基于分布式測溫單元的電力電抗器電容超溫防護研究

曹 良

（國網(wǎng)常州供電公司，江蘇常州 213000）

0 引言

在電力電容器組中設置串聯(lián)電抗器主要是為了限制合閘涌流和限制諧波［1］。理論上，變電站中采用在回路里串聯(lián)12%的電抗器構成3次及以上的諧波濾波器，12%電抗率是指串聯(lián)電抗器的感抗值為該回路電容器容抗值的12%。但在現(xiàn)場實際運行中，電抗值越大，電容器端電壓升高就越多，極易造成電容器過電壓，同時成本也相應增加，因此在運行現(xiàn)場一般應用4.5%～6%的電抗率，由此無法完全抑制高次諧波［2］。

諧波電流可導致電力電抗器長期承受過流，使其長期過熱，加速絕緣老化、絕緣擊穿、鐵心電抗器飽和，縮短設備使用壽命［3］。目前電抗器測溫技術主要利用紅外測溫及分布式光纖測溫，但紅外測溫只能測試電抗器表層溫度且無法實現(xiàn)在線測溫［4-5］，分布式光纖測溫則對環(huán)境要求較高、難以布置，而且兩者均成本較高，未獲推廣。紐扣式測溫儀目前在倉儲管理中應用較多，未見其在電力系統(tǒng)中的相關應用。

本文研究了分布式、微型化、抗干擾的測溫單元的實現(xiàn)原理，最終設計出基于分布式測溫單元的電抗器超溫保護裝置，從而有效降低了電力電抗器的故障率，延長其使用壽命。

1 過熱故障機理及分布式測溫單元實現(xiàn)原理

電網(wǎng)中大量非線性設備的投入使用產生的大量諧波對電容器組的影響巨大。用來抑制電容器諧波的串聯(lián)電抗器的電抗率由于背景諧波的變化，無法完全抑制回路中的諧波，反而造成諧波放大，如：與電網(wǎng)中的電感結合，可能對某一諧波頻率構成并聯(lián)諧振，使諧波被嚴重放大，形成諧波過電壓；對某一諧波頻率構成的串聯(lián)諧振電路，會導致電容器諧波電流過載，進而使得串聯(lián)電抗器溫升嚴重。

電抗器長期處于高溫運行時，會造成匝間絕緣膠的性能惡化，引發(fā)絕緣薄弱處匝間短路，短路線圈短路形成短路環(huán)，故障時短路環(huán)產生了較大的渦流電流，短路點發(fā)熱最嚴重，短路環(huán)發(fā)熱后的高溫逐步損壞其兩側的線圈絕緣，使短路環(huán)不斷擴大，加劇溫升效應，最終形成貫穿性放電，損壞電抗器［6］。

1.1 測溫裝置的微型化

電抗器測溫裝置使用紐扣電池供電，電抗器測溫裝置使用芯片天線實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，電抗器測溫裝置使用“一線器件”體積更小、適用電壓更寬的數(shù)字溫度傳感器，溫度測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內，精度為±0.5℃；以上設計保證裝置的微型化，裝置結構如圖1所示。

圖1 紐扣式測溫裝置結構

1.2 測溫裝置的分布式、低功耗優(yōu)化

電抗器測溫裝置直接吸附在電抗器的各個位置，實現(xiàn)分布式溫度測量。為了降低裝置功耗，進行了相應的低功耗處理，即CPU休眠并定時自喚醒，自動通過無線傳輸單元與其他同類裝置進行時鐘同步后進行自組網(wǎng)，組成無線MESH網(wǎng)絡，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的錯時無線發(fā)送，能夠避免裝置數(shù)據(jù)通信沖突紊亂，保證溫度數(shù)據(jù)多點對一點的無線數(shù)據(jù)傳輸。電抗器超溫保護的邏輯如圖2所示。

圖2 電抗器超溫保護邏輯

圖3 電抗器超溫保護典型配置

1.3 強工頻磁場環(huán)境下的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_優(yōu)化

在強工頻磁場環(huán)境下，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枰紤]抗干擾處理，因此，電抗器測溫裝置使用軟件對無線信號進行軟濾波，按照時間、頻率、幅度三維數(shù)學模型計算脈沖壓縮的系統(tǒng)失真補償信號對無線信號進行修正。軟件將CPU定時器清零，在波形的零點交叉開始進行計時，使用AD采樣對無線信號的輸入幅值進行高速連續(xù)采樣，并將采樣值在數(shù)組中，為了避免時間漂移，減去兩個與當前采樣值等距離的采樣值，即從當前采樣值之后的第N次采樣值中減去當前采樣值之前的第N次采樣值，然后通過以下公式計算出頻率值：

其中，ΔT是采樣間隔，為采樣速率的倒數(shù)。

如果計算出的頻率與無線信號的載波頻率誤差在5%之內，CPU將IQ檢波器的值與IF信號相乘，得到結果后通過求其余弦得到實數(shù)部分，通過求其正弦得到虛數(shù)部分，在乘法運算后面采用一個濾波器將其轉換為卷積，并消除寄生頻率分量實現(xiàn)濾波的目的，然后讓無線信號流過一個幅值斜率與頻率呈近似線性關系的器件，使得頻率的變化轉變成幅值的變化，帶通或低通濾波器的部分截止區(qū)就是有效無線的信號，以此方法保證在無線信號基本被淹沒的情況下能進行正確解碼，提高本產品無線接收靈敏度，保證強磁場環(huán)境中無線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院驼_性。

2 電抗器超溫保護裝置的實現(xiàn)及驗證

針對電抗器長期過熱而產生的問題，本文設計了電抗器超溫保護裝置，電抗器超溫保護裝置通過測溫模塊實時采集電抗器溫度，實時監(jiān)測電抗器最高溫度，通過電容器諧波保護裝置中可視化組態(tài)軟件搭建電抗器超溫保護邏輯，其典型配置如圖3所示。該系統(tǒng)典型配置由W71A-3測溫模塊、WK-1電抗器測溫監(jiān)測保護終端、電容器和電抗器諧波及超溫保護裝置、自設計電抗器風冷系統(tǒng)四部分組成。各模塊的功能及特點如下。

測溫模塊：涉及一種吸附在電力電抗器的內壁或外壁實現(xiàn)電抗器運行溫度實時監(jiān)測并具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的微型溫度測量監(jiān)測裝置，如圖4所示。測溫模塊微型化、低功耗，能定時自喚醒采集數(shù)字溫度傳感器測量點的溫度數(shù)值；能自動通過無線傳輸單元與其他同類裝置進行時鐘同步。

圖4 測溫模塊

超溫保護模塊：以電容器諧波保護裝置中硬件部分為核心，由可視化組態(tài)軟件搭建電抗器超溫保護邏輯，實現(xiàn)電抗器溫度的有效監(jiān)視，出口啟動風冷或跳閘。

電抗器風冷模塊：結合電抗器參數(shù)特點典型設計的風冷系統(tǒng)，有效實現(xiàn)電抗器的各層全方位智能冷卻，如圖5所示。

圖5 電抗器風冷系統(tǒng)

WK-1電抗器測溫監(jiān)測保護終端安裝圖如圖6所示，實現(xiàn)了溫度的無線數(shù)據(jù)接受，儲存、錄波、超溫啟動風冷等功能。

圖6 WK-1電抗器測溫監(jiān)測保護終端安裝圖

電抗器測溫裝置吸附在電抗器各個位置，實現(xiàn)分布式測溫及溫度數(shù)據(jù)多點對一點的無線傳輸；經軟件修正無線數(shù)據(jù)抗干擾能力強，可靠性及正確性高。電抗器諧波超溫保護裝置則實現(xiàn)了溫度實時監(jiān)測，超溫判別及保護控制功能。整套裝置的通信拓撲結構如圖7所示。

無線通信模塊安裝如圖8所示（白色管道為電抗器風冷系統(tǒng)的組成部分）。

3 結語

本文研制了基于W71A-3紐扣式測溫裝置和WK-1溫度監(jiān)測保護終端的電抗器超溫防護裝置，已成功安裝于常州市呂墅變電站，現(xiàn)場安裝和調試結果良好，證明了所開發(fā)裝置運行穩(wěn)定，各項性能指標達到了預期效果，實現(xiàn)了在電網(wǎng)中推廣使用的目標。得到以下結論：

（1）實現(xiàn)了電抗器溫度的多點對一點精確采樣以及溫度數(shù)據(jù)的智能化識別、定位、追蹤，實現(xiàn)了電抗器溫度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、預警、風冷，有效地延長了電抗器使用壽命，為電抗器故障處理、狀態(tài)檢修提供了技術保障。

（2）提出了測溫裝置的微型化，分布式和低功耗優(yōu)化以及強磁場環(huán)境下的無線數(shù)據(jù)傳輸抗干擾等超溫保護關鍵技術和解決方案，為系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行提供技術保障。

圖7 電抗器超溫保護通信拓撲結構

圖8 無線通信模塊安裝圖