一种改良型干式空心电抗器的无线测温装置设计

裴运军，林良顺，胡泰

（广东电网公司江门供电局，广东江门 529000）

一种改良型干式空心电抗器的无线测温装置设计

裴运军，林良顺，胡泰

（广东电网公司江门供电局，广东江门 529000）

国内某些地区，由于电源点密集，线路较长，导致电网长期处于无功过剩，电压偏高的状态，严重影响了电网系统的稳定运行。为了解决该问题，电网中大量采用电抗器进行无功补偿，以提高系统运行的稳定性。但是根据多年的运行情况来看，电抗器的故障和异常问题，最明显的表征量就是温度，如果能对电抗器包封内的温度进行实时监测，理论上可避免绝大部分故障。文中提出了一种改良型的无线测温装置的设计，该装置安装于电抗器封包内，能准确实时地反映电抗器的运行状态，方便运维人员提前对电抗器故障进行诊断和预防。

空心电抗器；无线测温；封包

当电力系统逐渐向超高压、大电网、大容量的趋势发展时，电力系统所供电能的可靠性问题越来越重要[1]，为了保障系统能够安全运行，居民用电更可靠，电抗器的重要作用也逐渐凸显出来[2]。因此，电抗器故障的诊断也有着重大的实际意义[3]。

在干式空心电抗器出厂时，目前的温升试验方法不足以反映电抗器绕组的实际运行温升情况。因此找准其封包温度场的分布，分析确定关键发热部位或者高温范围，对电抗器故障的诊断和预防至关重要[46]。最直观和最全面的方式就是对各封包内的运行温度分布进行实时监测。

由于电网环境不同，目前国外鲜有电抗器故障监测的方式报道，国内对电抗器的监测尚处于起步阶段，还没有一种成熟监测的方式。无线温度监测技术是近年新兴技术：在几百米范围内，由多个温度传感器实时分散测量不同温度点，统一集中接收数据，数据传输到后台进行分析。无线测温系统因安装快捷，维修简单而在电网得到很多应用，主要用于高压开关柜、户外电缆等设备上。从干式空心电抗器安装条件上看，小巧的传感器也非常适合分布在电抗器复杂的内腔，这种安装方式不会改变封包内的安全特性，也能实时监测封包内的温度场分布。但实际应用情况并不理想，体现在数据丢包率、误码率高，使用寿命短。原因如下。

1）电抗器封包内的强磁环境：作为保护和调节，稳定电力系统的主要设备，电抗器在电力系统中的应用是非常广泛的，工频磁场强度的推荐标准值为0.1 mT（80 A/m），变电站内投运空心电抗器产生的磁场能到1 mT，空心电抗器内部封包内产生的磁场强度极端状态下能达到1 T，这种强度的磁场对电子设备的干扰极大。电子设备硬件设计不当会导致强磁下自身无法正常工作。同时由于磁饱和以及涡流损耗的叠加作用，电抗器封包内的温升会较高，这对干抗的绝缘材料和气隙材料的老化是个巨大的考验。

2）封包内的高压环境：电抗器的上部与高压进线并联，下部接地，当应用于35 kV电压时，这35 kV直接分布于电抗器的整体，所以电抗器在设计时，绝缘性能是一个极其重要的指标。在电抗器的封包内安装设备时，绕制线圈的电势差会直接作用于该设备两端，如果该设备绝缘能力不够的话，会直接导致该设备被击穿。

3）电抗器噪声：电抗器的噪声是由于自身噪声和冷却器噪声组成的一种连续噪声。产品设计选择的磁通密度越高，噪声必然也就越大，高次谐波分量也就越多。噪声的存在自然就导致了封包内的振动会很大，这对监测设备安装的可靠性和稳定性将带来很大的考验。

1 干式空心电抗器无线测温装置改进

针对上述影响因素，无线传感器从结构设计，器件选型，硬件设计，软件抗干扰等方面应考虑适合于电抗器的使用环境。

1.1 结构设计

考虑到封包内的狭小结构以及电抗器工作时温升较高的情况，无线测温装置安装于封包内时，不应影响到封包的绝缘性能和风道的散热通风。基于此两个基本要素，装置的本体应以扁平小巧为主要原则，图1为设计的结构图。考虑到安装的便利性，装置分两部分：安装托架和装置本体。实际安装时，由专用的安装夹具将安装支架先伸入到封包内，采用特殊的固定胶进行固定，然后直接将装置本体插入到托架中，这样既方便安装，又方便以后设备的维护和更换。同时采用特殊尼龙壳体，抗老化，抗高温，重量轻，能很好适应封包内高温，噪声大的环境。

图1 托架和测温传感器装置Fig.1 Bracket and temperature monitoring device

1.2 硬件设计

实现电抗器内温度的实时在线监测，硬件框图如图2所示，测温装置安装到包封内，通过无线方式将数据发送给无线接收器，接收器进行数据处理和显示后，将数据通过485接口或LAN接口发送到后台监控机实现实时监控。

图2 整体硬件框图Fig.2 Overall hardware diagram

针对封包内高压，强磁的环境，硬件设计部分优先考虑抗干扰的处理，相对于本装置来讲，整体采用电池供电，通过天线对外进行数据通信，对外没有线缆引出，因此抗干扰的处理集中于内部。本无线温度传感器重点采用了隔离，屏蔽和消噪处理。

1.2.1 隔离

装置本体的天线设计采用小型化陶瓷天线，天线后级在硬件设计时增加了带通滤波处理，将不属于无线发送频率的干扰信号直接隔离，本设计中直接采用了巴特沃斯滤波器，该滤波器的特点是通带频率响应曲线最平滑，电路阻抗Zc=50 Ω，f=433 MHz的信号可通过。通带最大衰减量Ap:1 dB，阻带最小衰减量As:20 dB，通带上下限截止频率分别设置为fp2= 436 MHz，fp1=430 MHz；阻带上下限截止频率分别为fs2=450 MHz，fs1=410 MHz；进行公式推算：

所以f0=433 M，Δfs=33.36 M，Δf=6 M

得巴特沃斯滤波器阶数：

n≥0.5lg（（10As/10-1）/（10Ap/10-1））/lg（Δfs/Δf）= 1.733，得到滤波器阶数为n=2。

根据以上计算，采用2阶LC带通滤波器进行射频信号的隔离，得到真正有用的射频信号。

1.2.2 屏蔽

硬件中对干扰源敏感的电路部分，例如射频接收电路，温度探头输出的模拟信号等，增加地环线对其进行隔离和屏蔽。这样处理可使得干扰信号在最短路径内被地吸收，切断了干扰源继续传输到后级的干扰。在模拟的电抗器强磁干扰环境下，增加屏蔽措施前后的地网络的静态噪声波形如图3所示，可见屏蔽处理在这里面起着很关键的作用。

图3 增加屏蔽措施前后的地网络波形对比图Fig.3 Comparison diagram of ground network waveform before and after the shield reinforcement

1.2.3 消噪

当电路的输出状态维持不变时允许加到输入端的噪声电压最大值，成为电压噪声容限。噪声容限越高，说明器件的抗干扰能力越强。CMOS电路的噪声容限可达电源电压的40%，而TTL电路大约只有电源电压的16%。为此硬件设计中尽量采用CMOS电路来代替TTL，同时对信号线输出以及电源输出部分增加消噪电容，提升容限。

1.2.4 同频干扰处理

一个电抗器内部分布的测量点有可能达到几百只，针对前端无线数据传感器安装数量众多时存在的同频干扰问题，采取发送前扫频监听通信信道，如有相同频点干扰信号自动跳频到相邻信道的方式来进行躲避，采用了防碰撞自动规避算法，使得通信链路能保持稳定可靠。

2 案例分析

为了验证方案的可行性，我们将改进设计后的无线传感器先后在电抗器生产厂家西安中扬，以及南网35 kV干抗现场进行了验证测试。

1）雷电冲击试验：该试验在电抗器生产厂家西安中扬电气股份有限公司进行，主要是为了验证装置的抗高压性能，试验环境：将4只传感器安装于35 kV干式电抗器的最外包，第一封包，第二封包内，给电抗器分别施加117 kV半波，200 kV全波，265 kV全波和295 kV全波雷电冲击电压进行试验。试验结果：雷电冲击电压施加期间和试验结束后，传感器工作正常。

有线测温装置由于带有线缆，在线缆安装于封包内时，由于改变了线匝的安全间距，在该项试验时会出现线缆绝缘层被击穿的现象。

2）南网现场实际运行试验：该现场在南网某变电站进行，在电感器第9，10包封外壁，第3，4包封内壁上沿高度方向各安装10个传感器，安装方位按星臂位置分散安装，即俯视传感器两两之间夹角为36°，因为轴向上，气流从底部进入气道后吸收包封散出的热量，气体温度升高，在包封上部气体温度较高致使上部热量散出较难，因此在上部布置较为密集。干抗高度分布图见图4，传感器俯视分布图见图5。

无线测温设备于2014年11月份在现场进行安装，2015年4月底结束试验。通过6个月的实际运行，整套装置运行稳定可靠，通信正常，无误报漏报现象。其中6只装置的实际监测数据如图6所示，现场的运行状态直观清晰。丢包率指标得到了很大的提升。本实验为对比试验：组1为无线传感器改进设计前；组2为无线传感器改进设计后。通过网络分析仪进行接收灵敏度和误码率的测试，测试指标对比如表1所示。

图4 干抗高度分布图Fig.4 Interference height distribution

图5 传感器俯视分布图Fig.5 Sensor vertical view distribution

图6 实际监测波形Fig.6 Actual monitoring waveform

表1 测试对比表Tab.1 Table of test comparisons

改进后的无线测温装置在实际现场的运行稳定性要远远大于之前的设备，完全满足在现场干抗封包内的状态实时监测的要求。

3 结语

本装置的设计，可以很好地解决无线传感器在电抗器内测温实用性的难题，能做到实时清晰地监测电抗器的实际运行状态，方便电力运维人员对现场的电抗器故障进行分析和预警。也使无线测温系统在电抗器的故障诊断上能更广泛地应用。

[1]陈图腾，曹继丰，姜志鹏，等.特高压干式平波电抗器直流磁场测量与分析[J].陕西电力，2015，43（4）:11-14.CHEN Tuteng，CAO Jifeng，JIANG Zhipeng，et al.Measurement and analysis of direct current magnetic field for ultra-high voltage dry-type smoothing reactor[J].Shaanxi Electric Power，2015，43（4）:11-14（in Chinese）.

[2]程琳，王瑞.两端带并联电抗器的同杆双回线路故障性质判别方法研究[J].陕西电力，2016，44（5）:64-68.CHENG Lin，WANG Rui.Method to identify faults properties for common-tower double-circuit transmission line with shunt reactors[J].Shaanxi Electric Power，2016，44（5）:64-68（in Chinese）.

[3]PENG Kai，DING Guoqing.Research and realization of smart tire monitoring system[J].Control&Automation，2005，13（4）:80-84．

[4]关志刚，申文清，侯瑞生.平波电抗器节能技术研究与改进[J].节能技术，2003，21（4）:18-19，41.GUAN Zhigang，SHEN Wenqing，HOU Ruisheng.Energysaving technique about reactor using intemediate frequency power supply[J].Energy Conservation Technology，2003，21（4）:18-19，41（in Chinese）.

[5]赫雪涵.基于MSP430的电抗器温度无线监测装置的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.

[6]王卓君，杨群丰，沙鑫美，等.基于状态机模型的无线式双闸门监控系统设计[J].电网与清洁能源，2015，31（10）:50-54.WANG Zhuojun，YANG Qunfeng，SHA Xinmei，et al.Design of a wireless type double sluice gate monitoring system based on model of state machine[J].Power System and Clean Energy，2015，31（10）:50-54（in Chinese）.

（编辑 徐花荣）

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

科学技术部科技型中小企业科技创新基金（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。

裴运军（1981—），男，工程师，研究方向为变电检修试验管理；

林良顺（1980—），男，工程师，研究方向为变电检修管理；

胡 泰（1981—），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为高电压技术管理。