基于分布式测温单元的电力电抗器电容超温防护研究

曹 良

（国网常州供电公司，江苏常州 213000）

0 引言

在电力电容器组中设置串联电抗器主要是为了限制合闸涌流和限制谐波［1］。理论上，变电站中采用在回路里串联12%的电抗器构成3次及以上的谐波滤波器，12%电抗率是指串联电抗器的感抗值为该回路电容器容抗值的12%。但在现场实际运行中，电抗值越大，电容器端电压升高就越多，极易造成电容器过电压，同时成本也相应增加，因此在运行现场一般应用4.5%～6%的电抗率，由此无法完全抑制高次谐波［2］。

谐波电流可导致电力电抗器长期承受过流，使其长期过热，加速绝缘老化、绝缘击穿、铁心电抗器饱和，缩短设备使用寿命［3］。目前电抗器测温技术主要利用红外测温及分布式光纤测温，但红外测温只能测试电抗器表层温度且无法实现在线测温［4-5］，分布式光纤测温则对环境要求较高、难以布置，而且两者均成本较高，未获推广。纽扣式测温仪目前在仓储管理中应用较多，未见其在电力系统中的相关应用。

本文研究了分布式、微型化、抗干扰的测温单元的实现原理，最终设计出基于分布式测温单元的电抗器超温保护装置，从而有效降低了电力电抗器的故障率，延长其使用寿命。

1 过热故障机理及分布式测温单元实现原理

电网中大量非线性设备的投入使用产生的大量谐波对电容器组的影响巨大。用来抑制电容器谐波的串联电抗器的电抗率由于背景谐波的变化，无法完全抑制回路中的谐波，反而造成谐波放大，如：与电网中的电感结合，可能对某一谐波频率构成并联谐振，使谐波被严重放大，形成谐波过电压；对某一谐波频率构成的串联谐振电路，会导致电容器谐波电流过载，进而使得串联电抗器温升严重。

电抗器长期处于高温运行时，会造成匝间绝缘胶的性能恶化，引发绝缘薄弱处匝间短路，短路线圈短路形成短路环，故障时短路环产生了较大的涡流电流，短路点发热最严重，短路环发热后的高温逐步损坏其两侧的线圈绝缘，使短路环不断扩大，加剧温升效应，最终形成贯穿性放电，损坏电抗器［6］。

1.1 测温装置的微型化

电抗器测温装置使用纽扣电池供电，电抗器测温装置使用芯片天线实现无线数据传输，电抗器测温装置使用“一线器件”体积更小、适用电压更宽的数字温度传感器，温度测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃；以上设计保证装置的微型化，装置结构如图1所示。

图1 纽扣式测温装置结构

1.2 测温装置的分布式、低功耗优化

电抗器测温装置直接吸附在电抗器的各个位置，实现分布式温度测量。为了降低装置功耗，进行了相应的低功耗处理，即CPU休眠并定时自唤醒，自动通过无线传输单元与其他同类装置进行时钟同步后进行自组网，组成无线MESH网络，实现温度数据的错时无线发送，能够避免装置数据通信冲突紊乱，保证温度数据多点对一点的无线数据传输。电抗器超温保护的逻辑如图2所示。

图2 电抗器超温保护逻辑

图3 电抗器超温保护典型配置

1.3 强工频磁场环境下的无线数据传输的抗干扰优化

在强工频磁场环境下，为了数据传输的可靠性，需要考虑抗干扰处理，因此，电抗器测温装置使用软件对无线信号进行软滤波，按照时间、频率、幅度三维数学模型计算脉冲压缩的系统失真补偿信号对无线信号进行修正。软件将CPU定时器清零，在波形的零点交叉开始进行计时，使用AD采样对无线信号的输入幅值进行高速连续采样，并将采样值在数组中，为了避免时间漂移，减去两个与当前采样值等距离的采样值，即从当前采样值之后的第N次采样值中减去当前采样值之前的第N次采样值，然后通过以下公式计算出频率值：

其中，ΔT是采样间隔，为采样速率的倒数。

如果计算出的频率与无线信号的载波频率误差在5%之内，CPU将IQ检波器的值与IF信号相乘，得到结果后通过求其余弦得到实数部分，通过求其正弦得到虚数部分，在乘法运算后面采用一个滤波器将其转换为卷积，并消除寄生频率分量实现滤波的目的，然后让无线信号流过一个幅值斜率与频率呈近似线性关系的器件，使得频率的变化转变成幅值的变化，带通或低通滤波器的部分截止区就是有效无线的信号，以此方法保证在无线信号基本被淹没的情况下能进行正确解码，提高本产品无线接收灵敏度，保证强磁场环境中无线数据数据传输的可靠性和正确性。

2 电抗器超温保护装置的实现及验证

针对电抗器长期过热而产生的问题，本文设计了电抗器超温保护装置，电抗器超温保护装置通过测温模块实时采集电抗器温度，实时监测电抗器最高温度，通过电容器谐波保护装置中可视化组态软件搭建电抗器超温保护逻辑，其典型配置如图3所示。该系统典型配置由W71A-3测温模块、WK-1电抗器测温监测保护终端、电容器和电抗器谐波及超温保护装置、自设计电抗器风冷系统四部分组成。各模块的功能及特点如下。

测温模块：涉及一种吸附在电力电抗器的内壁或外壁实现电抗器运行温度实时监测并具有无线数据传输功能的微型温度测量监测装置，如图4所示。测温模块微型化、低功耗，能定时自唤醒采集数字温度传感器测量点的温度数值；能自动通过无线传输单元与其他同类装置进行时钟同步。

图4 测温模块

超温保护模块：以电容器谐波保护装置中硬件部分为核心，由可视化组态软件搭建电抗器超温保护逻辑，实现电抗器温度的有效监视，出口启动风冷或跳闸。

电抗器风冷模块：结合电抗器参数特点典型设计的风冷系统，有效实现电抗器的各层全方位智能冷却，如图5所示。

图5 电抗器风冷系统

WK-1电抗器测温监测保护终端安装图如图6所示，实现了温度的无线数据接受，储存、录波、超温启动风冷等功能。

图6 WK-1电抗器测温监测保护终端安装图

电抗器测温装置吸附在电抗器各个位置，实现分布式测温及温度数据多点对一点的无线传输；经软件修正无线数据抗干扰能力强，可靠性及正确性高。电抗器谐波超温保护装置则实现了温度实时监测，超温判别及保护控制功能。整套装置的通信拓扑结构如图7所示。

无线通信模块安装如图8所示（白色管道为电抗器风冷系统的组成部分）。

3 结语

本文研制了基于W71A-3纽扣式测温装置和WK-1温度监测保护终端的电抗器超温防护装置，已成功安装于常州市吕墅变电站，现场安装和调试结果良好，证明了所开发装置运行稳定，各项性能指标达到了预期效果，实现了在电网中推广使用的目标。得到以下结论：

（1）实现了电抗器温度的多点对一点精确采样以及温度数据的智能化识别、定位、追踪，实现了电抗器温度数据的实时监测、预警、风冷，有效地延长了电抗器使用寿命，为电抗器故障处理、状态检修提供了技术保障。

（2）提出了测温装置的微型化，分布式和低功耗优化以及强磁场环境下的无线数据传输抗干扰等超温保护关键技术和解决方案，为系统可靠稳定运行提供技术保障。

图7 电抗器超温保护通信拓扑结构

图8 无线通信模块安装图