空心干式電抗器監(jiān)測技術研究

毛傳峰，崔志剛，王科，譚向宇

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司昆明供電局，昆明 650000；2.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

空心干式電抗器監(jiān)測技術研究

毛傳峰1，崔志剛2，王科2，譚向宇2

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司昆明供電局，昆明 650000；2.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

結合空心干抗故障頻發(fā)的實際情況，將監(jiān)測技術作為切入點，在傳統(tǒng)監(jiān)測技術的基礎上總結提煉出一種電氣量監(jiān)測技術和兩種溫度量監(jiān)測技術，以期利用上述監(jiān)測技術保障空心干抗安全穩(wěn)定運行。

空心干抗；監(jiān)測技術；股線分布電流

0 前言

空心干抗采用環(huán)氧樹脂絕緣，具有耐熱等級高、抗沖擊、造價低及安裝使用方便等特性，多年來在電力系統(tǒng)得到應用[1-2]。但近年來空心干抗運行期間發(fā)生故障甚至燒損的事件越來越多，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成威脅[3-4]。

目前對空心干抗的常規(guī)試驗和監(jiān)測項目主要為阻抗測量和紅外測溫，但空心干抗在故障前多無先兆，很難通過常規(guī)預試定檢發(fā)現(xiàn)[5-6]，因此，空心干抗需要穩(wěn)定、實時的監(jiān)測技術。

以下在常規(guī)監(jiān)測技術的基礎上提出一種電氣量監(jiān)測技術和兩種溫度量監(jiān)測技術。

1 研究背景

空心干抗繞組采用多層圓筒式同軸繞組并聯(lián)連接結構[7]。每層圓筒式繞組內徑和外徑兩側由環(huán)氧樹脂和玻璃纖維包封，稱為電抗器的一個包封[8]。每一包封由6至12根帶有股間 (也即匝間)絕緣的不同線規(guī)的鋁線堆疊繞制而成。包封之間用引撥棒固定隔離。調匝線圈用以調節(jié)不平衡電流，支臂用以支撐。

現(xiàn)場調查和解剖研究表明空心干抗故障率最高的是匝間絕緣缺陷造成的匝間 (股間)短路，此類故障發(fā)生時包封內單股或多股股線電流數(shù)據(jù)跳變最終導致電流達到保護動作值同時伴隨溫度急劇攀升直至燃燒。故障過程中，伴隨著電流量即發(fā)熱源和溫度量即熱量表征的急劇變化?；谝陨瞎收咸匦?，文中將電流量和溫度量作為監(jiān)測重點。

2 監(jiān)測技術研究

2.1 電流量監(jiān)測技術

結合空心干抗故障時包封內單股或多股電流數(shù)據(jù)跳變的情況，電流量監(jiān)測應作為監(jiān)測技術的重點。

過去電流量監(jiān)測只能監(jiān)測空心干抗總電流值，但空心干抗在故障初期階段往往不會引起總電流的變化[9]，因此，本文研制了基于監(jiān)測空心干抗單股或多股股線電流的股線分布電流監(jiān)測裝置。

在進行股線分布電流監(jiān)測裝置介紹之前，本文利用MATLAB內的simulink模塊進行了空心干抗電路故障的模擬仿真計算。

如圖1所示，將干式空心電抗器簡化成多股線并聯(lián)電路，以80支路為例進行了對應的仿真計算，為簡便計算僅以電阻進行計算，計算結果見下表1所示：

圖1 80支路仿真模擬圖

表1 仿真計算結果

從上表1可知，當某一支路阻抗下降百分比增加時，該支路的電流值和發(fā)熱量成指數(shù)倍增長，當某一支路電阻降低百分數(shù)達到90%時，該支路電流和發(fā)熱量將增加900%，發(fā)熱量I2R增加百分比趨勢圖如圖2所示：

圖2 發(fā)熱量I2R增加百分比變化趨勢圖

仿真結果和變化趨勢圖說明，某一支路電阻降低會造成該支路支路電流和發(fā)熱量的明顯攀升，當支路電流和發(fā)熱量達到一定臨界值時，空心干抗將發(fā)生故障甚至燃燒。

文中研制的股線分布電流監(jiān)測裝置由電流傳感器、通信模塊、無線接收終端、PC機構成。裝置的工作原理是利用特制的電流傳感器采集單股或多股股線電流并以固定變比轉換成小電流，通信模塊采集小電流編碼后以特定報文格式通過無線傳輸方式傳輸至無線接收終端，無線接收終端接收數(shù)據(jù)后通過RS485單片機轉換解碼，最終將實時數(shù)據(jù)采集至PC機上顯示，原理見圖3。

圖3 股線分布電流監(jiān)測裝置原理圖

在設計原理基礎上，考慮空心干抗的強磁、強電運行環(huán)境和經(jīng)濟因素，研制了簡易和全封閉兩套裝置，并在實驗室開展現(xiàn)場測試，將兩套裝置分別應用于試驗空心干抗的1～11包封層，簡易裝置與全封閉裝置測試數(shù)據(jù)顯示：

1)在空心干抗強磁、強電環(huán)境下，簡易裝置穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)跳變，部分通道無法正確測量包封內股線的實際電流。

2)在空心干抗強磁、強電環(huán)境下，全封閉裝置運行工況較好，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，但包封電流誤差最大也達到23.3%，需要進一步完善改進，但基本能夠反映包封內股線的實際電流值。

2.2 溫度量監(jiān)測技術

溫度量是空心干抗關鍵運行指標之一，溫度量監(jiān)測技術研究工作從傳統(tǒng)測溫技術、無線測溫技術和Bragg光纖光柵測溫技術三方面開展。

2.2.1 傳統(tǒng)測溫技術

針對空心干抗的傳統(tǒng)測溫技術主要指紅外測溫技術。

紅外測溫技術是基于紅外熱成像儀的一種成熟的監(jiān)測技術。運行中空心干抗產(chǎn)生熱量在表面不均勻分布，熱空氣沿氣道中對流循環(huán)向上，造成熱量的向上傳遞，因此包封絕緣的溫度由下向上也越來越高[10-11]，當空心干抗因為散熱不良或局部缺陷造成局部電流過大而導致局部溫度升高時，紅外熱成像儀能夠發(fā)現(xiàn)故障電抗器表面的溫度攀升.

但紅外測溫技術存在一定的局限性：一是紅外測溫必須依靠人員開展，基于空心干抗故障的突發(fā)性和無預兆性，紅外測溫很難在故障前進行有效判定；二是紅外測溫只能測量空心干抗的表面溫度，一旦空心干抗的內部包封首先發(fā)熱并故障，紅外測溫很難進行有效監(jiān)測。

2.2.2 無線測溫技術

空心干抗無線測溫技術的核心是在空心干抗包封風道內安裝熱偶溫度傳感器，由熱偶溫度傳感器測量風道溫度，并利用無線傳輸技術將數(shù)據(jù)傳輸至就地監(jiān)測單元，最終通過就地監(jiān)測單元將數(shù)據(jù)上傳至主機顯示包封風道溫度[12]。無線測溫法能夠反映空心干抗內部的溫度分布情況，從而防止干式電抗器發(fā)生由于過熱導致的局部放電、匝間短路、燒毀等故障。

通過對500 kV惠歷變35 kV#1-1L、#2-1L空心干抗無線測溫數(shù)據(jù)分析得出：一是空心干抗最高溫度出現(xiàn)在距離干抗頂部40 cm處附近；二是空心干抗最高溫度為122.3℃；三是空心干抗溫度大于或等于110℃即超過生產(chǎn)廠商提供的限定值的情況時有發(fā)生。

無線測溫技術相較于常規(guī)紅外測溫技術具有更高的靈敏度，能夠有效監(jiān)測電抗器內部風道的溫度，但是在運行中也存在一些問題；一是存在熱偶溫度傳感器脫落的情況；二是風道溫度與包封內溫度差值無法估算；三是采用無線傳輸?shù)姆绞娇赡艽嬖跀?shù)據(jù)失真的情況。

2.2.3 Bragg光纖光柵測溫

Bargg光纖是一種特殊結構的光子晶體光纖，具有高度的可靠性，由于其反射波長 (Bragg波長)會隨溫度應力的變化而發(fā)生 “波長位移”，因而被制成應力、溫度等本征傳感器埋入材料內部[13-14]。Bragg光纖光柵測溫技術正是基于Bargg光纖的良好性能，將Bargg光纖溫度、應力傳感器預埋到空心干抗各包封內，用以觀察空心干抗內部溫度及應力的變化。

Bargg光纖溫度、應力傳感器預埋位置見圖5所示：

圖5 Bargg光纖溫度

Bargg光纖溫度、應力傳感器預埋完畢后，在實驗室開展了Bragg光纖光柵測溫技術的現(xiàn)場應用測試：

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示：

1)在持續(xù)加壓的過程中，干式空心電抗器的包封層從外到里溫度逐次增加，在斷電以后，從里向外溫度的降低幅度逐漸增大；

2)預埋在包封內部的Bargg光纖溫度傳感器采集的溫度數(shù)值要高于置于風道的無線測溫技術采集的溫度數(shù)值；

3)Bragg光纖光柵測溫技術采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定、溫度曲線連續(xù)、變化趨勢明顯。

為了更好的衡量三種溫度量監(jiān)測方法，進行如下表2的特點對比：

表2 三種溫度量監(jiān)測方法特點對比

基于上表可知，以上三種溫度量監(jiān)測方式對于并聯(lián)電抗器故障的監(jiān)測和判斷均具有一定效果，在實際運用過程中提出以下兩點建議：

4)基于Bragg光纖光柵測溫技術必須在空心干抗出廠前預埋的特點，對于未采用無線測溫技術或Bragg光纖光柵測溫技術的已投產(chǎn)空心干抗，建議加裝無線測溫技術產(chǎn)品。

5)對于采用了無線測溫技術或Bragg光纖光柵測溫技術的空心干抗在判斷故障的過程中應結合紅外測溫相關數(shù)據(jù)，進行綜合判斷。

3 結束語

文中將空心干抗電流量 (發(fā)熱源)和溫度量(熱量表征)作為監(jiān)測重點，開展了對應的監(jiān)測技術研究工作。通過研制股線分布電流監(jiān)測裝置實現(xiàn)了電流量的監(jiān)測，分析了傳統(tǒng)測溫技術、無線測溫技術、Bragg光纖光柵測溫技術三種溫度量監(jiān)測技術，給出了溫度量監(jiān)測技術的特點對比及建議，并在監(jiān)測技術的基礎上開展了對應的仿真計算與實際現(xiàn)場測試。

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Research on Monitoring Technology for Air-core Dry-type Reactor

MAO Chuanfeng1，CUI Zhigang2，WANG Ke2，TAN Xiangyu2
(1.Kunming Electric Power Bureau，Yunnan Power Grid co.，Kunming 650000，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

Combined with the frequent failure of air-core dry-type reactor the real situation，the monitor technology as a starting point，summarized on the basis of the existing monitoring technology to produce new type electric parameters monitoring technologies and temperature monitoring technology，in order to use the above may monitoring technology to ensure the safe and stable operation of air core reactor.

air-core dry-type reactor；monitor technology；current distribution of ply yarn

TM76

B

1006-7345(2015)03-0052-04

2015-01-28

毛傳峰 (1987)，男，助理工程師，云南電網(wǎng)有限責任公司昆明供電局，從事變電運行工作 (e-mail)176256522＠qq.com。

崔志剛 (1964)，男，高級工程師，主要從事高壓試驗研究工作。

王科 (1982)，男，碩士，高級工程師，研究方向為配電一次設備的檢測，帶電和在線檢測技術應用 (e-mail)41872645＠qq.com。