国网甘肃省电力公司陇南供电公司 杜贵宝 米雪峰 任秉珍 李 权 杜勇军

成都工百利自动化设备有限公司 程加强

1 引言

电抗器是变电站中的重要设备，电抗器作为感性元件，在电力系统中起补偿容性无功[1]、抑制高次谐波[2]、限制短路电流、保护电容器、提高电能质量等作用，是维持无功功率平衡、稳定稳态电压的重要设备。干式空心电抗器由于没有闭合的铁磁回路，因此不存在磁饱和问题。同时，还具有线性特性好、维护简单、可靠性高、可回收利用等优点，在常温下有良好的绝缘性能，逐渐取代了油浸式电抗器和老式水泥电抗器，在66kV及以下电压等级的输配电网中使用比例高达70%以上[3]。然而，由于没有铁心，导致干式空心电抗器漏磁严重，存在周围磁场强度较大、电磁干扰范围广的缺点，会在电抗器和其周围的设备中产生涡流，从而提高了设备的损耗，对设备的正常运行造成影响。

2 电抗器状态监测方法

为及时发现和消除影响电抗器安全稳定运行的隐患，克服单一监测或者保护手段的局限性，采样一种简单、安全、性价比高的状态监测方法。

该方法能提取电抗器电参数特征信息（包括电流、阻抗）、温度场特征信息、振动特征信息及磁通量特征信息，如图1所示，通过高频采样和小波分析技术获取电抗器电气暂态及机械振动特征信号；采用分布式光纤测温技术为干式空心电抗器建立温度场，通过加装振动传感器，分析电抗器振动特征数据，提取振动特征指纹，通过加装磁通量传感器，提取磁通量特征数据，为电抗器特性综合分析提供多源的数据支持。

采用多维度状态参数故障分析与预警技术，以及不同相、不同设备、不同类型电抗器在不同时期的横、纵向对比分析等，及时发现电抗器特性异常变迁信息、发出预警信号，可为电抗器实现状态检修提供重要决策依据，降低运维成本、提高设备运行的稳定性。

3 电抗器状态监测信号实现方法

结合现场情况及电抗器安装环境，阐述电抗器电参量特征信息（包括电流、阻抗）、温度场特征信息、振动特征信息及磁通量特征信息四个方面完成电抗器状态监测信号采集实现方法。

3.1 电流特征信息监测实现方法

电气参数作为电力设备的基本特性，针对并联电抗器，只需在进线处每相安装一只高频电流传感器就可以实现电抗器的电流分析，成本低、工程实施简单、数据可靠。若并联电抗器进线具有保护CT，考虑保护CT频率的动态响应范围较大，也可直接应用小波分析对其进行数据分析，减少建设成本，但相对于高频电流CT采样精度略低。

现场采用许继变压器有限公司生产的BKGKL-10000/35型号的并联干式空心电抗器，干式空心电抗器在线监测装置的电流、电压信号从35kV所用电抗器保护屏采用电流串联、电压并联的方式获取。

3.2 阻抗特征信息获取实现方法

阻抗特征信息作为计算得到的特征参数，通过电抗器在线监测装置采集电抗器的电压信号和电流信号实现阻抗特征信息数据，能准确地反映设备的运行状况。通过分析干式空心电抗器在不同工作状态、不同位置发生故障前后电气参数的变化规律，可以有效地对电抗器的工作状态进行判断，其中基于阻抗变化的故障监测方法应用广泛。

研究电抗器在不同工作条件及异常状态下的阻抗变化特征，建立专家模型库。通过采集母线PT电压，并结合并联电抗器的电流特征参数，实时在线监测获取的电抗器阻抗变化，生成并联电抗器阻抗特征分析结果，分析电抗器异常原因及损坏程度。

3.3 温度场特征信息监测实现方法

分别安装一根光纤测温传感器在A、B、C相并联电抗器上，光纤分布于电抗器匝间、汇流排接触点、电抗器内壁、电抗器顶端，获取电抗器完整的温度分布场数据监测。

由于干式空心电抗器大多数的运行故障最终都表现为温度或温升的异常，因此基于设备温度监测的干式空心电抗器故障诊断是目前国内外学者研究的重点。热点温升和温度场的分布情况是评估干式空心电抗器运行状态的重要指标。

3.4 振动特征信息监测实现方法

任何通电导体在磁场中都会受到力的作用，当交变电流通过线圈时，带电线圈在交变磁场中会产生电磁力，形成电抗器的绕组振动，从而产生噪声，电抗器振动剧烈时会导致电抗器星型架连接处松动，电阻增大，引起发热，而发热又是引起电抗器损坏的主要原因。

现场通过加装振动传感器，完成干式并联电抗器的振动特征数据采集，分析电抗器振动特征数据，提取振动特征指纹，为电抗器特性综合分析提供多源的数据支持。

3.5 磁通量特征信息监测实现方法

任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应，根据电抗器电流和磁通量成正比的关系，通过测量电抗器周围的磁通量来反映电抗器通电电流的大小。现场通过加装磁通量传感器，完成干式并联电抗器的磁通量数据监测。

4 干式空心电抗器状态监测实施方案

4.1 工作地点

330kV武都变电站高压场地3号电抗器组；主变及110kV保护小室内35kV所用电抗器保护屏；主变及110kV直流馈线三屏；110kV故障录波二屏；干式空心电抗器故障监测与预警系统屏。

4.2 工作内容

在甘肃陇南330kV武都变电站主变及110kV保护小室内安装一套电抗器故障监测与预警系统（如图2所示），完成电抗器故障监测和预警功能。主要包括如下内容。一是在高压场地3513 3号电抗器组安装光纤测温传感器、振动传感器、磁通量检测传感器，以及高压场地内的通信电缆、测温光纤、屏柜之间电缆的铺设；二是在主变及110kV保护小室内新增一面电抗器故障监测与预警系统屏柜，屏柜内安装电抗器故障监测与预警系统主机（服务器）和显示器、电抗器在线监测装置、光纤测温采集装置、电源模块、交换机、485集线器等；三是交直流电源、三相电压、电流信号、三相振动传感器、磁通量传感器、三相光纤测温传感器、对时信号的接入等；四是告警信号、网络接口的输出。

4.3 工作地点需要停电的范围

高压场地的3号电抗器组及相关设备，35kV所用电抗器保护屏。

4.4 施工技术资料、设备及材料准备

施工前根据330kV武都变电站主设备参数表及330kV武都变电站主接线图由施工负责人收集准备与工程相关的资料、文件、信息，包括设备技术资料、网络通信参数、设备供电规格等，以及业主单位相关制度、规定，并由专人保管。根据技术资料编制施工方案及设备调试计划，并及时与业主单位相关技术及管理人员进行确认审核；根据施工方案及调试计划进行施工、施工涉及的设备、辅料及工器具调的准备。

4.5 屏柜安装

4.5.1 干式空心电抗器故障监测与预警系统屏安装

在主变及110kV保护小室内安装一面电抗器故障监测与预警系统屏，该瓶体尺寸为2260mm×800mm×600mm，颜色考虑与现场其他屏柜相同。

4.5.2 设备安装

在屏柜内安装电抗器故障监测与预警系统主机（服务器）和显示器、电抗器在线监测装置、光纤测温采集装置、电源模块、交换机、485集线器等设备（如图3所示）。

4.5.3 设备电源

220V直流电源从主变及110kV直流电源馈线三屏备用空开取，经过电源模块变换成24V，给屏柜内相关设备及传感器供电（包括交换机、485集线器、光纤测温采集装置、电抗器在线监测装置、三相振动传感器、磁通量传感器），220V交流电源从35kV所用电抗器保护屏并联获取，给电抗器故障监测与预警系统主机（服务器）和显示器供电（如图2所示）。

4.5.4 电流电压信号

电抗器的三相电流、三相电压信号从35kV所用电抗器保护屏内采用电流串、电压并的方式获取（如图2所示）。

4.5.5 告警信号

电抗器故障监测与预警系统的继电器告警输出硬接点接到35kV所用电抗器保护屏的保护装置上（如图2所示）。

4.5.6 对时信号

IRIG-B码对时信号从110kV故障录波二屏取，通过双绞线接到电抗器在线监测装置对时接口上（如图2所示）。

4.5.7 网络接口

支持Modbus-TCP或IEC103规约，通过100/1000M网口将电抗器实时数据信息、装置异常等信息传送给省物联网系统（如图2所示）。

4.6 振动传感器安装

现场在35kV 3513区域3号电抗器组A、B、C相的三个电抗器上分别安装一台振动传感器，使用不锈钢304老虎卡将传感器固定在支撑柱上。通信：振动传感器的485通信线接至在主变及110kV保护小室电抗器故障监测与预警系统屏的485集线器上，再通过485集线器接到电抗器在线监测装置上（如图2所示）。电源：振动传感器采用24V供电，电源线接至主变及110kV保护小室电抗器故障监测与预警系统屏的24V电源上（如图2所示）。

4.7 光纤测温传感器安装

现场在35kV 3513区域3号电抗器组的A相电抗器上安装一根光纤测温传感器，从靠近三个电抗器交汇处的电抗器支撑柱上，按照米字型将电抗器同心圆分成8个扇区，从内圈开始，穿过每个扇区的匝间，沿同心圆逆时针方向，同一扇区从上向下纵向绕线，在从下往上纵向绕线，然后从上部到另一个扇区，依次完成8个扇区的绕线，再依次向外圈发展，绕线在2、4、6、8、10层直到外圈10的匝间上端，最后在电抗器上端部沿同心圆绕5圈结束。B和C相电抗器安装光纤测温传感器按照A相电抗器安装方法实施。A、B、C三相光纤线分别接在主变及110kV保护小室内电抗器故障监测与预警系统屏内光纤测温采集装置三个光纤采样通道上。

4.8 磁通量检测传感器安装

现场在35kV 3513区域3号电抗器A、B、C相三个电抗器交汇（重心）处的铁塔上安装一台磁通量传感器，使用绝缘纤维扎带将传感器固定在支撑柱上。通信：磁通量检测传感器的485通信线接至在主变及110kV保护小室电抗器故障监测与预警系统屏内485集线器上，在通过485集线器接到电抗器在线监测装置上（如图2所示）。电源：磁通量检测传感器采用24V供电，电源线接至在主变及110kV保护小室电抗器故障监测与预警系统屏的24V电源上（如图2所示）。

5 项目试验及验收

试验及验收的时间和条件由国网陇南电力公司根据现场安装和调试的进度确定，目的是检验电抗器故障监测与预警系统的各项功能是否实现，系统的性能指标是否达到要求，主要完成以下项目。

5.1 外观检查

一是电抗器故障监测与预警系统主机（服务器）和显示器、电抗器在线监测装置、光纤测温采集装置、电源模块、交换机、485集线器等设备外观无损伤、无机械变形、表面镀层均匀颜色正确、金属件无锈蚀、螺钉紧固；二是电抗器故障监测与预警系统屏外观无损伤、无机械变形、表面镀层均匀颜色正确、金属件无锈蚀；螺钉紧固；三是现场安装的振动传感器、磁通量传感器、光纤传感器外观无损伤、无机械变形、金属件无锈蚀；螺钉紧固；四是屏柜内部布置合理、接线排列整齐美观、端子压接牢固，接头铜丝无外露，标志标识清晰准确、散热、防尘、封堵、接地满足安全运行要求。

5.2 网络通信检查

可通过Modbus-TCP或IEC103协议接入甘肃省陇南电力公司物联网平台，数据通信正常可靠。

5.3 采集数据种类检查

一是可显示电抗器电压、电流、相位等数据；二是可显示电抗器阻抗、感抗、电感量等数据；三是可显示电抗器功率、功率因数等信息；四是可显示电抗器详细温度数据，包括各包封温度、平均温度、最高温度等；五是可显示电抗器振动数据，包括振动幅值、振动速度、振动加速度、振动频率等；六是可显示电抗器详细文档数据、包括各包封温度、平均温度、最高温度等。

5.4 图形化人机交互界面完备性，响应时间和刷新周期检查

电抗器故障监测与预警系统界面布局合理、字体大小合适，装置工作状态以及采集数值显示清晰准确，图形化人机交互界面响应时间不大于30s，监测的数据信息、告警信息、运行工况等数据刷新周期不大于5s。

5.5 数据采集精度及范围检查

一是三相电压范围0～120V，精度：±1%FS；二是三相电流范围0～2A，精度：±1%FS；三是相位测量精度±0.5°；四是光纤测温范围-30～105℃，精度：±2%FS；

5.6 系统的人工启动和自启动检查

电抗器故障监测与预警系统人工启动、自启动各10次，系统启动正常，无系统崩溃或死机现象发生。

5.7 系统告警检查

具备对电抗器功率因数、阻抗、振动、温度的分析判断和告警功能，当有告警信息时，界面上提示告警原因，系统输出相应的硬接点。

5.8 系统的稳定性检查

电抗器故障监测与预警系统在常温下进行稳定性运行72h，系统运行正常，数据测量显示准确，通信正常，无系统崩溃或死机现象发生。

综上，针对电抗器监测结构复杂、电磁场干扰强的特点，单一测量分析电抗器的运行特征无法反应电抗器的实际运行状态。通过干式电抗器状态监测信号采集方法，能采集电抗器电参数（包括电流、阻抗）特征信息、温度场特征信息、振动特征信息、磁通量特征信息，按照实施方案完成该变电站项目施工，项目顺利通过验收。电抗器故障监测与预警系统在该变电站较好地解决了电抗器状态监测和预警的难题，为运维人员实时监测电抗器状态，发现早期故障预警提供自动化科学监测手段。该项目成本低廉，施工方便，监测技术先进，具有普遍推广使用的现实意义，该科技项目的推广使用，对维护电力系统安全稳定运行、推动社会经济繁荣发展具有十分重要的意义。