干式空心電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方法與實(shí)施方案

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司隴南供電公司 杜貴寶 米雪峰 任秉珍 李 權(quán) 杜勇軍

成都工百利自動(dòng)化設(shè)備有限公司 程加強(qiáng)

1 引言

電抗器是變電站中的重要設(shè)備，電抗器作為感性元件，在電力系統(tǒng)中起補(bǔ)償容性無(wú)功[1]、抑制高次諧波[2]、限制短路電流、保護(hù)電容器、提高電能質(zhì)量等作用，是維持無(wú)功功率平衡、穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)電壓的重要設(shè)備。干式空心電抗器由于沒(méi)有閉合的鐵磁回路，因此不存在磁飽和問(wèn)題。同時(shí)，還具有線性特性好、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在常溫下有良好的絕緣性能，逐漸取代了油浸式電抗器和老式水泥電抗器，在66kV及以下電壓等級(jí)的輸配電網(wǎng)中使用比例高達(dá)70%以上[3]。然而，由于沒(méi)有鐵心，導(dǎo)致干式空心電抗器漏磁嚴(yán)重，存在周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度較大、電磁干擾范圍廣的缺點(diǎn)，會(huì)在電抗器和其周圍的設(shè)備中產(chǎn)生渦流，從而提高了設(shè)備的損耗，對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響。

2 電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除影響電抗器安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，克服單一監(jiān)測(cè)或者保護(hù)手段的局限性，采樣一種簡(jiǎn)單、安全、性價(jià)比高的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

該方法能提取電抗器電參數(shù)特征信息（包括電流、阻抗）、溫度場(chǎng)特征信息、振動(dòng)特征信息及磁通量特征信息，如圖1所示，通過(guò)高頻采樣和小波分析技術(shù)獲取電抗器電氣暫態(tài)及機(jī)械振動(dòng)特征信號(hào)；采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)為干式空心電抗器建立溫度場(chǎng)，通過(guò)加裝振動(dòng)傳感器，分析電抗器振動(dòng)特征數(shù)據(jù)，提取振動(dòng)特征指紋，通過(guò)加裝磁通量傳感器，提取磁通量特征數(shù)據(jù)，為電抗器特性綜合分析提供多源的數(shù)據(jù)支持。

采用多維度狀態(tài)參數(shù)故障分析與預(yù)警技術(shù)，以及不同相、不同設(shè)備、不同類型電抗器在不同時(shí)期的橫、縱向?qū)Ρ确治龅?，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電抗器特性異常變遷信息、發(fā)出預(yù)警信號(hào)，可為電抗器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供重要決策依據(jù)，降低運(yùn)維成本、提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及電抗器安裝環(huán)境，闡述電抗器電參量特征信息（包括電流、阻抗）、溫度場(chǎng)特征信息、振動(dòng)特征信息及磁通量特征信息四個(gè)方面完成電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 電流特征信息監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

電氣參數(shù)作為電力設(shè)備的基本特性，針對(duì)并聯(lián)電抗器，只需在進(jìn)線處每相安裝一只高頻電流傳感器就可以實(shí)現(xiàn)電抗器的電流分析，成本低、工程實(shí)施簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可靠。若并聯(lián)電抗器進(jìn)線具有保護(hù)CT，考慮保護(hù)CT頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍較大，也可直接應(yīng)用小波分析對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減少建設(shè)成本，但相對(duì)于高頻電流CT采樣精度略低。

現(xiàn)場(chǎng)采用許繼變壓器有限公司生產(chǎn)的BKGKL-10000/35型號(hào)的并聯(lián)干式空心電抗器，干式空心電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置的電流、電壓信號(hào)從35kV所用電抗器保護(hù)屏采用電流串聯(lián)、電壓并聯(lián)的方式獲取。

3.2 阻抗特征信息獲取實(shí)現(xiàn)方法

阻抗特征信息作為計(jì)算得到的特征參數(shù)，通過(guò)電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置采集電抗器的電壓信號(hào)和電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)阻抗特征信息數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運(yùn)行狀況。通過(guò)分析干式空心電抗器在不同工作狀態(tài)、不同位置發(fā)生故障前后電氣參數(shù)的變化規(guī)律，可以有效地對(duì)電抗器的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，其中基于阻抗變化的故障監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用廣泛。

研究電抗器在不同工作條件及異常狀態(tài)下的阻抗變化特征，建立專家模型庫(kù)。通過(guò)采集母線PT電壓，并結(jié)合并聯(lián)電抗器的電流特征參數(shù)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)獲取的電抗器阻抗變化，生成并聯(lián)電抗器阻抗特征分析結(jié)果，分析電抗器異常原因及損壞程度。

3.3 溫度場(chǎng)特征信息監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

分別安裝一根光纖測(cè)溫傳感器在A、B、C相并聯(lián)電抗器上，光纖分布于電抗器匝間、匯流排接觸點(diǎn)、電抗器內(nèi)壁、電抗器頂端，獲取電抗器完整的溫度分布場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

由于干式空心電抗器大多數(shù)的運(yùn)行故障最終都表現(xiàn)為溫度或溫升的異常，因此基于設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的干式空心電抗器故障診斷是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。熱點(diǎn)溫升和溫度場(chǎng)的分布情況是評(píng)估干式空心電抗器運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。

3.4 振動(dòng)特征信息監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

任何通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中都會(huì)受到力的作用，當(dāng)交變電流通過(guò)線圈時(shí)，帶電線圈在交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電磁力，形成電抗器的繞組振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲，電抗器振動(dòng)劇烈時(shí)會(huì)導(dǎo)致電抗器星型架連接處松動(dòng)，電阻增大，引起發(fā)熱，而發(fā)熱又是引起電抗器損壞的主要原因。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)加裝振動(dòng)傳感器，完成干式并聯(lián)電抗器的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)采集，分析電抗器振動(dòng)特征數(shù)據(jù)，提取振動(dòng)特征指紋，為電抗器特性綜合分析提供多源的數(shù)據(jù)支持。

3.5 磁通量特征信息監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

任何通有電流的導(dǎo)線，都可以在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象，稱為電流的磁效應(yīng)，根據(jù)電抗器電流和磁通量成正比的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電抗器周圍的磁通量來(lái)反映電抗器通電電流的大小?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)加裝磁通量傳感器，完成干式并聯(lián)電抗器的磁通量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

4 干式空心電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

4.1 工作地點(diǎn)

330kV武都變電站高壓場(chǎng)地3號(hào)電抗器組；主變及110kV保護(hù)小室內(nèi)35kV所用電抗器保護(hù)屏；主變及110kV直流饋線三屏；110kV故障錄波二屏；干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏。

4.2 工作內(nèi)容

在甘肅隴南330kV武都變電站主變及110kV保護(hù)小室內(nèi)安裝一套電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)（如圖2所示），完成電抗器故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。主要包括如下內(nèi)容。一是在高壓場(chǎng)地3513 3號(hào)電抗器組安裝光纖測(cè)溫傳感器、振動(dòng)傳感器、磁通量檢測(cè)傳感器，以及高壓場(chǎng)地內(nèi)的通信電纜、測(cè)溫光纖、屏柜之間電纜的鋪設(shè)；二是在主變及110kV保護(hù)小室內(nèi)新增一面電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏柜，屏柜內(nèi)安裝電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)（服務(wù)器）和顯示器、電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置、光纖測(cè)溫采集裝置、電源模塊、交換機(jī)、485集線器等；三是交直流電源、三相電壓、電流信號(hào)、三相振動(dòng)傳感器、磁通量傳感器、三相光纖測(cè)溫傳感器、對(duì)時(shí)信號(hào)的接入等；四是告警信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)接口的輸出。

4.3 工作地點(diǎn)需要停電的范圍

高壓場(chǎng)地的3號(hào)電抗器組及相關(guān)設(shè)備，35kV所用電抗器保護(hù)屏。

4.4 施工技術(shù)資料、設(shè)備及材料準(zhǔn)備

施工前根據(jù)330kV武都變電站主設(shè)備參數(shù)表及330kV武都變電站主接線圖由施工負(fù)責(zé)人收集準(zhǔn)備與工程相關(guān)的資料、文件、信息，包括設(shè)備技術(shù)資料、網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)、設(shè)備供電規(guī)格等，以及業(yè)主單位相關(guān)制度、規(guī)定，并由專人保管。根據(jù)技術(shù)資料編制施工方案及設(shè)備調(diào)試計(jì)劃，并及時(shí)與業(yè)主單位相關(guān)技術(shù)及管理人員進(jìn)行確認(rèn)審核；根據(jù)施工方案及調(diào)試計(jì)劃進(jìn)行施工、施工涉及的設(shè)備、輔料及工器具調(diào)的準(zhǔn)備。

4.5 屏柜安裝

4.5.1 干式空心電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏安裝

在主變及110kV保護(hù)小室內(nèi)安裝一面電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏，該瓶體尺寸為2260mm×800mm×600mm，顏色考慮與現(xiàn)場(chǎng)其他屏柜相同。

4.5.2 設(shè)備安裝

在屏柜內(nèi)安裝電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)（服務(wù)器）和顯示器、電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置、光纖測(cè)溫采集裝置、電源模塊、交換機(jī)、485集線器等設(shè)備（如圖3所示）。

4.5.3 設(shè)備電源

220V直流電源從主變及110kV直流電源饋線三屏備用空開取，經(jīng)過(guò)電源模塊變換成24V，給屏柜內(nèi)相關(guān)設(shè)備及傳感器供電（包括交換機(jī)、485集線器、光纖測(cè)溫采集裝置、電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置、三相振動(dòng)傳感器、磁通量傳感器），220V交流電源從35kV所用電抗器保護(hù)屏并聯(lián)獲取，給電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)（服務(wù)器）和顯示器供電（如圖2所示）。

4.5.4 電流電壓信號(hào)

電抗器的三相電流、三相電壓信號(hào)從35kV所用電抗器保護(hù)屏內(nèi)采用電流串、電壓并的方式獲?。ㄈ鐖D2所示）。

4.5.5 告警信號(hào)

電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的繼電器告警輸出硬接點(diǎn)接到35kV所用電抗器保護(hù)屏的保護(hù)裝置上（如圖2所示）。

4.5.6 對(duì)時(shí)信號(hào)

IRIG-B碼對(duì)時(shí)信號(hào)從110kV故障錄波二屏取，通過(guò)雙絞線接到電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)時(shí)接口上（如圖2所示）。

4.5.7 網(wǎng)絡(luò)接口

支持Modbus-TCP或IEC103規(guī)約，通過(guò)100/1000M網(wǎng)口將電抗器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、裝置異常等信息傳送給省物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（如圖2所示）。

4.6 振動(dòng)傳感器安裝

現(xiàn)場(chǎng)在35kV 3513區(qū)域3號(hào)電抗器組A、B、C相的三個(gè)電抗器上分別安裝一臺(tái)振動(dòng)傳感器，使用不銹鋼304老虎卡將傳感器固定在支撐柱上。通信：振動(dòng)傳感器的485通信線接至在主變及110kV保護(hù)小室電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏的485集線器上，再通過(guò)485集線器接到電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置上（如圖2所示）。電源：振動(dòng)傳感器采用24V供電，電源線接至主變及110kV保護(hù)小室電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏的24V電源上（如圖2所示）。

4.7 光纖測(cè)溫傳感器安裝

現(xiàn)場(chǎng)在35kV 3513區(qū)域3號(hào)電抗器組的A相電抗器上安裝一根光纖測(cè)溫傳感器，從靠近三個(gè)電抗器交匯處的電抗器支撐柱上，按照米字型將電抗器同心圓分成8個(gè)扇區(qū)，從內(nèi)圈開始，穿過(guò)每個(gè)扇區(qū)的匝間，沿同心圓逆時(shí)針?lè)较?，同一扇區(qū)從上向下縱向繞線，在從下往上縱向繞線，然后從上部到另一個(gè)扇區(qū)，依次完成8個(gè)扇區(qū)的繞線，再依次向外圈發(fā)展，繞線在2、4、6、8、10層直到外圈10的匝間上端，最后在電抗器上端部沿同心圓繞5圈結(jié)束。B和C相電抗器安裝光纖測(cè)溫傳感器按照A相電抗器安裝方法實(shí)施。A、B、C三相光纖線分別接在主變及110kV保護(hù)小室內(nèi)電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏內(nèi)光纖測(cè)溫采集裝置三個(gè)光纖采樣通道上。

4.8 磁通量檢測(cè)傳感器安裝

現(xiàn)場(chǎng)在35kV 3513區(qū)域3號(hào)電抗器A、B、C相三個(gè)電抗器交匯（重心）處的鐵塔上安裝一臺(tái)磁通量傳感器，使用絕緣纖維扎帶將傳感器固定在支撐柱上。通信：磁通量檢測(cè)傳感器的485通信線接至在主變及110kV保護(hù)小室電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏內(nèi)485集線器上，在通過(guò)485集線器接到電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置上（如圖2所示）。電源：磁通量檢測(cè)傳感器采用24V供電，電源線接至在主變及110kV保護(hù)小室電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏的24V電源上（如圖2所示）。

5 項(xiàng)目試驗(yàn)及驗(yàn)收

試驗(yàn)及驗(yàn)收的時(shí)間和條件由國(guó)網(wǎng)隴南電力公司根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試的進(jìn)度確定，目的是檢驗(yàn)電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)是否達(dá)到要求，主要完成以下項(xiàng)目。

5.1 外觀檢查

一是電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)（服務(wù)器）和顯示器、電抗器在線監(jiān)測(cè)裝置、光纖測(cè)溫采集裝置、電源模塊、交換機(jī)、485集線器等設(shè)備外觀無(wú)損傷、無(wú)機(jī)械變形、表面鍍層均勻顏色正確、金屬件無(wú)銹蝕、螺釘緊固；二是電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)屏外觀無(wú)損傷、無(wú)機(jī)械變形、表面鍍層均勻顏色正確、金屬件無(wú)銹蝕；螺釘緊固；三是現(xiàn)場(chǎng)安裝的振動(dòng)傳感器、磁通量傳感器、光纖傳感器外觀無(wú)損傷、無(wú)機(jī)械變形、金屬件無(wú)銹蝕；螺釘緊固；四是屏柜內(nèi)部布置合理、接線排列整齊美觀、端子壓接牢固，接頭銅絲無(wú)外露，標(biāo)志標(biāo)識(shí)清晰準(zhǔn)確、散熱、防塵、封堵、接地滿足安全運(yùn)行要求。

5.2 網(wǎng)絡(luò)通信檢查

可通過(guò)Modbus-TCP或IEC103協(xié)議接入甘肅省隴南電力公司物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，數(shù)據(jù)通信正常可靠。

5.3 采集數(shù)據(jù)種類檢查

一是可顯示電抗器電壓、電流、相位等數(shù)據(jù)；二是可顯示電抗器阻抗、感抗、電感量等數(shù)據(jù)；三是可顯示電抗器功率、功率因數(shù)等信息；四是可顯示電抗器詳細(xì)溫度數(shù)據(jù)，包括各包封溫度、平均溫度、最高溫度等；五是可顯示電抗器振動(dòng)數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)幅值、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度、振動(dòng)頻率等；六是可顯示電抗器詳細(xì)文檔數(shù)據(jù)、包括各包封溫度、平均溫度、最高溫度等。

5.4 圖形化人機(jī)交互界面完備性，響應(yīng)時(shí)間和刷新周期檢查

電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)界面布局合理、字體大小合適，裝置工作狀態(tài)以及采集數(shù)值顯示清晰準(zhǔn)確，圖形化人機(jī)交互界面響應(yīng)時(shí)間不大于30s，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息、告警信息、運(yùn)行工況等數(shù)據(jù)刷新周期不大于5s。

5.5 數(shù)據(jù)采集精度及范圍檢查

一是三相電壓范圍0～120V，精度：±1%FS；二是三相電流范圍0～2A，精度：±1%FS；三是相位測(cè)量精度±0.5°；四是光纖測(cè)溫范圍-30～105℃，精度：±2%FS；

5.6 系統(tǒng)的人工啟動(dòng)和自啟動(dòng)檢查

電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)人工啟動(dòng)、自啟動(dòng)各10次，系統(tǒng)啟動(dòng)正常，無(wú)系統(tǒng)崩潰或死機(jī)現(xiàn)象發(fā)生。

5.7 系統(tǒng)告警檢查

具備對(duì)電抗器功率因數(shù)、阻抗、振動(dòng)、溫度的分析判斷和告警功能，當(dāng)有告警信息時(shí)，界面上提示告警原因，系統(tǒng)輸出相應(yīng)的硬接點(diǎn)。

5.8 系統(tǒng)的穩(wěn)定性檢查

電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)在常溫下進(jìn)行穩(wěn)定性運(yùn)行72h，系統(tǒng)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)測(cè)量顯示準(zhǔn)確，通信正常，無(wú)系統(tǒng)崩潰或死機(jī)現(xiàn)象發(fā)生。

綜上，針對(duì)電抗器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁場(chǎng)干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，單一測(cè)量分析電抗器的運(yùn)行特征無(wú)法反應(yīng)電抗器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)干式電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)采集方法，能采集電抗器電參數(shù)（包括電流、阻抗）特征信息、溫度場(chǎng)特征信息、振動(dòng)特征信息、磁通量特征信息，按照實(shí)施方案完成該變電站項(xiàng)目施工，項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收。電抗器故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)在該變電站較好地解決了電抗器狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的難題，為運(yùn)維人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電抗器狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)早期故障預(yù)警提供自動(dòng)化科學(xué)監(jiān)測(cè)手段。該項(xiàng)目成本低廉，施工方便，監(jiān)測(cè)技術(shù)先進(jìn)，具有普遍推廣使用的現(xiàn)實(shí)意義，該科技項(xiàng)目的推廣使用，對(duì)維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展具有十分重要的意義。