（东莞供电局变电管理一所 东莞 523000）
摘要：瓦斯继电器是变电站里必不可少的一种保护装置，对设备和电力系统的安全运行起着至关重要的作用。然而变压器油是透明无色的，瓦斯继电器内油与气体的接触面并不是很明显，运行人员在巡视的过程中很难通过观察窗查看油位进而去判断气体含量以及主变运行工况是否正常。本文基于折射原理，利用空气与油的不同折射率，给出了一种可用于对比形式的油位观察指示装置，让巡视人员能够准确便捷判断出瓦斯继电器内的油位。
关键词：变压器 瓦斯继电器折射 油位
0 引言
目前瓦斯继电器是变电站里必不可少的一种保护装置，位于变压器的油枕和油箱之间的管道内，利用变压器内故障时产生的油流和气流推动继电器动作，分轻瓦斯保护和重瓦斯保护，前者用于告警，后者用于跳开变压器，它对电力系统和设备的安全运行起着至关重要的作用。通常运行人员在巡视的过程中通过瓦斯继电器的观察窗查看油位进而判断气体含量以及主变运行工况是否正常。然而变压器油是透明无色的，油与气体的接触面并不是很明显，当人员站在地面观察时，很难分辨出瓦斯继电器内是否完全充油或者油不足等情况；其次长时间运行的变压器油受到热氧化后会有一定的吸附能力，内部的触点会发生粘死现象。当主变运行异常或油渗漏造成瓦斯继电器内油面下降时，浮子不会下落，相应的用于报警和跳闸的开关接点也不会动作，瓦斯继电器会失去对变压器的保护，这会给运行人员带来误判。
因此，为了能够让巡视人员准确便捷判断出瓦斯继电器内的油位，本发明基于折射原理，在玻璃观察窗表面以及靠近观察窗一定距离的挡板内分别设置一个基准斜线，当瓦斯继电器无油时，人员站在指定巡视地点观察两条斜线时刚好重合；而当瓦斯继电器充满油时，由于油与空气的折射率不同，人员观察到的内斜线会发生折射偏移现象，内外两条斜线无法重合。利用这两种情况之间的差异可迅速判断瓦斯继电器中的油位情况。
1 装置简介
本文所要解决的技术问题，就是提供一种主变瓦斯继电器油位指示装置。利用空气与油的不同折射率，给出可用于对比形式的观察窗，让巡视人员准确便捷判断出瓦斯继电器内的油位。
一种主变瓦斯继电器油位指示装置，如图1所示，其特征是：
a）装置构造简单，便于安装。组成指示装置的挡板为玻璃透明材质，不影响人员观察，并且可以方便粘于观察窗内部；
b）内部挡板上的横条和玻璃窗表面的基准线均有颜色，便于对比分析；
c）可有效区分瓦斯继电器内充满油和严重缺油两种情况，解决因变压器油透明无色而看不到油面的问题；
d）能够根据不同电压等级瓦斯继电器制作相应尺寸的指示装置；
e）能够适应不同身高的巡视人员进行观察。
该主变瓦斯继电器油位指示装置主要由5块挡板、红色横条、蓝色横条构成。5块挡板与玻璃观察窗组成一个长方体的6个面，在玻璃窗对面挡板的斜对角线上固定红色横条，并在观察窗表面设置蓝色横条，两者位置存在一定的对应关系（见后面原理分析），巡视人员确定观察地点后通过对比分析不同油位时两条斜线之间的位置关系来判别油位。
如图1所示，左图为德国EMB公司02 (AF 25/6) 型号的法兰盘连接单浮子瓦斯继电器正视图，图中1为瓦斯继电器观察窗；右图为本文研制的主变瓦斯继电器油位指示装置三维示意图（以圆形玻璃观察窗为正前面）。
图1
1、玻璃观察窗；2、挡板；3、红色横条；4、蓝色横条；5、通油圆孔；
2、挡板：上下挡板的长度d1为玻璃观察窗的直径D，宽度为d2，其中上下左右四块挡板均有通油圆孔（图中未全画），保持指示装置内部与外部油的连通，并减少油流过程中对侧面挡板的冲击力。
3、红色横条：固定在后挡板的斜对角线上。利用横条发出的光线在油与空气的交界面发生折射现象判断油位。
4、蓝色横条：提供基准线，巡视人员通过对比观察到的红色斜线与蓝色斜线的位置判断油位情况。
2 原理介绍
下面结合图2所示的侧视图分3种情况进行原理说明。图2中1表示瓦斯继电器内的油或者气体；2表示内挡板界面；3表示玻璃观察窗分界面； 4表示巡视人员的眼睛，距离地面的高度为h1，人眼向上观察的角度为θ，可设定为45°；5为外界空气；内挡板界面离观察窗的距离为d2,S0为内挡板上红色横条的任一点。
图2
2.1 瓦斯继电器内无油
情况1：1为空气，即瓦斯继电器观察窗区域无油，S0发出的光线直接进入人眼，人眼与S0组成的直线与玻璃观察窗的交点为S1，所有的S0组成红色横条，所有的S1即组成玻璃观察窗表面设置的蓝色斜线。观察窗无油时，人员在指定观察地点只能看到蓝色斜线，里面的红色横条被蓝线挡住，巡视人员观察到的立体图见图3。
图3
2.2 瓦斯继电器内充满油
瓦斯继电器观察窗区域充满油，S0发出的光线从油进入空气时会发生折射而偏离法线（忽略玻璃厚度对折射的影响）。由折射定律有变压器油的折射率：
油的折射率大于1，则折射角i2大于入射角i1。折射线会向下偏，其反向延长线交点S2为S0的虚象，人看到的虚象S2较原点S0更靠近观察窗。人眼与象S2两点之间的直线与玻璃观察窗的交点为S3，由图2可知，S3在S1的上面，所以当瓦斯继电器内充满油时，巡视人员会看到蓝色和红色两条斜线，详见图4。图中红色横条3在蓝色斜线4的上方。
图4 图5
2.3 瓦斯继电器内只有部分油
当瓦斯继电器内只有部分油，油面位于瓦斯继电器观察窗内，油面上方横条发出的光线直接进入人眼，而油面下方横条发出的光线经油到空气发生折射后进入人眼。如图5所示，人员会看到上方红色横条与蓝色斜线重合，下方红色横条3会向上偏移，发生折断的地方5即为油面位置，图中6为瓦斯继电器内实际油面。由于发生折断现象时会较前两种情况更明显，所以当瓦斯继电器内少油时比较容易观察到。
3 红色横条宽度d0的确定
考虑到人眼对光的分辨能力约为1角分（1米处能够看到的点距极限约为0.291mm），宽度低于1角分的物体会和背景融在一起而看不到。
计算方法如下：
1度=2π/360弧度
1角分=1/60度=0.000291弧度
1米处能够看到的最小点距（约等于弧长）：
∆d0=弧度*半径=0.000291*1000mm=0.291(mm)
所以L米处能够看到的最小点距：
∆d=L*∆d0=0.291L（mm）
设瓦斯继电器离地面高度为h米，人以θ角（取45度）观察瓦斯继电器，人眼与瓦斯继电器的距离
则红色横条的最小宽度：
dmin=L*∆d0=h/sinθ*0.291(mm)= sinθ*0.291(mm)=0.412h(mm)
保留20%裕度，红色横条的宽度可取为：
d0=（1+20%）dmin=1.2*0.412h=0.4944h(mm)
图6
4 红色横条与玻璃观察窗之间距离d2的确定
由于本发明装置是利用折射原理，若红色横条与玻璃观察窗之间距离d2比较小，折射效果会不明显，图2中的点S3和S1会重合，无法区分瓦斯继电器是否有油，故d2不能太小。考虑到瓦斯继电器本身装置的大小远小于其离地面的高度h，可假定图2中的虚像S2与S0在同一分界面上，宽度均为d0，如图6所示。
由于巡视人员身高之间的差异，人眼与地面的高度不一样，当以θ角确定蓝色斜线与红色横条之间的位置关系后，不同身高的人站在同一地点观察到的蓝色斜线与红色横条之间的位置关系会不同。为了能够适应不同人员的观察需求，将蓝色斜线和红色横条延长，如图7左所示，4为玻璃窗表面蓝色斜线的延长部分，3为内板红色横条的延长部分。巡视人员只需在瓦斯继电器正下方的水平线上前后移动即可确定油位观察地点。如图7右所示，当人眼距离地面高度为h2（大于h1）时，人正面朝向瓦斯继电器向前移动一定距离后观察到的S1和S0会在同一直线上，此时观察到的两条延长斜线会重合，则该巡视人员所站位置即为瓦斯继电器油位的正确观察地点。
图7
综合以上分析知，巡视人员首先根据蓝色斜线与红色横条的延长部分确定正确观察地点，然后对比观察窗内两条基准线的位置即可判断瓦斯继电器内的油位。当只看到一条蓝线时表明瓦斯继电器严重缺油；当看到两条平行线时表明瓦斯继电器内油充足；当看到的红色斜线发生折断现象时表明油面处于观察窗内。由于正常情况下变压器油是充满整个瓦斯继电器的，所以当只看到一条蓝色斜线或红色斜线发生折断时，说明主变运行异常，需立即采取相应措施。
6 小结
本文利用空气与油的不同折射率，给出了一种对比形式的观察窗，能够让巡视人员准确便捷判断出瓦斯继电器内的油位。
作者简介：
1）赵双 1989年 男 硕士研究生 高级工，从事变电运行工作。
2）研究方向：变电运行安全技术
职创项目：一种折射比较式电力系统瓦斯继电器油位指示装置，项目编号：031900KK52180005
论文作者:赵双
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
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