干式空心電抗器狀態監測實現方法與實施方案

國網甘肅省電力公司隴南供電公司 杜貴寶 米雪峰 任秉珍 李 權 杜勇軍

成都工百利自動化設備有限公司 程加強

1 引言

電抗器是變電站中的重要設備，電抗器作為感性元件，在電力系統中起補償容性無功[1]、抑制高次諧波[2]、限制短路電流、保護電容器、提高電能質量等作用，是維持無功功率平衡、穩定穩態電壓的重要設備。干式空心電抗器由于沒有閉合的鐵磁回路，因此不存在磁飽和問題。同時，還具有線性特性好、維護簡單、可靠性高、可回收利用等優點，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及以下電壓等級的輸配電網中使用比例高達70%以上[3]。然而，由于沒有鐵心，導致干式空心電抗器漏磁嚴重，存在周圍磁場強度較大、電磁干擾范圍廣的缺點，會在電抗器和其周圍的設備中產生渦流，從而提高了設備的損耗，對設備的正常運行造成影響。

2 電抗器狀態監測方法

為及時發現和消除影響電抗器安全穩定運行的隱患，克服單一監測或者保護手段的局限性，采樣一種簡單、安全、性價比高的狀態監測方法。

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

采用多維度狀態參數故障分析與預警技術，以及不同相、不同設備、不同類型電抗器在不同時期的橫、縱向對比分析等，及時發現電抗器特性異常變遷信息、發出預警信號，可為電抗器實現狀態檢修提供重要決策依據，降低運維成本、提高設備運行的穩定性。

3 電抗器狀態監測信號實現方法

結合現場情況及電抗器安裝環境，闡述電抗器電參量特征信息（包括電流、阻抗）、溫度場特征信息、振動特征信息及磁通量特征信息四個方面完成電抗器狀態監測信號采集實現方法。

3.1 電流特征信息監測實現方法

電氣參數作為電力設備的基本特性，針對并聯電抗器，只需在進線處每相安裝一只高頻電流傳感器就可以實現電抗器的電流分析，成本低、工程實施簡單、數據可靠。若并聯電抗器進線具有保護CT，考慮保護CT頻率的動態響應范圍較大，也可直接應用小波分析對其進行數據分析，減少建設成本，但相對于高頻電流CT采樣精度略低。

現場采用許繼變壓器有限公司生產的BKGKL-10000/35型號的并聯干式空心電抗器，干式空心電抗器在線監測裝置的電流、電壓信號從35kV所用電抗器保護屏采用電流串聯、電壓并聯的方式獲取。

3.2 阻抗特征信息獲取實現方法

阻抗特征信息作為計算得到的特征參數，通過電抗器在線監測裝置采集電抗器的電壓信號和電流信號實現阻抗特征信息數據，能準確地反映設備的運行狀況。通過分析干式空心電抗器在不同工作狀態、不同位置發生故障前后電氣參數的變化規律，可以有效地對電抗器的工作狀態進行判斷，其中基于阻抗變化的故障監測方法應用廣泛。

研究電抗器在不同工作條件及異常狀態下的阻抗變化特征，建立專家模型庫。通過采集母線PT電壓，并結合并聯電抗器的電流特征參數，實時在線監測獲取的電抗器阻抗變化，生成并聯電抗器阻抗特征分析結果，分析電抗器異常原因及損壞程度。

3.3 溫度場特征信息監測實現方法

分別安裝一根光纖測溫傳感器在A、B、C相并聯電抗器上，光纖分布于電抗器匝間、匯流排接觸點、電抗器內壁、電抗器頂端，獲取電抗器完整的溫度分布場數據監測。

由于干式空心電抗器大多數的運行故障最終都表現為溫度或溫升的異常，因此基于設備溫度監測的干式空心電抗器故障診斷是目前國內外學者研究的重點。熱點溫升和溫度場的分布情況是評估干式空心電抗器運行狀態的重要指標。

3.4 振動特征信息監測實現方法

任何通電導體在磁場中都會受到力的作用，當交變電流通過線圈時，帶電線圈在交變磁場中會產生電磁力，形成電抗器的繞組振動，從而產生噪聲，電抗器振動劇烈時會導致電抗器星型架連接處松動，電阻增大，引起發熱，而發熱又是引起電抗器損壞的主要原因。

現場通過加裝振動傳感器，完成干式并聯電抗器的振動特征數據采集，分析電抗器振動特征數據，提取振動特征指紋，為電抗器特性綜合分析提供多源的數據支持。

3.5 磁通量特征信息監測實現方法

任何通有電流的導線，都可以在其周圍產生磁場的現象，稱為電流的磁效應，根據電抗器電流和磁通量成正比的關系，通過測量電抗器周圍的磁通量來反映電抗器通電電流的大小。現場通過加裝磁通量傳感器，完成干式并聯電抗器的磁通量數據監測。

4 干式空心電抗器狀態監測實施方案

4.1 工作地點

330kV武都變電站高壓場地3號電抗器組；主變及110kV保護小室內35kV所用電抗器保護屏；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測與預警系統屏。

4.2 工作內容

在甘肅隴南330kV武都變電站主變及110kV保護小室內安裝一套電抗器故障監測與預警系統（如圖2所示），完成電抗器故障監測和預警功能。主要包括如下內容。一是在高壓場地3513 3號電抗器組安裝光纖測溫傳感器、振動傳感器、磁通量檢測傳感器，以及高壓場地內的通信電纜、測溫光纖、屏柜之間電纜的鋪設；二是在主變及110kV保護小室內新增一面電抗器故障監測與預警系統屏柜，屏柜內安裝電抗器故障監測與預警系統主機（服務器）和顯示器、電抗器在線監測裝置、光纖測溫采集裝置、電源模塊、交換機、485集線器等；三是交直流電源、三相電壓、電流信號、三相振動傳感器、磁通量傳感器、三相光纖測溫傳感器、對時信號的接入等；四是告警信號、網絡接口的輸出。

4.3 工作地點需要停電的范圍

高壓場地的3號電抗器組及相關設備，35kV所用電抗器保護屏。

4.4 施工技術資料、設備及材料準備

施工前根據330kV武都變電站主設備參數表及330kV武都變電站主接線圖由施工負責人收集準備與工程相關的資料、文件、信息，包括設備技術資料、網絡通信參數、設備供電規格等，以及業主單位相關制度、規定，并由專人保管。根據技術資料編制施工方案及設備調試計劃，并及時與業主單位相關技術及管理人員進行確認審核；根據施工方案及調試計劃進行施工、施工涉及的設備、輔料及工器具調的準備。

4.5 屏柜安裝

4.5.1 干式空心電抗器故障監測與預警系統屏安裝

在主變及110kV保護小室內安裝一面電抗器故障監測與預警系統屏，該瓶體尺寸為2260mm×800mm×600mm，顏色考慮與現場其他屏柜相同。

4.5.2 設備安裝

在屏柜內安裝電抗器故障監測與預警系統主機（服務器）和顯示器、電抗器在線監測裝置、光纖測溫采集裝置、電源模塊、交換機、485集線器等設備（如圖3所示）。

4.5.3 設備電源

220V直流電源從主變及110kV直流電源饋線三屏備用空開取，經過電源模塊變換成24V，給屏柜內相關設備及傳感器供電（包括交換機、485集線器、光纖測溫采集裝置、電抗器在線監測裝置、三相振動傳感器、磁通量傳感器），220V交流電源從35kV所用電抗器保護屏并聯獲取，給電抗器故障監測與預警系統主機（服務器）和顯示器供電（如圖2所示）。

4.5.4 電流電壓信號

電抗器的三相電流、三相電壓信號從35kV所用電抗器保護屏內采用電流串、電壓并的方式獲取（如圖2所示）。

4.5.5 告警信號

電抗器故障監測與預警系統的繼電器告警輸出硬接點接到35kV所用電抗器保護屏的保護裝置上（如圖2所示）。

4.5.6 對時信號

IRIG-B碼對時信號從110kV故障錄波二屏取，通過雙絞線接到電抗器在線監測裝置對時接口上（如圖2所示）。

4.5.7 網絡接口

支持Modbus-TCP或IEC103規約，通過100/1000M網口將電抗器實時數據信息、裝置異常等信息傳送給省物聯網系統（如圖2所示）。

4.6 振動傳感器安裝

現場在35kV 3513區域3號電抗器組A、B、C相的三個電抗器上分別安裝一臺振動傳感器，使用不銹鋼304老虎卡將傳感器固定在支撐柱上。通信：振動傳感器的485通信線接至在主變及110kV保護小室電抗器故障監測與預警系統屏的485集線器上，再通過485集線器接到電抗器在線監測裝置上（如圖2所示）。電源：振動傳感器采用24V供電，電源線接至主變及110kV保護小室電抗器故障監測與預警系統屏的24V電源上（如圖2所示）。

4.7 光纖測溫傳感器安裝

現場在35kV 3513區域3號電抗器組的A相電抗器上安裝一根光纖測溫傳感器，從靠近三個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個扇區，從內圈開始，穿過每個扇區的匝間，沿同心圓逆時針方向，同一扇區從上向下縱向繞線，在從下往上縱向繞線，然后從上部到另一個扇區，依次完成8個扇區的繞線，再依次向外圈發展，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圈結束。B和C相電抗器安裝光纖測溫傳感器按照A相電抗器安裝方法實施。A、B、C三相光纖線分別接在主變及110kV保護小室內電抗器故障監測與預警系統屏內光纖測溫采集裝置三個光纖采樣通道上。

4.8 磁通量檢測傳感器安裝

現場在35kV 3513區域3號電抗器A、B、C相三個電抗器交匯（重心）處的鐵塔上安裝一臺磁通量傳感器，使用絕緣纖維扎帶將傳感器固定在支撐柱上。通信：磁通量檢測傳感器的485通信線接至在主變及110kV保護小室電抗器故障監測與預警系統屏內485集線器上，在通過485集線器接到電抗器在線監測裝置上（如圖2所示）。電源：磁通量檢測傳感器采用24V供電，電源線接至在主變及110kV保護小室電抗器故障監測與預警系統屏的24V電源上（如圖2所示）。

5 項目試驗及驗收

試驗及驗收的時間和條件由國網隴南電力公司根據現場安裝和調試的進度確定，目的是檢驗電抗器故障監測與預警系統的各項功能是否實現，系統的性能指標是否達到要求，主要完成以下項目。

5.1 外觀檢查

一是電抗器故障監測與預警系統主機（服務器）和顯示器、電抗器在線監測裝置、光纖測溫采集裝置、電源模塊、交換機、485集線器等設備外觀無損傷、無機械變形、表面鍍層均勻顏色正確、金屬件無銹蝕、螺釘緊固；二是電抗器故障監測與預警系統屏外觀無損傷、無機械變形、表面鍍層均勻顏色正確、金屬件無銹蝕；螺釘緊固；三是現場安裝的振動傳感器、磁通量傳感器、光纖傳感器外觀無損傷、無機械變形、金屬件無銹蝕；螺釘緊固；四是屏柜內部布置合理、接線排列整齊美觀、端子壓接牢固，接頭銅絲無外露，標志標識清晰準確、散熱、防塵、封堵、接地滿足安全運行要求。

5.2 網絡通信檢查

可通過Modbus-TCP或IEC103協議接入甘肅省隴南電力公司物聯網平臺，數據通信正常可靠。

5.3 采集數據種類檢查

一是可顯示電抗器電壓、電流、相位等數據；二是可顯示電抗器阻抗、感抗、電感量等數據；三是可顯示電抗器功率、功率因數等信息；四是可顯示電抗器詳細溫度數據，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數據，包括振動幅值、振動速度、振動加速度、振動頻率等；六是可顯示電抗器詳細文檔數據、包括各包封溫度、平均溫度、最高溫度等。

5.4 圖形化人機交互界面完備性，響應時間和刷新周期檢查

電抗器故障監測與預警系統界面布局合理、字體大小合適，裝置工作狀態以及采集數值顯示清晰準確，圖形化人機交互界面響應時間不大于30s，監測的數據信息、告警信息、運行工況等數據刷新周期不大于5s。

5.5 數據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；三是相位測量精度±0.5°；四是光纖測溫范圍-30～105℃，精度：±2%FS；

5.6 系統的人工啟動和自啟動檢查

電抗器故障監測與預警系統人工啟動、自啟動各10次，系統啟動正常，無系統崩潰或死機現象發生。

5.7 系統告警檢查

具備對電抗器功率因數、阻抗、振動、溫度的分析判斷和告警功能，當有告警信息時，界面上提示告警原因，系統輸出相應的硬接點。

5.8 系統的穩定性檢查

電抗器故障監測與預警系統在常溫下進行穩定性運行72h，系統運行正常，數據測量顯示準確，通信正常，無系統崩潰或死機現象發生。

綜上，針對電抗器監測結構復雜、電磁場干擾強的特點，單一測量分析電抗器的運行特征無法反應電抗器的實際運行狀態。通過干式電抗器狀態監測信號采集方法，能采集電抗器電參數（包括電流、阻抗）特征信息、溫度場特征信息、振動特征信息、磁通量特征信息，按照實施方案完成該變電站項目施工，項目順利通過驗收。電抗器故障監測與預警系統在該變電站較好地解決了電抗器狀態監測和預警的難題，為運維人員實時監測電抗器狀態，發現早期故障預警提供自動化科學監測手段。該項目成本低廉，施工方便，監測技術先進，具有普遍推廣使用的現實意義，該科技項目的推廣使用，對維護電力系統安全穩定運行、推動社會經濟繁榮發展具有十分重要的意義。