基于输出容量与发热量关系的磁控电抗器智能温度控制系统

张近胜，覃剑永，覃江英，袁 剑，朱添安

（1．广西电网公司河池供电局，广西 河池547000；2．武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072）

0 引 言

磁控电抗器是一种基于铁芯磁饱和工作原理的电气设备，通常情况下通过并联的方式接在电网中。承受电网电压的磁控电抗器可平滑改变阻抗从而达到补偿和控制的目的。

磁控电抗器外观上和变压器类似，都有风冷散热的温度控制系统。变压器［1］的励磁电流为空载电流，相对较小，而磁控电抗器运行时的电流与励磁电流约为无功电流，容量越大励磁电流越大，相应的磁滞损耗和附加损耗等问题加剧，从而造成较大的发热。

磁控电抗器的温度控制方法与变压器相似，均是强迫油循环风冷散热。传统的油浸式变压器的温度控制系统［2，3］是以接触器为主的简单逻辑控制回路，仅通过温度传感器测量油表面温度的情况来决定风扇的投运。磁控电抗器的结构和工作方式与变压器不同，采用传统散热控制方法的有效性和经济性有待观察和研究，风扇控制方法不恰当可能会导致设备部分过热。

针对电力系统中油浸式磁控电抗器的温度监测和控制，文中提出了一种基于输出容量与发热量关系的磁控电抗器智能温度控制装置。根据输出容量的变动来控制风机的启停和调速，对风机运行进行优化控制。在此基础上给出了控制装置的内部结构设计以及控制思路，分析了实际运行的效果。

1 磁控电抗器温升特性分析

热量多为有功损耗引起，并导致温度的升高，在电力变压器中，损耗主要产生于铁芯和绕组。绕组上的有功损耗称为铜损，它随负载而变化；励磁所造成的铁芯损耗与负载的变化无关。铁芯损耗由两部分组成：磁滞损耗和涡流损耗；前者在工频交流电中取决于磁滞回线面积；后者相同的情况下取决于材料的厚度。磁控电抗器和变压器结构类似，但在具体构造和运行方式上却有不同之处。由于铁芯结构的特殊性，当工作在大容量输出状态时，其铁芯中的损耗因励磁曲线的变化发生了显著的增加，磁控电抗器中绝缘材料的温度随之升高，进而影响其使用寿命。磁控电抗器中绝缘材料在高温下的老化速度相对常温时发生成倍的增长。设置98℃的老化速度为绝缘材料参考值，其它温度下的相对老化速度与之相比温度越高老化速度增长越快。所以有效的散热可以降低磁控电抗器的温度进而延长其使用寿命，从而提高了设备运行的安全可靠性。

传统磁控电抗器的温度控制机构是采用以传感器和接触器为主的分散元件进行逻辑搭接形成的控制回路，以实现当固定测量点的温度高于设定温度时，相应投入或退出冷却风扇。其成本较小、控制简易，但也具有判断和控制方法单一且接线复杂等问题。磁控电抗器由于工作时电流主要经过励磁支路且该支路承受着电网的额定电压，又因为其输出容量按照补偿的需求不断地调整变动，工作状态变化较大较快，由此导致工作时发热量变化大。在这样的情况下，传统风扇控制方式下具体散热的有效性还有待进一步探讨，有必要对风扇控制方式进行研究和改进。

为了改进磁控电抗器的散热，需要针对绕组等热点进行温度估计来研究磁控电抗器绕组发热的情况。参考变压器处理方法［4，5］，热模拟法间接测量最热点温度被广泛采用，其原理为：利用一个电热元件，当流经该元件的加热电流I所产生的附加温升I2R与△Two相等，即附加温升I2R在数值上完全等同于绕组与变压器油温差△Two时，通过将△Two与顶部油温To相迭加即可间接推算出主变压器绕组最热温度Tw，该方法同样也适用于磁控电抗器。

根据上述实验方法对磁控电抗器进行温度模拟试验，实测结果表明当磁控电抗器处于输出容量的75%以内变化时，仅引入风机的传统控制方法不会发生绕组和铁芯的热点过热现象；而输出容量大于75%时，如果风扇的投入没有及时跟上容量的突然变大就会发生局部过热。针对这样的情况，在基于测量油温的传统变压器风扇控制基础上，引入基于电抗器的输出容量下的风扇智能控制机制，根据测量工作时的电流来及时投切对应的风扇，用这样的方法可以有效地避免磁控电抗器热点过热的问题。

利用对磁控电抗器输出容量的检测来实时控制温度不仅具有计算准确响应快速的优点，而且是改造传统风扇控制系统较为经济有效的手段，在原有监测系统基础上引入输出容量的计算与控制即可达到目的。

2 电抗器散热智能控制及温度保护

对某变电站中实际运行的磁控电抗器的风冷控制系统进行了设计、安装与测试，该系统根据负荷变化动态投切风机，在保证磁控电抗器正常工作的前提下，减少了风机的能耗，提高风机的使用寿命。DL／T572－1995《电力变压器运行规程》国家标准规定的油浸式变压器在连续额定容量下变压器温升限值如表1所示。以变压器作为参考，在进行磁控电抗器的温度控制时，结合国标和实际运行测试制定了相关的参数。

表1 油浸式电力变压器在连续额定容量下的温升限值

该油浸式可控电抗器智能温度控制装置由以下几个部分组成：可控电抗器容量检测单元、温度检测单元、控制单元、显示单元和风机；检测单元、控制单元和输出显示单元按顺序排布依次相联。风扇分为“运行”、“辅助”和“备用”三组，每一个风扇只能从属于其中的一组。在该装置中，以传感器为主要组成的可控电抗器容量检测单元和温度检测单元将测量的信号输入给以可编程逻辑控制器为主要组成的控制单元，控制单元根据预先编写好的控制程序将控制信号传输给风扇和状态数据显示单元，完成整个控制过程。

风机的启动和停止的逻辑控制原理如图1所示。当传感器检测到负荷容量为建议用额定容量的33%以下时，只保持 “运行”组的风扇运转；当负荷容量为额定容量的33%～66%时，投入“辅助”组风扇；当该比例为66%以上时，“备用”组的风扇也投入运行；为了避免负荷变化引起风机不停的投切，风机的控制滞后于监测到负荷容量的变化1 min。另外，作为容量监测控制的补充，对温度的测量值进行了监测、判断和干预控制；只有“运行”组风扇投入时，当油面温度高于55℃时或绕组温度达到78℃以上投入“辅助”组风扇，当两组风扇投入5 min后油温和绕组温度仍未低于限值以下时“备用”组风扇投入；当有“运行”和“辅助”两组风扇投入运行时，如果油面温度和绕组温度超过55℃和78℃的限值则“备用”组风扇投入。

图1 智能温度控制流程图

同时，针对风扇需要故障处理机制，当运行中有任何一组风扇发生故障时，如热继电器动作、断路器动作等，处于备用状态的风扇将投入运行，且送出“风扇运转故障”信号。经常空闲的“备用”和“辅助”组风扇会自动定时投运，以防止长期不用导致损坏。风扇实行轮换控制运行：经过长时间的运行后原先编组为“运行”的风扇换位编组为“辅助”或“备用”，而把原先闲置的某组编组为“运行”。风机的运行均使用电机软启动技术和根据温度的调速。

3 试验结果

智能温度控制系统针对不同电流下磁控电抗器的绕组和油面温度进行了测量。先在零输出容量下记录稳定时的温度值；再升高输出容量到下一测量值，等待2 h至温度变化完全稳定后测量；如此按照顺序依次测量至满容量，共得到7组数据。整理测量结果并绘制出磁控电抗器一定输出容量长期工作时温度传感器和工作电流关系的曲线。由实测试验结果可以看出：该控制系统较好地控制了磁控电抗器在各种运行情况下的温升。

4 结束语

本文在保障安全运行的前提下，将油浸式磁控电抗器运行中产生的能耗与采取的冷却方式综合考虑，提出了一种基于输出容量与发热量关系的温度控制方法，该方法能够在温度控制中起到有力的补充和保障作用，使得磁控电抗器运行时的温度符合长期运行要求。从已在某变电站中运行的控制装置的情况来看，本文的控制方法达到了预期效果。

［1］ 马 丁，J希思特科．变压器实用技术大全［M］．北京：机械工业出版社，2004．

［2］ 周 淼．主变压器温度控制与改进［J］．科技向导，2012，（3）：339－340．