空心干式电抗器监测技术研究

毛传峰，崔志刚，王科，谭向宇

(1.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650000；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

空心干式电抗器监测技术研究

毛传峰1，崔志刚2，王科2，谭向宇2

(1.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650000；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

结合空心干抗故障频发的实际情况，将监测技术作为切入点，在传统监测技术的基础上总结提炼出一种电气量监测技术和两种温度量监测技术，以期利用上述监测技术保障空心干抗安全稳定运行。

空心干抗；监测技术；股线分布电流

0 前言

空心干抗采用环氧树脂绝缘，具有耐热等级高、抗冲击、造价低及安装使用方便等特性，多年来在电力系统得到应用[1-2]。但近年来空心干抗运行期间发生故障甚至烧损的事件越来越多，对电网安全稳定运行造成威胁[3-4]。

目前对空心干抗的常规试验和监测项目主要为阻抗测量和红外测温，但空心干抗在故障前多无先兆，很难通过常规预试定检发现[5-6]，因此，空心干抗需要稳定、实时的监测技术。

以下在常规监测技术的基础上提出一种电气量监测技术和两种温度量监测技术。

1 研究背景

空心干抗绕组采用多层圆筒式同轴绕组并联连接结构[7]。每层圆筒式绕组内径和外径两侧由环氧树脂和玻璃纤维包封，称为电抗器的一个包封[8]。每一包封由6至12根带有股间 (也即匝间)绝缘的不同线规的铝线堆叠绕制而成。包封之间用引拨棒固定隔离。调匝线圈用以调节不平衡电流，支臂用以支撑。

现场调查和解剖研究表明空心干抗故障率最高的是匝间绝缘缺陷造成的匝间 (股间)短路，此类故障发生时包封内单股或多股股线电流数据跳变最终导致电流达到保护动作值同时伴随温度急剧攀升直至燃烧。故障过程中，伴随着电流量即发热源和温度量即热量表征的急剧变化。基于以上故障特性，文中将电流量和温度量作为监测重点。

2 监测技术研究

2.1 电流量监测技术

结合空心干抗故障时包封内单股或多股电流数据跳变的情况，电流量监测应作为监测技术的重点。

过去电流量监测只能监测空心干抗总电流值，但空心干抗在故障初期阶段往往不会引起总电流的变化[9]，因此，本文研制了基于监测空心干抗单股或多股股线电流的股线分布电流监测装置。

在进行股线分布电流监测装置介绍之前，本文利用MATLAB内的simulink模块进行了空心干抗电路故障的模拟仿真计算。

如图1所示，将干式空心电抗器简化成多股线并联电路，以80支路为例进行了对应的仿真计算，为简便计算仅以电阻进行计算，计算结果见下表1所示：

图1 80支路仿真模拟图

表1 仿真计算结果

从上表1可知，当某一支路阻抗下降百分比增加时，该支路的电流值和发热量成指数倍增长，当某一支路电阻降低百分数达到90%时，该支路电流和发热量将增加900%，发热量I2R增加百分比趋势图如图2所示：

图2 发热量I2R增加百分比变化趋势图

仿真结果和变化趋势图说明，某一支路电阻降低会造成该支路支路电流和发热量的明显攀升，当支路电流和发热量达到一定临界值时，空心干抗将发生故障甚至燃烧。

文中研制的股线分布电流监测装置由电流传感器、通信模块、无线接收终端、PC机构成。装置的工作原理是利用特制的电流传感器采集单股或多股股线电流并以固定变比转换成小电流，通信模块采集小电流编码后以特定报文格式通过无线传输方式传输至无线接收终端，无线接收终端接收数据后通过RS485单片机转换解码，最终将实时数据采集至PC机上显示，原理见图3。

图3 股线分布电流监测装置原理图

在设计原理基础上，考虑空心干抗的强磁、强电运行环境和经济因素，研制了简易和全封闭两套装置，并在实验室开展现场测试，将两套装置分别应用于试验空心干抗的1～11包封层，简易装置与全封闭装置测试数据显示：

1)在空心干抗强磁、强电环境下，简易装置稳定性差，数据跳变，部分通道无法正确测量包封内股线的实际电流。

2)在空心干抗强磁、强电环境下，全封闭装置运行工况较好，数据较稳定，但包封电流误差最大也达到23.3%，需要进一步完善改进，但基本能够反映包封内股线的实际电流值。

2.2 温度量监测技术

温度量是空心干抗关键运行指标之一，温度量监测技术研究工作从传统测温技术、无线测温技术和Bragg光纤光栅测温技术三方面开展。

2.2.1 传统测温技术

针对空心干抗的传统测温技术主要指红外测温技术。

红外测温技术是基于红外热成像仪的一种成熟的监测技术。运行中空心干抗产生热量在表面不均匀分布，热空气沿气道中对流循环向上，造成热量的向上传递，因此包封绝缘的温度由下向上也越来越高[10-11]，当空心干抗因为散热不良或局部缺陷造成局部电流过大而导致局部温度升高时，红外热成像仪能够发现故障电抗器表面的温度攀升.

但红外测温技术存在一定的局限性：一是红外测温必须依靠人员开展，基于空心干抗故障的突发性和无预兆性，红外测温很难在故障前进行有效判定；二是红外测温只能测量空心干抗的表面温度，一旦空心干抗的内部包封首先发热并故障，红外测温很难进行有效监测。

2.2.2 无线测温技术

空心干抗无线测温技术的核心是在空心干抗包封风道内安装热偶温度传感器，由热偶温度传感器测量风道温度，并利用无线传输技术将数据传输至就地监测单元，最终通过就地监测单元将数据上传至主机显示包封风道温度[12]。无线测温法能够反映空心干抗内部的温度分布情况，从而防止干式电抗器发生由于过热导致的局部放电、匝间短路、烧毁等故障。

通过对500 kV惠历变35 kV#1-1L、#2-1L空心干抗无线测温数据分析得出：一是空心干抗最高温度出现在距离干抗顶部40 cm处附近；二是空心干抗最高温度为122.3℃；三是空心干抗温度大于或等于110℃即超过生产厂商提供的限定值的情况时有发生。

无线测温技术相较于常规红外测温技术具有更高的灵敏度，能够有效监测电抗器内部风道的温度，但是在运行中也存在一些问题；一是存在热偶温度传感器脱落的情况；二是风道温度与包封内温度差值无法估算；三是采用无线传输的方式可能存在数据失真的情况。

2.2.3 Bragg光纤光栅测温

Bargg光纤是一种特殊结构的光子晶体光纤，具有高度的可靠性，由于其反射波长 (Bragg波长)会随温度应力的变化而发生 “波长位移”，因而被制成应力、温度等本征传感器埋入材料内部[13-14]。Bragg光纤光栅测温技术正是基于Bargg光纤的良好性能，将Bargg光纤温度、应力传感器预埋到空心干抗各包封内，用以观察空心干抗内部温度及应力的变化。

Bargg光纤温度、应力传感器预埋位置见图5所示：

图5 Bargg光纤温度

Bargg光纤温度、应力传感器预埋完毕后，在实验室开展了Bragg光纤光栅测温技术的现场应用测试：

现场测试数据显示：

1)在持续加压的过程中，干式空心电抗器的包封层从外到里温度逐次增加，在断电以后，从里向外温度的降低幅度逐渐增大；

2)预埋在包封内部的Bargg光纤温度传感器采集的温度数值要高于置于风道的无线测温技术采集的温度数值；

3)Bragg光纤光栅测温技术采集数据稳定、温度曲线连续、变化趋势明显。

为了更好的衡量三种温度量监测方法，进行如下表2的特点对比：

表2 三种温度量监测方法特点对比

基于上表可知，以上三种温度量监测方式对于并联电抗器故障的监测和判断均具有一定效果，在实际运用过程中提出以下两点建议：

4)基于Bragg光纤光栅测温技术必须在空心干抗出厂前预埋的特点，对于未采用无线测温技术或Bragg光纤光栅测温技术的已投产空心干抗，建议加装无线测温技术产品。

5)对于采用了无线测温技术或Bragg光纤光栅测温技术的空心干抗在判断故障的过程中应结合红外测温相关数据，进行综合判断。

3 结束语

文中将空心干抗电流量 (发热源)和温度量(热量表征)作为监测重点，开展了对应的监测技术研究工作。通过研制股线分布电流监测装置实现了电流量的监测，分析了传统测温技术、无线测温技术、Bragg光纤光栅测温技术三种温度量监测技术，给出了温度量监测技术的特点对比及建议，并在监测技术的基础上开展了对应的仿真计算与实际现场测试。

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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

毛传峰 (1987)，男，助理工程师，云南电网有限责任公司昆明供电局，从事变电运行工作 (e-mail)176256522＠qq.com。

崔志刚 (1964)，男，高级工程师，主要从事高压试验研究工作。

王科 (1982)，男，硕士，高级工程师，研究方向为配电一次设备的检测，带电和在线检测技术应用 (e-mail)41872645＠qq.com。