基于无功补偿装置盲区的监测电源的设计

赵宇佳，张晓慧

（沈阳工程学院a.研究生部；b.电力学院，辽宁 沈阳 110136）

1 概述

空心电抗器［1］是继电保护的一次设备之一，是电力系统中最重要的电器设备。随着电力系统需求的升高，现代的电力系统对空心电抗器的安全稳定有了更高的要求。同时，随着供电设备的投入越来越多，空心电抗器运行状态的在线实时监测、及时发现故障等问题也越来越难以解决。

空心电抗器在运行过程中，其温度呈曲线上升趋势，温升（设备温度-环境温度）变化幅度较大。空心电抗器运行仅15 min，其温度将会达到95 ℃～115 ℃，在此温度范围内，说明电抗器处于正常的运行中。空心电抗器实质为铝线圈，如果出现异常，温度将会远远高于115 ℃，随时有发生火灾、设备损坏、人员伤亡的可能。一旦发生故障，会造成停电时间长、更换成本高以及供电质量降低等问题，而这些问题必将产生极其恶劣的影响，以及损害生命财产安全的后果。

电抗器［2］由电抗器本体和绝缘支撑材料组成。由于绝缘层的保护，不能做到对电抗器本体内部进行温度检测，所以电抗器发生故障时，不能做到对其精确测量和做出迅速地处理。电抗器常见的故障有由局部过热、匝间绝缘损坏、漏磁等问题导致的周围金属构件、接地网、高压柜内接线端子损耗和发热等［3-4］。

空心电抗器的应用在国内外都非常普遍，但国内电抗器的烧毁率比国外的烧毁率要高。主要原因是国内电抗器的叠装问题比较普遍，造成温度叠加无法散热。

现有的检测方法有外观检查、带电检测、在线监测和停电检测4 种［5］。外观检查［6］是肉眼查看外部表面是否存在异常；带电检测［7］是用红外线热成像、噪音等方式进行计算判断；在线监测［8-9］有红外线测温和光纤测温两种；停电检测是［10］通过匝间绝缘实验，测量电阻电抗值的方法。对上述方法进行对比分析发现，有以下3种缺陷：

1）耗费大量的人力和物力；

2）对温度的监测不是十分准确，而且无法做到实时监控；

3）造价成本高，尤其是光纤传感器，因此不能在现场大规模使用。

经过以上方法的对比分析，结合现有的技术，如果想保证空心电抗器的安全，就需要通过测量出电抗器的内部温度来判断运行中的电抗器是否存在问题。一旦温度超出正常电抗器的温度极限值时，会发出报警信号，并对电抗器进行维修保护，从而减小损失。

国外已经研发了空心电抗器的温度检测装置，其电源大多采用电池、电流取能及太阳能电池板进行供电，自取能类供电尚未研发。国内自取能供电的检测装置虽然已经研发成功，但使用电流取能，存在众多缺点、无法广泛应用等问题，通过电抗器磁场取能尚属空白。借此本文提出一种依靠空心电抗器自身的特殊构造采用漏磁取电的自取能装置，为监测装置提供电源，来解决这一问题。

2 电源工作原理

通过对空心电抗器结构的研究，发现其线圈中有一定的缝隙，缝隙之间会形成小的电磁体，有单独的感应线形成独立的漏磁场［11］。电源的设计思路流程如图1 所示。由法拉第电磁感应［12］可知，在漏磁场中放入铁芯，可以回收漏磁以产生电动势。但由于电源可利用的空间小，所以要求单个铁芯在最小的占地面积内产生最大的感应面积，以增加漏磁的回收面积，进而增大感应电动势。本文的创新点在于提出了异形铁芯的思想，将铁芯摆成“X”形，使其可以回收各个角度的磁场。然而强大的漏磁场中会产生很大的干扰，经过多次实验，最终决定将铁芯和线圈配合使用，抵消掉其他的干扰作用，使其在交变磁场中产生稳定交变的电源电压，为检测装置提供电源。

图1 设计思路流程

2.1 电源的结构设计

空心电抗器是一种磁路无铁芯物质，并且其结构完全闭合于空气中。本文提出的异形铁芯结构如图2 所示。电抗器运行时，空心电抗器的线圈产生交变电流，通过内部空气间隙，产生强大的交变磁场，交变磁场通过异形铁芯传到二次线圈即异形铁芯上的小线圈，在小线圈中产生感应电动势，4个小线圈上产生的感应电动势叠加成一个较大的感应电动势。空心电抗器的线圈自感会产生感应电动势，当二次线圈通路时，二次线圈的电流影响空心电抗器的磁场，两个磁场叠加后，使得电动势变小，所以在铁芯中心增加一个较大的线圈，以消除互感。

铁芯A、B、C、D 的4 个钩头部分相对，整体排布成“X”形状，回收多个方向的磁场；4 个“钩”型铁芯的钩柄上各绕有一个感应线圈。

图2 异形铁芯结构

异形铁芯缠绕线圈为自取能元件，5 个线圈串联连接，以输出电源。由于空心电抗器产生的是交变磁场，所以电源输出装置产生的感应电动势为交变电压。由于测温装置需要的是直流电源。所以，需要一个可以将交变电压转换成直流电压的输出装置。输出装置结构如图3所示。

图3 电源输出装置

2.2 磁取能原理

引起磁通量变化的原因有两种：一是稳恒磁场中的导体运动；二是导体稳定而磁场变化，引起磁通量变化，这也是本文为空心电抗器感温元件提供电源的交变磁场的产生原理。在电磁中切割磁感线的导体或磁通量发生变化时会形成感应电动势，产生交变电压，为检测温度装置提供电源。

运行中，在空心电抗器线圈中产生的交变电流通过以下公式计算：

位于磁场中的线圈总磁链数为

交变电流产生交变磁场，通过变压器电磁感应原理，异型铁芯吸收空心电抗器产生的磁场为

通过法拉第电磁感应原理可知，铁芯在交变磁场中的切割产生感应电动势，由线圈输出，其数值可根据以下公式求出：

感应电压在半周内的积分为

2.3 参数问题

铁芯的参数及选择如图4 所示，通过对各种材料的性能参数分析对比得出，硅钢片更符合取能元件对铁芯的要求，其优点在于磁导率高，可达到1.74 T，且铁损低。

图4 铁心参数

由式（3）可知，感应电动势的大小是通过铁芯的横截面积、铁芯间的空气间隙、缠绕在铁芯处的线圈匝数3个参数确定的。通过对这3个参数的确定以及计算对比得出，在3 个变量为某一具体数值时，输出的感应电动势达到最大值。其中，匝数的计算公式为

把铁芯上绕行的5 个线圈进行串联连接，叠加产生一个足够大的电源电压。A、B、C、D、E5个线圈的作用各不相同，A、B、C、D用于产生电压，同名端在同一方向，顺次连接，通过线圈E 与线圈ABCD 间产生的互感来抵消掉线圈A、B、C、D之间产生的互感。其中抵消磁场互感中耦合电感的耦合因数为

耦合互感中电压与电流的关系为

在互感现象中存在同名端问题，因为本文研究的是串联，下面只介绍顺次同名端。

顺向串联：

反向串联：

通过上述原理及公式可得出3 个变量参数，如表1所示。

表1 3个变量参数值

根据所选因素及数字计算可得交流电压值，如表2所示。

表2 参数变化得出的交流电压值

通过计算可知，在空心电抗器自取能装置中，装入漏磁场内的X 型铁芯的横截面积为60 cm2，当线圈匝数为20，空气间隙为2 cm 时，该装置可产生最大的交变电压，数值为42 V。

交变漏磁场产生的交变电压是含有基波分量的非正弦交变值，由于42 V 的交变电压不能直接用在感温元件上，需要进行滤波、整流、稳压，从而得出稳定的直流电压，方可用于空心电抗器的测温装置上。下面对直流输出电路及滤波整流稳压进行研究。整流方式有半波整流、全波整流以及去桥式整流［13］。通过分析比较发现在空心电抗器温度测量装置中，桥式整流可达到电流利用率高、单管电压峰值低以及负载电压高等效果，因此这种整流方法最为妥当，可以作为整流的首选。整流电路如图5所示。

由于空心电抗器内部没有铁芯，磁路由铁磁材料组装而成，其优点在于内部磁场不会随着负载电流的改变而变化。在诸多滤波方法中，空心电抗器的电感比较平稳，适合用LC串联滤波器，即无源滤波，器进行滤波［14］。无源滤波器的结构简单、成本低廉、运行可靠性高且运行费用低，完全适用于本电源的滤波，其工作原理是利用LC 串联谐振进行滤波，可以滤掉多次谐波，是本电源系统的首选。滤波整流后的电压通过稳压芯片进行稳定直流电压的输出，通过图6所示的稳压电路输出电压测试可知，其数值为11.5 V～12.5 V，取其中间值12 V。

图5 整流电路

图6 稳压电路输出电压测试

本文研制的电源取代了原有的电池，保证了测温装置的持续运行。装置应用后，通过现场试验，避免了原来因电抗器内部温度过高而损坏了两台电抗器的情况。按市场电抗器9.8 万元/台计算，每年可节省购置新电抗器的费用为19.6万元。

3 结论

1）本文研制的电抗器温度智能监测电源装置，可以为电抗器工作的全过程智能监控提供持续稳定电源支持，使其能够安全有效地对电抗器进行实时监测，避免电抗器因温度过高而发生热击穿，保证了设备及电网的安全稳定。

2）电磁感应式电源装置取代了以往的内置电池技术，可以保证为空心电抗器的测温装置实时供电，避免在内置电池没电而需要更换电池时所造成的由于电抗器停电而影响电网正常运行的情况出现。