毛傳峰，崔志剛，王科，譚向宇

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

空心干式電抗器監(jiān)測(cè)技術(shù)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(zé)任公司昆明供電局，昆明 650000；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

結(jié)合空心干抗故障頻發(fā)的實(shí)際情況，將監(jiān)測(cè)技術(shù)作為切入點(diǎn)，在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉出一種電氣量監(jiān)測(cè)技術(shù)和兩種溫度量監(jiān)測(cè)技術(shù)，以期利用上述監(jiān)測(cè)技術(shù)保障空心干抗安全穩(wěn)定運(yùn)行。

空心干抗；監(jiān)測(cè)技術(shù)；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(jí)高、抗沖擊、造價(jià)低及安裝使用方便等特性，多年來在電力系統(tǒng)得到應(yīng)用[1-2]。但近年來空心干抗運(yùn)行期間發(fā)生故障甚至燒損的事件越來越多，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅[3-4]。

目前對(duì)空心干抗的常規(guī)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為阻抗測(cè)量和紅外測(cè)溫，但空心干抗在故障前多無先兆，很難通過常規(guī)預(yù)試定檢發(fā)現(xiàn)[5-6]，因此，空心干抗需要穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

以下在常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種電氣量監(jiān)測(cè)技術(shù)和兩種溫度量監(jiān)測(cè)技術(shù)。

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(jié)構(gòu)[7]。每層圓筒式繞組內(nèi)徑和外徑兩側(cè)由環(huán)氧樹脂和玻璃纖維包封，稱為電抗器的一個(gè)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(diào)匝線圈用以調(diào)節(jié)不平衡電流，支臂用以支撐。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(shí)包封內(nèi)單股或多股股線電流數(shù)據(jù)跳變最終導(dǎo)致電流達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值同時(shí)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(cè)重點(diǎn)。

2 監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

2.1 電流量監(jiān)測(cè)技術(shù)

結(jié)合空心干抗故障時(shí)包封內(nèi)單股或多股電流數(shù)據(jù)跳變的情況，電流量監(jiān)測(cè)應(yīng)作為監(jiān)測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)。

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

在進(jìn)行股線分布電流監(jiān)測(cè)裝置介紹之前，本文利用MATLAB內(nèi)的simulink模塊進(jìn)行了空心干抗電路故障的模擬仿真計(jì)算。

如圖1所示，將干式空心電抗器簡(jiǎn)化成多股線并聯(lián)電路，以80支路為例進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的仿真計(jì)算，為簡(jiǎn)便計(jì)算僅以電阻進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見下表1所示：

圖1 80支路仿真模擬圖

表1 仿真計(jì)算結(jié)果

從上表1可知，當(dāng)某一支路阻抗下降百分比增加時(shí)，該支路的電流值和發(fā)熱量成指數(shù)倍增長(zhǎng)，當(dāng)某一支路電阻降低百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)，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(shì)圖如圖2所示：

圖2 發(fā)熱量I2R增加百分比變化趨勢(shì)圖

仿真結(jié)果和變化趨勢(shì)圖說明，某一支路電阻降低會(huì)造成該支路支路電流和發(fā)熱量的明顯攀升，當(dāng)支路電流和發(fā)熱量達(dá)到一定臨界值時(shí)，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(cè)裝置由電流傳感器、通信模塊、無線接收終端、PC機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)換成小電流，通信模塊采集小電流編碼后以特定報(bào)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(jī)轉(zhuǎn)換解碼，最終將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集至PC機(jī)上顯示，原理見圖3。

圖3 股線分布電流監(jiān)測(cè)裝置原理圖

在設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，考慮空心干抗的強(qiáng)磁、強(qiáng)電運(yùn)行環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素，研制了簡(jiǎn)易和全封閉兩套裝置，并在實(shí)驗(yàn)室開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將兩套裝置分別應(yīng)用于試驗(yàn)空心干抗的1～11包封層，簡(jiǎn)易裝置與全封閉裝置測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：

1)在空心干抗強(qiáng)磁、強(qiáng)電環(huán)境下，簡(jiǎn)易裝置穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)跳變，部分通道無法正確測(cè)量包封內(nèi)股線的實(shí)際電流。

2)在空心干抗強(qiáng)磁、強(qiáng)電環(huán)境下，全封閉裝置運(yùn)行工況較好，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，但包封電流誤差最大也達(dá)到23.3%，需要進(jìn)一步完善改進(jìn)，但基本能夠反映包封內(nèi)股線的實(shí)際電流值。

2.2 溫度量監(jiān)測(cè)技術(shù)

溫度量是空心干抗關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)之一，溫度量監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作從傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)、無線測(cè)溫技術(shù)和Bragg光纖光柵測(cè)溫技術(shù)三方面開展。

2.2.1 傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)

針對(duì)空心干抗的傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)主要指紅外測(cè)溫技術(shù)。

紅外測(cè)溫技術(shù)是基于紅外熱成像儀的一種成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)。運(yùn)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(duì)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(dāng)空心干抗因?yàn)樯岵涣蓟蚓植咳毕菰斐删植侩娏鬟^大而導(dǎo)致局部溫度升高時(shí)，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(cè)溫技術(shù)存在一定的局限性：一是紅外測(cè)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(yù)兆性，紅外測(cè)溫很難在故障前進(jìn)行有效判定；二是紅外測(cè)溫只能測(cè)量空心干抗的表面溫度，一旦空心干抗的內(nèi)部包封首先發(fā)熱并故障，紅外測(cè)溫很難進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

2.2.2 無線測(cè)溫技術(shù)

空心干抗無線測(cè)溫技術(shù)的核心是在空心干抗包封風(fēng)道內(nèi)安裝熱偶溫度傳感器，由熱偶溫度傳感器測(cè)量風(fēng)道溫度，并利用無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至就地監(jiān)測(cè)單元，最終通過就地監(jiān)測(cè)單元將數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)顯示包封風(fēng)道溫度[12]。無線測(cè)溫法能夠反映空心干抗內(nèi)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(dǎo)致的局部放電、匝間短路、燒毀等故障。

通過對(duì)500 kV惠歷變35 kV#1-1L、#2-1L空心干抗無線測(cè)溫?cái)?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(shí)有發(fā)生。

無線測(cè)溫技術(shù)相較于常規(guī)紅外測(cè)溫技術(shù)具有更高的靈敏度，能夠有效監(jiān)測(cè)電抗器內(nèi)部風(fēng)道的溫度，但是在運(yùn)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(fēng)道溫度與包封內(nèi)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(cè)溫

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

Bargg光纖溫度、應(yīng)力傳感器預(yù)埋位置見圖5所示：

圖5 Bargg光纖溫度

Bargg光纖溫度、應(yīng)力傳感器預(yù)埋完畢后，在實(shí)驗(yàn)室開展了Bragg光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試：

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(yù)埋在包封內(nèi)部的Bargg光纖溫度傳感器采集的溫度數(shù)值要高于置于風(fēng)道的無線測(cè)溫技術(shù)采集的溫度數(shù)值；

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

為了更好的衡量三種溫度量監(jiān)測(cè)方法，進(jìn)行如下表2的特點(diǎn)對(duì)比：

表2 三種溫度量監(jiān)測(cè)方法特點(diǎn)對(duì)比

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

4)基于Bragg光纖光柵測(cè)溫技術(shù)必須在空心干抗出廠前預(yù)埋的特點(diǎn)，對(duì)于未采用無線測(cè)溫技術(shù)或Bragg光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的已投產(chǎn)空心干抗，建議加裝無線測(cè)溫技術(shù)產(chǎn)品。

5)對(duì)于采用了無線測(cè)溫技術(shù)或Bragg光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的空心干抗在判斷故障的過程中應(yīng)結(jié)合紅外測(cè)溫相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合判斷。

3 結(jié)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(cè)重點(diǎn)，開展了對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作。通過研制股線分布電流監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了電流量的監(jiān)測(cè)，分析了傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)、無線測(cè)溫技術(shù)、Bragg光纖光柵測(cè)溫技術(shù)三種溫度量監(jiān)測(cè)技術(shù)，給出了溫度量監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比及建議，并在監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展了對(duì)應(yīng)的仿真計(jì)算與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(zé)任公司昆明供電局，從事變電運(yùn)行工作 (e-mail)176256522＠qq.com。

崔志剛 (1964)，男，高級(jí)工程師，主要從事高壓試驗(yàn)研究工作。

王科 (1982)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕潆娨淮卧O(shè)備的檢測(cè)，帶電和在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用 (e-mail)41872645＠qq.com。