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一种电力 变压器油枕油位测试发生器

专利类型	发明公开	法律事件	实质审查;
专利有效性	实质审查	当前状态	实质审查
申请号	CN202310906114.1	申请日	2023-07-21
公开(公告)号	CN117109699A	公开(公告)日	2023-11-24
申请人	国网上海市电力公司;	申请人类型	企业
发明人	陆旭锋; 沙杰; 董海庆;	第一发明人	陆旭锋
权利人	国网上海市电力公司	权利人类型	企业
当前权利人	国网上海市电力公司	当前权利人类型	企业
省份	当前专利权人所在省份：上海市	城市	当前专利权人所在城市：上海市浦东新区
具体地址	当前专利权人所在详细地址：上海市浦东新区中国(上海)自由贸易试验区源深路1122号	邮编	当前专利权人邮编：200122
主IPC国际分类	G01F23/296	所有IPC国际分类	G01F23/296
专利引用数量	0	专利被引用数量	0
专利权利要求数量	10	专利文献类型	A
专利代理机构	上海三和万国知识产权代理事务所	专利代理人	蔡海淳;
摘要	一种电力变压器油枕油位测试发生器，属检测领域。包括外壳、安装在外壳内的屏幕、单片机、继电器、电器安装板、充电模块、电池组、声频发声器、功放模块、电压检测器、喇叭、声频检测器；在外壳底部设置有磁铁；电压检测器为检测电压模拟输出模式，电压检测器的电压检测正负与电池正负并接，电压检测器的输出端接入单片机I/O端口。其对电力变压器油枕施加指定频率的声频敲击，该声频敲击可以谐振出密闭金属变压器油枕内的油位情况；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。本发明可广泛用于电力变压器的运行检测领域。
权利要求	1.一种电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是由以下部分构成：外壳、屏幕、nano单片机、继电器、电器安装板、充电模块、电池组、声频发声器、功放模块、电压检测器、喇叭、声频检测器；其中，屏幕、nano单片机、继电器、电器安装板、充电模块、电池组、声频发声器、功放模块、电压检测器、喇叭、声频检测器设置在外壳中；在外壳底部，设置有用于将外壳吸附在电力变压器油枕金属外壳上的磁铁；电压检测器为检测电压模拟输出模式，电压检测器的电压检测正负与电池正负并接，电压检测器的输出端接入单片机I/O端口；所述的电力变压器油枕油位测试发生器，根据声音频谱在变压器油枕模型上测试得出的数据结论，对电力变压器油枕施加指定频率的声频敲击，该声频敲击可以谐振出密闭金属变压器油枕内的油位情况；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.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的电力变压器油枕油位测试发生器，对电力变压器油枕施加指定频率的声频敲击，采用声频接受装置，即可检测接收的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；通过接收油枕内不同部位传出的振动峰值或谐振波，即可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。 3.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的外壳包括外壳上部和外壳下部，两者扣合为一体，构成电力变压器油枕油位测试发生器的外壳整体，外壳的底部镶嵌至少四颗磁铁，将外壳吸附在电力变压器油枕金属外壳的上方。 4.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的电压检测器采用检测电压模拟输出，检测电压分辨率为0.005V；使电压检测正负与电池正负并接，输出端接入单片机，设置两节锂电池，当其电压低于直流6v时，单片机启动程序初始化，即油位测试发生器重新启动。 5.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的屏幕为 0.96寸白色屏幕。 6.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的继电器为直流5V继电器，高电平触发，由nano单片机触发，输出接点开断直流7.4V，控制声频发生器的电源接通或断开。 7.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的声频发生器包括语音驱动芯片、存储器、电源管理芯片、音频功放芯片、通讯芯片组成。 8.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的功放模块选用D类数字功放，把来自声频发生器的3kHz音频信号放大，利用极高频率的转换开关电路放大音频信号。 9.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是在功放输出模块至喇叭之间增加降噪电路，用两个25V4700uF电容并联接在线路中，吸收频率10kHz以上的杂音，保证音频信号发射的纯净。 10.按照权利要求1所述的电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是所述的指定频率为3.8kHz。
说明书全文	一种电力变压器油枕油位测试发生器技术领域 [0001] 本发明属于测试领域，尤其涉及一种用于电力变压器油枕油位检测XXXX的测试发生器。背景技术 [0002] 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。 [0003] 某供电公司目前有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。 [0004] 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。 [0005] 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。 [0006] 变压器油位计是保障变压器油散热和绝缘的重要组件。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0009] 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。 [0010] 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，亦无发避免示油管堵塞的问题。 [0011] 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 [0012] 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测试发生器。其通过对电力变压器油枕施加指定频率的声频，主动对电力变压器油枕施加指定频率的声频敲击，该声频可以用来谐振出密闭金属变压器油枕内的油位情况。 [0013] 本发明的技术方案是：提供一种电力变压器油枕油位测试发生器，其特征是由以下部分构成： [0014] 外壳、屏幕、nano单片机、继电器、电器安装板、充电模块、电池组、声频发声器、功放模块、电压检测器、喇叭、声频检测器； [0015] 其中，屏幕、nano单片机、继电器、电器安装板、充电模块、电池组、声频发声器、功放模块、电压检测器、喇叭、声频检测器设置在外壳中； [0016] 在外壳底部，设置有用于将外壳吸附在电力变压器油枕金属外壳上的磁铁； [0017] 电压检测器为检测电压模拟输出模式，电压检测器的电压检测正负与电池正负并接，电压检测器的输出端接入单片机I/O端口； [0018] 所述的电力变压器油枕油位测试发生器，根据声音频谱在变压器油枕模型上测试得出的数据结论，对电力变压器油枕施加指定频率的声频敲击，该声频敲击可以谐振出密闭金属变压器油枕内的油位情况；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。 [0019] 具体的，所述的电力变压器油枕油位测试发生器，对电力变压器油枕施加指定频率的声频敲击，采用声频接受装置，即可检测接收的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；通过接收油枕内不同部位传出的振动峰值或谐振波，即可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。 [0020] 进一步的，所述的外壳包括外壳上部和外壳下部，两者扣合为一体，构成电力变压器油枕油位测试发生器的外壳整体，外壳的底部镶嵌至少四颗磁铁，将外壳吸附在电力变压器油枕金属外壳的上方。 [0021] 具体的，所述的电压检测器采用检测电压模拟输出，检测电压分辨率为0.005V；使电压检测正负与电池正负并接，输出端接入单片机，设置两节锂电池，当其电压低于直流6v时，单片机启动程序初始化，即油位测试发生器重新启动。 [0022] 进一步的，所述的屏幕为0.96寸白色屏幕。 [0023] 具体的，所述的继电器为直流5V继电器，高电平触发，由nano单片机触发，输出接点开断直流7.4V，控制声频发生器的电源接通或断开。 [0024] 进一步的，所述的声频发生器包括语音驱动芯片、存储器、电源管理芯片、音频功放芯片、通讯芯片组成。 [0025] 具体的，所述的功放模块选用D类数字功放，把来自声频发生器的3kHz音频信号放大，利用极高频率的转换开关电路放大音频信号。 [0026] 进一步的，在功放输出模块至喇叭之间增加降噪电路，用两个25V4700uF电容并联接在线路中，吸收频率10kHz以上的杂音，保证音频信号发射的纯净。 [0027] 具体的，所述的指定频率为3.8kHz。 [0028] 与现有技术比较，本发明的优点是： [0029] 1.本发明的技术方案，根据声音频谱在变压器油枕模型上测试得出的数据结论，提供了一种能够主动发出特定的声波频率装置，对电力变压器油枕施加指定频率的声频敲击，该声频敲击可以谐振出密闭金属变压器油枕内的油位情况；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； [0030] 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； [0031] 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 [0032] 图1是本发明各部件零件爆炸结构示意图； [0033] 图2是本发明声频信号发生器的电路逻辑框架示意图； [0034] 图3是本发明发生器滤波的电路连接关系示意图； [0035] 图4是本发明声频信号发生器的逻辑关系示意图； [0036] 图5是本发明油枕油位现场测量方法示意图。 [0037] 图中1为外壳上部，2为屏幕，3为nano单片机4为继电器5为电器安装板，6为充电模块，7为电池组，8为声频发声器，9为功放模块，10为电压检测器，11为喇叭，12为声频检测器，13为外壳下部，14为磁铁。具体实施方式 [0038] 下面结合附图对本发明做进一步说明。 [0039] 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： [0040] 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； [0041] 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； [0042] 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； [0043] 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。 [0044] 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。 [0045] 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。 [0046] 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： [0047] [0048] 式中：f为振动频率；k为常数；E为杨氏模量；I为转动惯量；mt为振动管质量；mf为振动管内液体质量。 [0049] 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: [0050] [0051] 式中：M为管内附着物和液体质量之和。 [0052] 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。 [0053] 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。 [0054] 本发明的技术方案，通过对变压器油枕施加特定频率的声波，进行特定频率的敲击，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，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，借此来测定所需要的变压器油枕内油位的液面。 [0055] 换句话说，本技术方案的基本原理，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。 [0056] 如图1中所示，本发明的技术方案，提供了一种电力变压器油枕油位测试发生器，包括：外壳上部1，屏幕2，nano单片机3，继电器4，电器安装板5为，充电模块6，电池组7，声频发声器8，功放模块9，电压检测器10，喇叭11，声频检测器12，外壳下部13和磁铁14。 [0057] 外壳：包括外壳上部1和外壳下部13，两者扣合为一体，构成电力变压器油枕油位测试发生器的外壳整体。 [0058] 测量变压器为110千伏、35千伏油枕，由于本测试发生器接触带电设备外壳，所以要求外壳为A级绝缘防火材料，底部镶嵌直径8mm厚度10mm的8颗磁铁14，工作时可以牢牢吸附在金属油枕上方。 [0059] 单片机：本方案控制器使用nano单片机，该32位单片机低功耗、高集成，使用单节锂电池直流3.7V供电。 [0060] 电压检测器：该检测器为检测电压模拟输出，检测电压分辨率0.005V。使电压检测正负与电池正负并接，输出端接入单片机，设置两节锂电池电压低于直流6v时，单片机启动程序初始化，即发生器装置重新启动。 [0061] 屏幕：0.96寸白色屏幕，分辨率128*64，使用单节锂电池直流3.7V供电，驱动芯片SSD1306，本方案显示为nano内存中预烧录的提示文字。 [0062] 继电器：继电器使用直流5V继电器，高电平触发，由nano单片机触发，输出接点开断直流7.4V，控制声频发生器的电源接通或断开。 [0063] 声频发生器：包括语音驱动芯片、存储器、电源管理芯片、音频功放芯片、通讯芯片组成，语音芯片型号为W5200，语音微处理芯片型号为WT588D，音频功放芯片型号为CS8305。其具体的电路逻辑框架参见图2中所示。 [0064] 1、电源管理：供电是DC 5V～12V，本发生器电路使用6～7.4V，电源端配备电阻起保护作用，防止瞬态大电流烧毁声频发生器电路。 [0065] 2、语音芯片：具备有储存器功能，内有下载储存的MP3格式音频，可以使语音微处理芯片识别输出音频信号，外围电路通过电感消除振荡、然后再由电感与电容组成的滤波电路对音频信号作滤波处理，保证3KHZ音频输出无杂波干扰。 [0066] 3、语音微处理芯片：通过简单的代码条件设定，可以播放、触发等储存器内音频文件的功能，本方案直接设定通电后直接播放语音芯片内音频信号。 [0067] 4、音频功放芯片：该芯片回路负责将音频信号放大至外围电路，本方案为了保证3kHz声频信号，由外围电路放大音频，所以不使用该芯片功能。 [0068] 本发生器在本技术方案中的使用：通过电脑软件产生一个3.8kHz音频信号，该音频信号不能通过外界空气等产生，保证该信号只有一个波形。这是本方案测试发生器(装置)的重要要素。该音频信号通过软件转换成MP3格式，下载至声频发生器储存器内，声频发生器通电后‑语音微处理芯片‑直接循环播放存储器内MP3格式音频。 [0069] 声频功放：选用D类数字功放，数字功放一方面失真度较低，另一方面放大效率高。其作用为把来自声频发生器的3KHZ音频信号放大，利用极高频率的转换开关电路放大音频信号。D类功放电源电压越低，相同输出功率条件下的效率就越高，也就意味着更省电。通常功放所连接的电源电压是固定不变的，因而一旦选定了电源电压、负载，效率的高低就取决于输出功率的大小。输出功率越大，效率也就越高。因此，本功放电源电压范围为6～7.2V，输出功率为50W，喇叭阻抗4～8殴，TPA3118放大芯片。 [0070] 如图3中所示，为了保证音频信号发射的纯净，在功放输出模块至喇叭之间增加降噪电路，用两个25V4700uF电容并联接在线路中，吸收频率10KHZ以上的杂音。 [0071] 喇叭：本发生器使用2寸全频喇叭，因为输出为3kHz音频，为中高音段，所以根据喇叭的特性选择铝质振膜，阻抗使用易推的4殴，功率5W。 [0072] 电池:本发生器使用652540 800mAh锂电池2快，充电截止电压4.2V，放电截止电压3V。单片机使用单节电池供电，发生器放电电流小于1A电流,。声频发生器、声频功放使用两节电池串联。 [0073] 充电模块：充电接口micro，充电截至电压4.2(±1％)，电池放电截至电压2.5V，最大充电电流1A，并且具有输入过压、输入欠压、输出过压、输出短路保护的功能。 [0074] 其声频信号发生器的电路逻辑连接关系如图4中所示。 [0075] 使用方法步骤： [0076] 打开本发生器电源开关后，单片机启动→电压检测器工作(若电压低于6V，重新启动程序)→屏幕显示提示文字(项目名称、检测的简单说明)→启动继电器声频发生器得电、声频功放得电→喇叭发出特定频率声音→同时声频检测器检测声频是否达到50db以上(若声频分贝低于50db，重新启动程序)。 [0077] 油枕油位现场测量方法参见图5中所示。 [0078] 实施例： [0079] 于塘站,2021年11月投运，重庆南瑞博瑞变压器有限公司生产，自然冷却散热方式，型号SZ11‑50000，变压器油产地：克拉玛依，油位计显示4.2， [0080] 测试时将声频发生器吸附在变压器主油枕上方，然后打开声频发生器电源开关，经过程序自检后，发出谐振声频。打开手持式油位检测装置，屏幕显示仪表图案，用油位检测装置咪头处紧贴沿着油枕壁从上往下移动。 [0081] a)、当测试仪紧贴至变压器油枕上部不含变压器油部位，测试仪屏幕指针向右指满； [0082] b)、当测试仪向下不断移动时，测试仪屏幕指针向左指示并指针左右晃动，此部位即为变压器油枕实际油面； [0083] c)、当测试仪继续向下移动，测试仪屏幕指针又恢复向右指满。 [0084] 测试完成，测试移动过程中，指针向左指示并指针左右晃动部位，即为变压器油枕实际油面。 [0085] 采用本发明技术方案带来的有益效果： [0086] 本发明解决了现场电力变压器密闭金属油枕内油位无法直接测量的缺陷，根据电力变压器油枕结构、电力变压器油的物理特征(标准)、声频削谷理论、设计一种能够在特定频率下引起油枕内变压器油震荡的装置，该装置能够发出特定无杂波的3.8K频率声频、经过滤波放大器放大、引起油枕内变压器油有规律的震动。本发生器现场工作时，依靠底部强磁吸附在运行变压器油枕壁上方，运用手持式测试装置，可以很方便的感知油枕内油位，工作测试方便。 [0087] 与目前的测试方法相比，本发明的技术方案： [0088] 1)、油位测量时间极大的缩短； [0089] 2)、减少油位检测人力物力支出； [0090] 3)、为后续声频传感器的研究发展提供了现场依据。 [0091] 本发明可广泛用于电力变压器的运行检测领域。

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