基于光纤测温的干式电抗器非电量保护设计

罗义晖，陈极升，申狄秋

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局，柳州 545006)

0 引言

在电力系统中，干式电抗器常用于电力系统的无功补偿、谐波过滤、短路电流限制等方面，是电力系统的重要设备，对维系电力系统的安全稳定运行起着重要的作用。

传统的干式电抗器保护主要为电气量保护，即通过对流经干式电抗器的电流量进行采样判别干式电抗器是否出现故障。当干式电抗器出现轻微的匝间短路时，干式电抗器的整体电气参数变化不大，因此，干式电抗器电流量也不会有明显变化，即电气量保护(过电流保护)不会启动。然而，这种轻微的匝间短路极有可能导致故障点持续发热，以致进一步破坏干式电抗器表面绝缘，扩大短路及发热范围引发干式电抗器的燃烧，从而威胁电网的安全稳定运行。

目前，基于电气量的干式电抗器故障在线监测手段主要有电气参数变化监测法、局部放电监测法、阻抗变化监测法等，但由于灵敏度、信号提取、实时性等方面的原因，基于电气量的干式电抗器故障在线监测手段受到了较大制约。电力系统中多用红外测温仪、无线感温元件、红外成像仪等点式测温设备对干式电抗器进行温度监测，由此构成了基于非电气量的干式电抗器故障监测手段，具有技术成熟、测温精度高等特点，但同时有着测温区域小、存在测温死角、无法对整体进行感知判断、易受电磁干扰等致命缺点。

针对上述问题，提出一种基于分布式测温系统的干式电抗器非电量保护。通过分布式光纤测温技术精确测量干式电抗器本体温度来实时监测干式电抗器的运行情况。在监测到干式电抗器温度异常时，能及时发出告警信号并快速切除。

1 分布式光纤测温技术

基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的光纤传感系统，它是目前技术上最成熟、最有效、最先进的分布式测温系统。该系统主要利用高功率脉冲光在光纤中传输时受光纤折射率随机起伏及纤芯的微观不均衡等影响而产生拉曼散射的现象，根据对背向拉曼散射光信号的测量和时域分析进行温度的监测和定位。该法克服了传统测温方法只能单点测温的缺点，能够实现对整个测温光纤全长进行实时监控并确定热点位置，同时还具有绝缘性能佳、抗电磁干扰能力强等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。

2 干式电抗器非电量保护

基于分布式光纤测温的干式电抗器非电量保护系统主要包括被保护电抗器、测温光缆、分布式光纤测温主机、中央处理器、监控后台、出口继电器、断路器等部分。

测温光缆敷设时，沿每层风道将光缆绕制成长度为0.5 m的圆环，并使圆环置于风道口中部位置悬空，将传感光缆由外向内沿着每层风道口固定。光缆尾端固定在电抗器上部支架并通过绝缘套管引至地面后，用同样的方法将同一组测温光缆与另外两相干式电抗器相连接，并最终引至测温主机。

构成分布式光纤测温系统的测温光纤，主要由三主一备4根测温光纤组成。处于高压、高温、强磁环境中的测温光缆，应满足以下基本要求。

(1) 测温光缆内的测温光纤、填充物、护套及表皮等均由绝缘、阻燃材料组成，保证测温光缆不会影响被保护干式电抗器的绝缘性能及电气特性。

(2) 测温光缆应以恰当方式敷设于被保护干式电抗器表面，保证无测温死角。

(3) 测温光缆在-50～200 ℃范围内能够长期稳定运行、准确测温，并能够短时承受250 ℃。

分布式测温主机用于向测温光缆内的各光纤发射探测脉冲光，利用光时域反射或光频域反射技术对测温光缆的全长进行实时测温，并将测温光缆的通道情况、温度信息反馈至中央处理器，其工作流程如图1所示。

图1 测温主机工作流程

在每一个测温循环中，分布式测温主机先对测温光纤内的4个测温通道的状态进行巡检，若发现3个主测温通道中有1个损坏，则自动切换至备用通道后再进行测温。分布式测温主机应具备以下性能特征。

(1) 可实现多通道测温，测温通道不小于4个。

(2) 单通道测温时间小于5 s，空间分辨率不小于0.5 m，测温精度不大于0.5 ℃，测温距离不小于3 km。

(3) 具备测温光纤通道检查功能，能够通过光发与光收对测温通道进行检查。

(4) 执行IEC 61850通信标准，便于与变电站通信系统兼容。

中央处理器主要由DSP及相关通信接口组成，用于接收分布式测温主机所反馈的实时信息，并将温度信息传输至监控后台进行实时显示，同时对测温数据进行一定的运算处理(见表1所示)，根据处理结果对被保护干式电抗器的运行状态进行判断，在被保护干式电抗器异常、故障时及时发出告警信息及跳闸命令。

表1 中央处理器对测温数据的处理 单位：℃

T1max表示测温通道1的空间温度最大值

T1min表示测温通道1的空间温度最小值

Td1表示测温通道1的空间最大温差：Td1=T1max-T1min。

T2max，T3max，T2min，T2min，Td2，Td3同理。

当T1max，T2max，T3max中有一个大于Tg时告警；当T1max，T2max，T3max中至少有2个以上值大于Ts时跳闸。

当任意测温通道的测量温度(T1，T2，T3)超过告警设定值Tg时，则向监控后台发送干式电抗器运行异常告警。为防止因任意测温通道故障引起测量温度误差导致保护误动，跳闸逻辑中需要2个以上通道的测量温度超过跳闸温度设定值Ts方可向跳闸出口继电器发出跳闸命令。

为防止出口继电器故障造成的保护误动作事故，在干式电抗器非电量保护跳闸逻辑中模仿电气量保护设置了启动元件，其逻辑如图2所示。

图2 启动元件动作逻辑

当任意测温通道的空间最大温差大于启动值Tq时，中央处理器保护启动元件动作，并展宽7 s开放出口继电器正电源。当跳闸出口继电器保护启动后，检测到T1max，T2max，T3max中至少有2个以上大于Ts时三取二逻辑满足，驱动断路器的跳闸线圈动作，使被保护的故障干式电抗器退出运行。

启动元件动作逻辑设定依据为：干式电抗器发热燃烧故障通常由干式电抗器局部某区域运行温度过高引发并发展至燃烧，因此，可利用单通道上的空间最大温差作为保护启动依据。例如，测温通道1上的100 m处测得最高温度为100 ℃，1 000 m处测得该通道最低温度为50 ℃，则其空间最大温差Td1为50 ℃，用该值与启动值Tq比较来决定保护是否启动。

3 干式电抗器非电量保护主要特点

基于分布式光纤测温系统的干式电抗器非电量保护实施之后，其优势主要体现为以下几个方面。

(1) 采用分布式光纤测温技术，能够对光纤全长温度进行比较精确的测温。当测温光纤以恰当方式敷设于被保护干式电抗器上时，通过对测温光纤的温度监测可以做到无死角、实时、准确监测干式电抗器表面温度。

(2) 采用分布式光纤测温技术与相关判断逻辑配合，不仅可以实时监测被保护干式电抗器运行情况，同时可以实现干式电抗器的非电量保护功能，从而突破了以往干式电抗器只能通过电气量(主要是电流过流)保护的局限性，完善了干式电抗器的保护功能。

(3) 分布式光纤测温技术抗电磁干扰能力强，干式电抗器附近存在一定的强电磁场，而光纤内的光信号传输具备很强的抗电磁干扰的能力，因而能够在恶劣电磁环境中正常运行。

(4) 采用分布式光纤测温技术不会改变干式电抗器的电气特性、绝缘性能，测温光纤由石英及绝缘外皮组成，完全绝缘，因此，其敷设不会影响到干式电抗器的电气特性、绝缘性能。

(5) 系统原理结构简单、方便维护、成本低；4根测温光纤以及一套主机就能够实现对被保护干式电抗器的监测和保护功能；测温光纤具备抗腐蚀性、抗干扰、耐高温的特性，因而使用寿命长，具有一定的免维护特性。

4 结束语

分布式光纤测温系统已在变压器、高压电缆、高压开关柜等设备的在线式测温和保护中得到应用。一种基于分布式光纤测温系统的干式电抗器非电量保护是对该技术应用的扩展，可解决干式电抗器无可靠非电量保护的缺点，有效地对干式电抗器因匝间短路引起的过热、自燃故障进行实时监控及故障切除，提高设备的安全运行水平。