裴運(yùn)軍，林良順，胡泰

（廣東電網(wǎng)公司江門供電局，廣東江門 529000）

一種改良型干式空心電抗器的無線測(cè)溫裝置設(shè)計(jì)

裴運(yùn)軍，林良順，胡泰

（廣東電網(wǎng)公司江門供電局，廣東江門 529000）

國(guó)內(nèi)某些地區(qū)，由于電源點(diǎn)密集，線路較長(zhǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)長(zhǎng)期處于無功過剩，電壓偏高的狀態(tài)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決該問題，電網(wǎng)中大量采用電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是根據(jù)多年的運(yùn)行情況來看，電抗器的故障和異常問題，最明顯的表征量就是溫度，如果能對(duì)電抗器包封內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，理論上可避免絕大部分故障。文中提出了一種改良型的無線測(cè)溫裝置的設(shè)計(jì)，該裝置安裝于電抗器封包內(nèi)，能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地反映電抗器的運(yùn)行狀態(tài)，方便運(yùn)維人員提前對(duì)電抗器故障進(jìn)行診斷和預(yù)防。

空心電抗器；無線測(cè)溫；封包

當(dāng)電力系統(tǒng)逐漸向超高壓、大電網(wǎng)、大容量的趨勢(shì)發(fā)展時(shí)，電力系統(tǒng)所供電能的可靠性問題越來越重要[1]，為了保障系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行，居民用電更可靠，電抗器的重要作用也逐漸凸顯出來[2]。因此，電抗器故障的診斷也有著重大的實(shí)際意義[3]。

在干式空心電抗器出廠時(shí)，目前的溫升試驗(yàn)方法不足以反映電抗器繞組的實(shí)際運(yùn)行溫升情況。因此找準(zhǔn)其封包溫度場(chǎng)的分布，分析確定關(guān)鍵發(fā)熱部位或者高溫范圍，對(duì)電抗器故障的診斷和預(yù)防至關(guān)重要[46]。最直觀和最全面的方式就是對(duì)各封包內(nèi)的運(yùn)行溫度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

由于電網(wǎng)環(huán)境不同，目前國(guó)外鮮有電抗器故障監(jiān)測(cè)的方式報(bào)道，國(guó)內(nèi)對(duì)電抗器的監(jiān)測(cè)尚處于起步階段，還沒有一種成熟監(jiān)測(cè)的方式。無線溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年新興技術(shù)：在幾百米范圍內(nèi)，由多個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)分散測(cè)量不同溫度點(diǎn)，統(tǒng)一集中接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行分析。無線測(cè)溫系統(tǒng)因安裝快捷，維修簡(jiǎn)單而在電網(wǎng)得到很多應(yīng)用，主要用于高壓開關(guān)柜、戶外電纜等設(shè)備上。從干式空心電抗器安裝條件上看，小巧的傳感器也非常適合分布在電抗器復(fù)雜的內(nèi)腔，這種安裝方式不會(huì)改變封包內(nèi)的安全特性，也能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)封包內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。但實(shí)際應(yīng)用情況并不理想，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)丟包率、誤碼率高，使用壽命短。原因如下。

1）電抗器封包內(nèi)的強(qiáng)磁環(huán)境：作為保護(hù)和調(diào)節(jié)，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，電抗器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常廣泛的，工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度的推薦標(biāo)準(zhǔn)值為0.1 mT（80 A/m），變電站內(nèi)投運(yùn)空心電抗器產(chǎn)生的磁場(chǎng)能到1 mT，空心電抗器內(nèi)部封包內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度極端狀態(tài)下能達(dá)到1 T，這種強(qiáng)度的磁場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備的干擾極大。電子設(shè)備硬件設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)磁下自身無法正常工作。同時(shí)由于磁飽和以及渦流損耗的疊加作用，電抗器封包內(nèi)的溫升會(huì)較高，這對(duì)干抗的絕緣材料和氣隙材料的老化是個(gè)巨大的考驗(yàn)。

2）封包內(nèi)的高壓環(huán)境：電抗器的上部與高壓進(jìn)線并聯(lián)，下部接地，當(dāng)應(yīng)用于35 kV電壓時(shí)，這35 kV直接分布于電抗器的整體，所以電抗器在設(shè)計(jì)時(shí)，絕緣性能是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。在電抗器的封包內(nèi)安裝設(shè)備時(shí)，繞制線圈的電勢(shì)差會(huì)直接作用于該設(shè)備兩端，如果該設(shè)備絕緣能力不夠的話，會(huì)直接導(dǎo)致該設(shè)備被擊穿。

3）電抗器噪聲：電抗器的噪聲是由于自身噪聲和冷卻器噪聲組成的一種連續(xù)噪聲。產(chǎn)品設(shè)計(jì)選擇的磁通密度越高，噪聲必然也就越大，高次諧波分量也就越多。噪聲的存在自然就導(dǎo)致了封包內(nèi)的振動(dòng)會(huì)很大，這對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝的可靠性和穩(wěn)定性將帶來很大的考驗(yàn)。

1 干式空心電抗器無線測(cè)溫裝置改進(jìn)

針對(duì)上述影響因素，無線傳感器從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，器件選型，硬件設(shè)計(jì)，軟件抗干擾等方面應(yīng)考慮適合于電抗器的使用環(huán)境。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到封包內(nèi)的狹小結(jié)構(gòu)以及電抗器工作時(shí)溫升較高的情況，無線測(cè)溫裝置安裝于封包內(nèi)時(shí)，不應(yīng)影響到封包的絕緣性能和風(fēng)道的散熱通風(fēng)。基于此兩個(gè)基本要素，裝置的本體應(yīng)以扁平小巧為主要原則，圖1為設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。考慮到安裝的便利性，裝置分兩部分：安裝托架和裝置本體。實(shí)際安裝時(shí)，由專用的安裝夾具將安裝支架先伸入到封包內(nèi)，采用特殊的固定膠進(jìn)行固定，然后直接將裝置本體插入到托架中，這樣既方便安裝，又方便以后設(shè)備的維護(hù)和更換。同時(shí)采用特殊尼龍殼體，抗老化，抗高溫，重量輕，能很好適應(yīng)封包內(nèi)高溫，噪聲大的環(huán)境。

圖1 托架和測(cè)溫傳感器裝置Fig.1 Bracket and temperature monitoring device

1.2 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)電抗器內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，硬件框圖如圖2所示，測(cè)溫裝置安裝到包封內(nèi)，通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線接收器，接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示后，將數(shù)據(jù)通過485接口或LAN接口發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 整體硬件框圖Fig.2 Overall hardware diagram

針對(duì)封包內(nèi)高壓，強(qiáng)磁的環(huán)境，硬件設(shè)計(jì)部分優(yōu)先考慮抗干擾的處理，相對(duì)于本裝置來講，整體采用電池供電，通過天線對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)外沒有線纜引出，因此抗干擾的處理集中于內(nèi)部。本無線溫度傳感器重點(diǎn)采用了隔離，屏蔽和消噪處理。

1.2.1 隔離

裝置本體的天線設(shè)計(jì)采用小型化陶瓷天線，天線后級(jí)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)增加了帶通濾波處理，將不屬于無線發(fā)送頻率的干擾信號(hào)直接隔離，本設(shè)計(jì)中直接采用了巴特沃斯濾波器，該濾波器的特點(diǎn)是通帶頻率響應(yīng)曲線最平滑，電路阻抗Zc=50 Ω，f=433 MHz的信號(hào)可通過。通帶最大衰減量Ap:1 dB，阻帶最小衰減量As:20 dB，通帶上下限截止頻率分別設(shè)置為fp2= 436 MHz，fp1=430 MHz；阻帶上下限截止頻率分別為fs2=450 MHz，fs1=410 MHz；進(jìn)行公式推算：

所以f0=433 M，Δfs=33.36 M，Δf=6 M

得巴特沃斯濾波器階數(shù)：

n≥0.5lg（（10As/10-1）/（10Ap/10-1））/lg（Δfs/Δf）= 1.733，得到濾波器階數(shù)為n=2。

根據(jù)以上計(jì)算，采用2階LC帶通濾波器進(jìn)行射頻信號(hào)的隔離，得到真正有用的射頻信號(hào)。

1.2.2 屏蔽

硬件中對(duì)干擾源敏感的電路部分，例如射頻接收電路，溫度探頭輸出的模擬信號(hào)等，增加地環(huán)線對(duì)其進(jìn)行隔離和屏蔽。這樣處理可使得干擾信號(hào)在最短路徑內(nèi)被地吸收，切斷了干擾源繼續(xù)傳輸?shù)胶蠹?jí)的干擾。在模擬的電抗器強(qiáng)磁干擾環(huán)境下，增加屏蔽措施前后的地網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)噪聲波形如圖3所示，可見屏蔽處理在這里面起著很關(guān)鍵的作用。

圖3 增加屏蔽措施前后的地網(wǎng)絡(luò)波形對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagram of ground network waveform before and after the shield reinforcement

1.2.3 消噪

當(dāng)電路的輸出狀態(tài)維持不變時(shí)允許加到輸入端的噪聲電壓最大值，成為電壓噪聲容限。噪聲容限越高，說明器件的抗干擾能力越強(qiáng)。CMOS電路的噪聲容限可達(dá)電源電壓的40%，而TTL電路大約只有電源電壓的16%。為此硬件設(shè)計(jì)中盡量采用CMOS電路來代替TTL，同時(shí)對(duì)信號(hào)線輸出以及電源輸出部分增加消噪電容，提升容限。

1.2.4 同頻干擾處理

一個(gè)電抗器內(nèi)部分布的測(cè)量點(diǎn)有可能達(dá)到幾百只，針對(duì)前端無線數(shù)據(jù)傳感器安裝數(shù)量眾多時(shí)存在的同頻干擾問題，采取發(fā)送前掃頻監(jiān)聽通信信道，如有相同頻點(diǎn)干擾信號(hào)自動(dòng)跳頻到相鄰信道的方式來進(jìn)行躲避，采用了防碰撞自動(dòng)規(guī)避算法，使得通信鏈路能保持穩(wěn)定可靠。

2 案例分析

為了驗(yàn)證方案的可行性，我們將改進(jìn)設(shè)計(jì)后的無線傳感器先后在電抗器生產(chǎn)廠家西安中揚(yáng)，以及南網(wǎng)35 kV干抗現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。

1）雷電沖擊試驗(yàn)：該試驗(yàn)在電抗器生產(chǎn)廠家西安中揚(yáng)電氣股份有限公司進(jìn)行，主要是為了驗(yàn)證裝置的抗高壓性能，試驗(yàn)環(huán)境：將4只傳感器安裝于35 kV干式電抗器的最外包，第一封包，第二封包內(nèi)，給電抗器分別施加117 kV半波，200 kV全波，265 kV全波和295 kV全波雷電沖擊電壓進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果：雷電沖擊電壓施加期間和試驗(yàn)結(jié)束后，傳感器工作正常。

有線測(cè)溫裝置由于帶有線纜，在線纜安裝于封包內(nèi)時(shí)，由于改變了線匝的安全間距，在該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)線纜絕緣層被擊穿的現(xiàn)象。

2）南網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)：該現(xiàn)場(chǎng)在南網(wǎng)某變電站進(jìn)行，在電感器第9，10包封外壁，第3，4包封內(nèi)壁上沿高度方向各安裝10個(gè)傳感器，安裝方位按星臂位置分散安裝，即俯視傳感器兩兩之間夾角為36°，因?yàn)檩S向上，氣流從底部進(jìn)入氣道后吸收包封散出的熱量，氣體溫度升高，在包封上部氣體溫度較高致使上部熱量散出較難，因此在上部布置較為密集。干抗高度分布圖見圖4，傳感器俯視分布圖見圖5。

無線測(cè)溫設(shè)備于2014年11月份在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，2015年4月底結(jié)束試驗(yàn)。通過6個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，整套裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通信正常，無誤報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象。其中6只裝置的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)直觀清晰。丟包率指標(biāo)得到了很大的提升。本實(shí)驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn)：組1為無線傳感器改進(jìn)設(shè)計(jì)前；組2為無線傳感器改進(jìn)設(shè)計(jì)后。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行接收靈敏度和誤碼率的測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

圖4 干抗高度分布圖Fig.4 Interference height distribution

圖5 傳感器俯視分布圖Fig.5 Sensor vertical view distribution

圖6 實(shí)際監(jiān)測(cè)波形Fig.6 Actual monitoring waveform

表1 測(cè)試對(duì)比表Tab.1 Table of test comparisons

改進(jìn)后的無線測(cè)溫裝置在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前的設(shè)備，完全滿足在現(xiàn)場(chǎng)干抗封包內(nèi)的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。

3 結(jié)語

本裝置的設(shè)計(jì)，可以很好地解決無線傳感器在電抗器內(nèi)測(cè)溫實(shí)用性的難題，能做到實(shí)時(shí)清晰地監(jiān)測(cè)電抗器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，方便電力運(yùn)維人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電抗器故障進(jìn)行分析和預(yù)警。也使無線測(cè)溫系統(tǒng)在電抗器的故障診斷上能更廣泛地應(yīng)用。

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（編輯 徐花榮）

Design of Wireless Temperature Measurement Device Based on an Improved Dry Type Air Core Reactor

PEI Yunjun，LIN Liangshun，HU Tai
（Jiangmen Power Supply Company，Guangzhou Grid Company，Jiangmen 529000，Guangdong，China）

Due to high density of power sources and long distances of transmission lines，operation of the power grid in some areas in China is often in the state of reactive power surplus and high voltage for a long time，causing serious impacts on the stable operation of the power system.To address this problem，the power grid uses a large number of reactors for reactive compensation to improve the stability of the system.According to many years of operation experience，the most obvious one is temperature rise.If it is workable to monitor the realtime temperature inside the reactor sealing，then most of faults and abnormalities can be avoided in theory.This article presents an improved design of wireless temperature measurement device，which is able to be installed inside the reactor sealing to monitor the real-time working condition inside the sealing and convenientforthe operation and maintenance personnel for early diagnosis and prevention of reactor faults.

air core reactor；wireless temperature measurement；sealing

科學(xué)技術(shù)部科技型中小企業(yè)科技創(chuàng)新基金（12C26 214204470）。

Project Supported by the SME Scientific Innovation Fund of the Ministry of Science and Technology（12C26214204470）.

1674-3814（2016）10-0079-04

TM472

A

2016-04-08。

裴運(yùn)軍（1981—），男，工程師，研究方向?yàn)樽冸姍z修試驗(yàn)管理；

林良順（1980—），男，工程師，研究方向?yàn)樽冸姍z修管理；

胡 泰（1981—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)管理。