第 60 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.60MarchNo.32023DOI:10.19487/ki.1001-8425.2023.03.005刘灿东、李峰、谢璐佳等：基于压力温度特征
9、智能感知技术的变压器智能压力释放阀研究第 3 期常的位置导致的。许多文献的运行案例都遇到了这种问题引起的压力释放阀动作。为了解决上述问题，将传统的压力释放阀进行智能化升级是一种解决方法。本文中笔者介绍了一种融合结构、传感特点进行设计的智能型压力释放阀，可以实时采集油温和压力值并通过智能调整时间窗算法，动态计算油温、压力的变化情况，可评估油位、油温的关系实现油温、压力关系的动态诊断，并且可根据预设的油温、压力阈值作为触发条件对变化情况进行记录，作为故障预警和故障后期分析的有效手段。并且根据压力值的大小进行故障预警还可以将暂态过程的压力、温度值变化曲线进行记录的微传感系统。2 智能型压力释放阀的必
10、要性余青山等在相关文献中已对油位曲线进行推导，下面进一步说明。变压器的油位曲线制作主要是根据变压器油温变化导致油位变化，换算成储油柜如图1所示，高度的变化来实现的。因此，油的体积变化可按公式（1）进行计算。V=BG/0.9*t（1）式中，V变化的体积，m3B变压器油膨胀系数G变压器总油重，kgt变化的温度，将变化的体积V除以储油柜长度L得出变化的面积S，面积S应等于1/2圆面积减去角所对应的扇形面积再加上AOB的面积，即：S=R22-R22+hR2-h2（2）用式（1）除以L，得到式（3）：BG0.9Lt=R22-R22+hR2-h2（3）变压器的参数：G、B、R、L为常数，这样通过计算机软件
11、就可以求出不同的变化温度t对应的油位高度h。结果显然其不是线性关系。根据上述推导可以看出，与压力释放阀紧密相关的变量主要是变化温度t与油位高度h。通过设计智能型压力释放阀，可以同时监测温度与压力两个变量从而掌握变压器的运行情况。传统的压力释放阀和油位计是两个独立的机械配件，无法满足智能分析的需要，智能型压力释放阀可以实时监测顶层油温、油位高度，因此其设计非常有必要。3 智能压力释放阀的硬件设计融合传感器的设计选用的压力芯片为基于硅压阻微机械加工系统（MEMS）技术设计的微型传感芯片，该芯片内部集成温度传感部分可以同时转换实时压力大小和温度值。信号的数值通过低功耗的微处理器系统传送出，同时考虑到
12、更有利的现场分析，该系统同时设计一个就地存储模块，可以在压力值到达报警阈值的时候启动存储逻辑，将报警前、报警中的压力、温度变化情况进行记录，记录的介质为存储卡,运维分析人员可随时将存储卡抽出将数据读出分析。读出的数据为Excel表格形式，可以绘制出变化曲线，从而结合压力、温度的变化特征分析变压器内部的故障演变趋势。系统结构图见图2。4 智能压力释放阀的功能设计每台变压器都有一个油位指示标志牌，如图3所示。横轴为顶层油温，纵轴为油位。变压器出厂时工作人员根据当时的温度确定加入油的多少，这样就能很好的保证变压器运行时的油位与油温的对应关系，也能适配压力释放阀的动作压力，在合适的时候通过压力释放阀保
13、护变压器。在实际的注油操作过程中，由于油的呼吸及油浸是一个缓慢的过程，通常厂家会适当多注一些油以保图1储油柜截面图图2智能压力释放阀硬件结构图13第 60 卷证注入足够的油量，这样可能导致加的油过多。正常运行下压力释放阀所受的压力为：Pa1=hdg式中，h储油柜顶部至变压器油箱上表面高度d变压器油密度900kg/m3g重力加速度，取9.8N/kg可以看出，压力释放阀的承受压力只与储油柜顶部至变压器油箱上表面高度即油位有关，并且呈线性关系。智能压力释放阀可以实时计算温度变化率和压力变化率，并且结合变压器的油温、油位曲线图进行分析，判断变压器的油位是否正常，如果偏离出厂曲线区间则可以将油位偏离正常
14、曲线信号进行告警，从而有计划的进行补油、排油作业，避免缺油或温度过高时喷油、甚至导致压力释放阀动作的情况出现。处理流程如图4所示。对于智能压力释放阀来说设计两种报警条件：一是压力值接近压力释放阀动作阈值；二是油温、油位的对应关系不符合出厂设计的油温油位关系曲线。压力传感器实时监测压力释放阀所承受的压力，如果达到设定的报警值，微处理器会启动记录子程序，记录报警前1秒至报警后3秒内的油温、压力值，事件记录的时间为年月日时分秒，存储介质为存储卡。智能压力释放阀除具备数据远传功能外，运维人员可以根据需要将存储数据的存储卡取出进行数据分析。智能压力释放阀可以通过实测不同的变化温度计算出对应的油位h1，智
15、能压力释放阀中的压力传感器可以依据油位与压力大小成线性这一关系实测出油位h2，计算出的油位h1和实测油位h2进行比较就能推断出当前温度下的油位是不是合理的，从而推断是否符合出厂设计的油温油位关系。如果油温、油位关系在标准曲线上部，偏离度超过10%则判断为多油；如果油温油位关系在标准曲线下部，偏离度超过10%则判断为少油。应用以上方法即可实时诊断变压器是否存在少油、油量过多的问题。5 试验情况通过实测记录某型变压器在不同油温、压力、油位的变化情况，整理数据后得到曲线如图5和图6所示。图3某型变压器温度油位指示牌图4智能压力释放阀运行流程图5油温油位关系曲线图图6油温压力关系曲线图14刘灿东、李峰
16、、谢璐佳等：基于压力温度特征智能感知技术的变压器智能压力释放阀研究第 3 期将数据整理，同时计算压力/油位值，数据如表1所示。从表1中可以看出，在同样的油温条件下压力与油位呈线性关系，油温、油位曲线不是线性关系。6 结论1）通过分析及实测可以看出，油位正比于智能压力释放阀测得的压力大小，所以通过智能压力释放阀的压力值可以直接反映油位的变化。2）通过实测油温、油位关系可以看出，对于常用的圆柱体式油温油位的对应不是纯线性关系，这与很多厂家提供的油温油位曲线并不一致。对于截面为圆柱形的储油柜生产厂家可以根据以上方法设计或验证油温油位曲线。3）智能型压力释放阀可以实时监测压力释放阀的压力，可以在压力释放阀动作之前根据阈值大小及时将情况上报给运维人员，一定程度上避免了变压器的计划外停运。4）随着数字化的发展进程，智能压力释放阀因其可以实时计算油温、油位的变化情况及两者关系，从而帮助运维人员及时掌握变压器的运行情况，具有较好的应用前景。参考文献：1姬淑英，宋士强变压器压力释放阀动作原因分析及防范措施J广西电力，2010(8)：29-322陈熙平，薛丽丽，余春宏，等电力变压器储油柜油位异常分析及处理