1.本发明属于油浸式变压器事故监测技术领域，特别涉及基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器。
背景技术：
2.油浸式电力变压器使用变压器油作为绝缘和散热的介质，主要应用于高电压等级的变电站，特别是超高压、特高压等级的变电站，其体积庞大，内部的变压器油高达几十吨以上。
3.当油浸式变压器发生短路、过载情况或是受到自身结构的影响，像焊接质量不良、零件加工质量差以及密封材料的老化等因素会发生漏油事故。泄露的变压器油如果不能被巡检人员及时发现的话会造成严重的安全隐患，甚至可能发生火灾造成人员伤亡的情况。传统的人员巡检方式不但耗费较大的人力，而且检测精确度较低，更难以做到实时监测变压器的运行状况。
4.当油浸式变压器运行时间长、闲置过久或其他自然人为因素的影响，造成内部进水或油质劣化等现象，必须对变压器进行换油和干燥，否则会降低变压器的绝缘性能，极大地影响变压器安全稳定运行。当变压器需要进行换油和干燥等维修操作时，需要将变压器油排放到事故油池中，临时储存。因此，需要了解储存到事故油池中油量的体积。
5.变压器事故油池是油浸式电力变压器发生故障(变压器漏油事故、发生火灾事故等)和维修(对变压器进行换油和干燥处理等)时的排油装置，平时会有雨水、雪水流入。当大量的雨水流入事故油池后，需要自动排水装置定期将雨水排走，防止影响变压器油的临时储存。但是排出的水中往往混有变压器油及其分解物，尤其是变压器油分解物中含有多种且大量的有害物质，如：多环芳烃、苯系物、重金属等等。排出的水未经处理会对自然环境、庄稼植被甚至是人体健康构成巨大威胁。为防止这种情况的发生，当前的变压器事故油池大多数附加了油水分离装置。无论事故油池是否有变压器油，油水分离装置都会一直运行。这不仅会增加事故油池建造的复杂性，更加大了工程费用和运行维护费用。
6.因此，一种可以实时在线预警变压器漏油事故、防止变压器油随水外排污染环境以及精确检测变压器事故油池中变压器油面状态，包括变压器油的出现、消失和油面厚度的小型化传感器装置亟待研究。
技术实现要素：
7.针对背景技术存在的问题，本发明提供一种通过检测天线电阻来监测变压器事故油池油面状态的技术及其装置。
8.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器，包括浮标外壳1、铜质小环天线2、阻抗匹配器3、配重套筒固定孔4、底座5、缓冲壳6、配重套筒7、信号源9、天线电阻检测电路10、信号发射电路15、移动终端设备17、水位传感器19和排水装置21；缓冲壳6固定于底座5外表面，配重套筒7通过配重套筒固定孔
4固定于浮标外壳1上，铜质小环天线2与阻抗匹配器3相连接固定于浮标外壳1表面，浮标外壳1内置有与铜质小环天线2相连的天线电阻检测电路10以及信号发射电路15，信号发射电路15分别与移动终端设备17和排水装置21无线连接；水位传感器19与排水装置21无线连接。
9.在上述基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中，信号源9与天线电阻检测电路10连接，天线电阻检测电路10包括依次连接的通道选择电路11、检波电路12、ad转换电路13和单片机14，信号发射电路15与单片机14相连接。
10.在上述基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中，信号源9采用95mhz-105mhz的电磁波作为信号输出。
11.在上述基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中，浮标外壳1采用丙烯酸-丁二烯-丙烯烃工程塑料asa。
12.与现有技术相比，本发明能够实时在线远程监测到变压器漏油的出现，及时预警变压器漏油事故的发生，通过泄露油的油面厚度判断变压器的受损程度和事故的严重程度，避免事故范围的扩大。
13.能够做到当事故油池中存在变压器油时，排水装置不会向外排水；事故油池中没有油或者油被抽走时，排水装置正常排水。避免了雨水影响事故油池的储油功能，杜绝了变压器油随水外排而出现环境污染、庄稼受损等现象。
14.当变压器需要检修保养等操作时，可以精确测得排入到事故油池中临时储存的变压器油的厚度，方便快速地计算出变压器油的体积。
15.做到检测装置的小型化、检测的精确化，降低了检测结构的复杂性，提高了检测系统的稳定性，具有较高的经济效益。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器整体连接示意图；
17.图2为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中铜质小环天线与阻抗匹配器连接示意图；
18.图3为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中电路连接图；
19.图4为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中水位传感器与排水装置连接示意图；
20.图5为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中信号发射电路与排水装置连接示意图；
21.图6为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器无油时铜质小环天线位置示意图；
22.图7为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中有油时铜质小环天线位置示意图；
23.图8为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中铜质小环天线电阻随油面厚度变化曲线；
24.图9为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中铜质小环天线电阻在变压器油和水中差异曲线；
25.图10为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中铜质小环天线随油面位置变化示意图；
26.图11为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器的铜质小环天线电阻-油面厚度仿真和拟合曲线；
27.图12为本发明实施例提供的基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器工作流程图；
28.其中，1-浮标外壳，2-铜质小环天线，3-阻抗匹配器，4-配重套筒固定孔，5-底座，6-缓冲壳，7-配重套筒，8-信号输入端，9-信号源，10-天线电阻检测系统，11-通道选择电路，12-检波电路，13-ad转换电路，14-单片机，15-信号发射电路，16-信号发射电路与终端设备的无线传输，17-移动终端设备，18-信号发射电路和排水装置的无线传输，19-水位传感器，20-水位传感器与排水装置的无线传输，21-排水装置。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
32.本实施例装置可以检测到事故油池中变压器油面的出现与油面厚度，选择小环天线作为检测天线，天线被固定在浮标外壳表面，浮标内置有天线电阻检测电路和信号发射电路，信号发射电路发出的检测信号被终端设备接收，终端设备对信号进行处理后反馈给监测人员事故油池油面状态以及变压器运行状态的信息。在利用该传感器进行变压器事故油池油面状态监测时，该传感器漂浮在事故油池中的水面上，当变压器故障漏油或变压器维修排油到事故油池中时，本实施例的传感器与水面的距离会随着油面而发生变化，可根据传感器所处位置的不同得到不同的天线电阻值，通过检测天线电阻得到事故油池中的油面状态。
33.本实施例是通过以下技术方案来实现的，基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器，包括浮标外壳1、铜质小环天线2、阻抗匹配器3、配重套筒固定孔4、底座5、缓冲壳6、配重套筒7、信号输入端8、信号源9、天线电阻检测电路10、通道选择电路11、检波电路12、ad转换电路13、单片机14、信号发射电路15、信号发射电路与终端设备的无线传输16、移动终端设备17、信号发射电路与排水装置的无线传输18、水位传感器19、水位传感器与排水装置的无线传输20和排水装置21。
34.本实施例传感器放置于变压器事故油池中监测事故油池油面状态。漂浮在事故油池里的水面上工作。
35.而且，检测天线是外表面有绝缘皮的铜质小环天线，防止小环天线受腐蚀。
36.如图1所示，基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器整体结构图，包括浮标外壳1、铜质小环天线2、阻抗匹配器3、配重套筒固定孔4、底座5、缓冲壳6和配重套筒7。缓冲壳6固定于底座5外表面，配重套筒7通过配重套筒固定孔4固定于浮标外壳1上，铜质小环天线2与阻抗匹配器3相连接固定于浮标外壳1表面。
37.将铜质小环天线2作为检测天线，和阻抗匹配器3一起固定在浮标外壳1表面，浮标外壳内置有和铜质小环天线2相连的天线电阻检测电路10以及信号发射电路15，信号发射电路15通过无线电将信号传递给移动终端设备17。
38.浮标外壳1采用asa(丙烯酸-丁二烯-丙烯烃)工程塑料，其具有优良的机械物理性能和抗腐蚀、抗老化性能。
39.配重套筒7用于调整传感器整体重量，调节铜质小环天线2的位置，使其在无油时刚好被水浸没。
40.缓冲壳6固定在浮标底座5外表面，防止传感器与事故油池内壁发生碰撞受损。
41.如图2所示，为基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中铜质小环天线与阻抗匹配器连接图，铜质小环天线2与阻抗匹配器3连接，阻抗匹配器3连接信号输入端8。阻抗匹配器3和铜质小环天线2相连，以消除天线电抗的影响。
42.如图3所示，为基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器中电路连接图，信号源9与天线电阻检测电路10连接，天线电阻检测电路10包括依次连接的通道选择电路11、检波电路12、ad转换电路13和单片机14，信号发射电路15与单片机14相连接。
43.信号源9内置于浮标中，采用95mhz-105mhz的电磁波作为信号输出。在该频率的电磁波下，天线电阻的测量范围较大、测量精度高以及整个电路系统比较稳定。
44.天线电阻检测电路10内置于浮标中，用于实时检测天线电阻的数值。
45.移动终端设备17发出油面出现的蜂鸣预警信号，实时显示事故油池中的油面厚度。
46.移动终端设备17中有天线电阻—油面厚度数学关系的程序，将测得的天线电阻输出为油面厚度，实现在线监测事故油池油面状态。
47.如图4所示，当事故油池中的水到达一定高度时，水位传感器19通过无线方式将水位信号传递给排水装置21，控制排水装置21的开关。
48.如图5所示，信号发射电路15内置于浮标中，将测得的天线电阻信号通过无线方式传给移动终端设备17。同时信号发射电路15将油面出现的信号通过无线传输18传送给排水装置21，控制排水装置21的开关。
49.本实施例基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器工作原理如下：通过检测铜质小环天线电阻的变化实现检测变压器事故油池油面出现和油面的厚度。其检测方法是基于天线电阻在不同介质中的较大差异以及天线与辐射界面距离的规律性变化表现出规律性变化的电阻，如图8所示。
50.天线的输入阻抗可分为实部和虚部za＝ra+jxa(1)，其中，ra表示天线的辐射电阻和欧姆热损耗；xa是输入电抗，表示天线近场储存功率。天线是电磁波辐射体，周围环境会折射或反射天线发出的电磁波，影响天线的输入阻抗。本实施例通过测量天线电阻来监测油面状态，研究天线所处不同的环境对天线电阻的影响。
51.铜质小环天线的初始位置刚好被水面浸没时，如图6所示。当出现油面时，小环天
线脱离水面进入油中，其位置满足公式h0＝0.9*h，其中h0为天线与水油界面的距离，h为油面厚度，如图7所示。
52.原理之一，检测油面的出现-天线电阻在不同介质中的差异；
53.天线电阻由两部分构成—欧姆热损耗和辐射电阻。可由公式和确定欧姆热损耗，即欧姆电阻。其中rw为欧姆电阻、rs为表面电阻、a为小环天线半径、b为导线半径、f为电磁波频率、u0为真空中的磁导率、σ为天线材料的电导率。当天线的规格确定以后，天线的欧姆电阻也就确定了。
54.而天线的辐射电阻受到所处介质的影响，在不同介质中的辐射电阻是有区别的。天线传感器监测变压器事故油池油面的出现或消失时，其处在水和变压器油两种介质之中。因此研究天线辐射电阻在水和油中的差异。
55.非导电介质(变压器油)中小环天线的辐射电阻为：其中u
油
为变压器油的磁导率，u
油
＝4π*10-7
h/m；v
油
为电磁波在变压器油中的传播速度，v
油
≈1.8*108m/s；a为小环天线半径。水中的辐射电阻为：其中u
水
为水的磁导率，u
水
＝4π*10-7
h/m；σ
水
＝5*10-2
s/m；a为小环天线的半径。
56.通过matlab可得到铜质小环天线在水和油中理论上的辐射电阻的区别，如图9所示。
57.从图中可以明显看出铜质小环天线的辐射电阻在水和变压器油中的巨大差异，并且该差异随着频率的升高而加大。利用这个特性并且合理地设置好铜质小环天线的规格和初始位置，可以检测到油面出现或油面消失时铜质小环天线电阻突变的信号，以此作为变压器事故油池中变压器油出现或者消失的依据。
58.原理之二，检测油层厚度—铜质小环天线与辐射边界距离的变化引起辐射电阻的变化。
59.除介质的影响外，水油界面对电磁波的反射也是影响天线辐射电阻的重要因素。根据感应电动势法、复镜像法和对偶原理，可通过求得磁偶极子的辐射电阻得到小环天线的辐射电阻。其公式为：
[0060][0061]
从而可以计算出辐射电阻随着铜质小环天线与水油界面距离的增加而减小，随着铜质小环天线与水油界面距离的减小而增加。铜质小环天线固定在浮标外壳上，其位置随着油面厚度的变化而变化。根据浮力定律和力的平衡关系，可以计算出油面厚度和天线相对水油界面距离之间的关系，物理模型如图10所示。
[0062][0063]
其中，m为传感器的重量；ρ
水
为水的密度，ρ
水
＝1g/cm3；ρ
油
为油的密度，ρ
油
＝0.9g/cm3；h为传感器整体高度；h1为油面厚度；h2为小环天线与油面的距离；s为传感器横截面积。
[0064]
因此，可以通过有限元仿真软件hfss建模仿真得到天线电阻随油面厚度变化的数据，经过origin数据拟合得出天线电阻—油面厚度的数学关系，如图11所示。
[0065]
数学关系为：
[0066]
r＝42.353-11.371x+1.893x
2-0.176x3+0.009x
4-3.448*10-4
x5[0067]
+7.563*10-6
x
6-1.014*10-7
x7+7.588*10-10
x
8-2.429*10-12
x9从而实现通过检测天线电阻的变化得到变压器事故油池中油面厚度的目的。
[0068]
实施1、基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器漂浮在事故油池中的水面上工作。
[0069]
当事故油池中没有变压器油时，传感器上的铜质小环天线2刚好被水面浸没，如图6所示。当变压器出现漏油故障时，变压器油会流入事故油池中，铜质小环天线2由于水油密度的不同脱离水面，浸没于油中，并且天线与水面的相对位置随着油面厚度的增加而加大，如图7所示。信号源9向天线提供95mhz-105mhz的电磁波，天线电阻检测电路10实时检测天线电阻的变化，通过信号发射电路15以无线方式16将电阻测量结果远程传递给移动终端设备17。移动终端设备17内部有计算天线电阻-油面厚度关系的程序，将接收到的电阻数据输出为油面厚度，如图8、图11所示。
[0070]
当变压器出现漏油故障时，事故油池中会出现油面，此时铜质小环天线2脱离水面，天线电阻会发生突变。天线电阻检测电路10检测到突变的电阻，信号发射电路15将突变信号通过无线传输方式16传给移动终端设备17，移动终端设备17会出现蜂鸣向工作人员预警变压器漏油事故的发生。同时，实时向工作人员显示油面厚度，因此可以预估变压器漏油事故的严重程度。工作人员可以在漏油事故发生的很短时间内到达，及时消除安全隐患，避免严重事故的发生。
[0071]
实施2.防止事故油池中油随水外排。
[0072]
基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器漂浮在事故油池中的水面上工作，水位传感器19控制排水装置21的开关，如图4所示；油面传感器通过信号发射电路15控制排水装置21的开关，如图5所示。图12为防止事故油池中油随水外排的工作流程图。
[0073]
当事故油池中的水位没有浸没水位传感器19时，不会向排水装置传输信号，排水装置21处于关闭状态，不会向外排水。
[0074]
当水位浸没水位传感器19后，油面状态监测传感器检测事故油池中是否有油。信号源9向天线提供95mhz-105mhz的电磁波，天线电阻检测电路10实时检测天线电阻的变化，通过信号发射电路15以无线方式16将电阻测量结果远程传递给移动终端设备17，信号发射电路15以无线方式18将油面出现时的突变信号传送给排水装置21。移动终端设备17内部有
计算天线电阻-油面厚度关系的程序，将接收到的电阻数据输出为油面厚度，如图8、图11所示。当事故油池中没有油面时，天线电阻检测电路10不会检测到电阻突变，信号发射电路15不会将突变信号传递给排水装置21，排水装置21处于开通状态，正常向外排水，直至水位不会浸没水位传感器19，水位传感器控制排水装置21关断，停止排水。当事故油池有油面时，天线电阻检测电路10检测到电阻变化，首先通过信号发射电路15将电阻突变信号通过无线方式18传递给排水装置21，排水装置21立刻关断，停止排水。同时信号发射电路15将测得的电阻信息通过无线方式16传递给终端设备17，向工作人员发出油面出现的预警信号和油面厚度。工作人员收到预警信号将事故油池中的油抽走后，信号发射电路将油面消失的突变信号通过无线方式18传递给排水装置21，排水装置开通，向外排水，直至水位没有浸没水位传感器19，水位传感器将水面消失的信号以无线方式20传递给排水装置21，排水装置关断，停止排水。
[0075]
实施3.检测事故油池中临时储存油的油面厚度。
[0076]
基于天线电阻的变压器事故油池油面监测传感器漂浮在事故油池中的水面上工作。当变压器油流入事故油池中时，铜质小环天线2由于水油密度的不同脱离水面，浸没于油中，并且天线与水面的相对位置随着油面厚度的增加而加大，如图7所示。信号源9向天线提供95mhz-105mhz的电磁波，天线电阻检测电路10实时检测天线电阻的变化，通过信号发射电路15以无线方式16将电阻测量结果远程传递给移动终端设备17。移动终端设备17内部有计算天线电阻-油面厚度关系的程序，将接收到的电阻数据输出为油面厚度，如图8、图11所示。
[0077]
当变压器需要检修保养时，需要将变压器油临时储存在事故油池中。铜质小环天线2会随着油面的变厚而上升，天线电阻在随油面厚度发生变化。天线电阻检测电路10检测到变化的电阻，信号发射电路15将电阻变化信号通过无线传输方式16传给终端设备17，终端设备会实时向工作人员显示油面厚度。工作人员可以利用油面厚度方便准确快速得到储存在事故油池中变压器油的体积。
[0078]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。