羅義暉，陳極升，申狄秋

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，柳州 545006)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，干式電抗器常用于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償、諧波過濾、短路電流限制等方面，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，對維系電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的作用。

傳統(tǒng)的干式電抗器保護(hù)主要為電氣量保護(hù)，即通過對流經(jīng)干式電抗器的電流量進(jìn)行采樣判別干式電抗器是否出現(xiàn)故障。當(dāng)干式電抗器出現(xiàn)輕微的匝間短路時(shí)，干式電抗器的整體電氣參數(shù)變化不大，因此，干式電抗器電流量也不會(huì)有明顯變化，即電氣量保護(hù)(過電流保護(hù))不會(huì)啟動(dòng)。然而，這種輕微的匝間短路極有可能導(dǎo)致故障點(diǎn)持續(xù)發(fā)熱，以致進(jìn)一步破壞干式電抗器表面絕緣，擴(kuò)大短路及發(fā)熱范圍引發(fā)干式電抗器的燃燒，從而威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，基于電氣量的干式電抗器故障在線監(jiān)測手段主要有電氣參數(shù)變化監(jiān)測法、局部放電監(jiān)測法、阻抗變化監(jiān)測法等，但由于靈敏度、信號(hào)提取、實(shí)時(shí)性等方面的原因，基于電氣量的干式電抗器故障在線監(jiān)測手段受到了較大制約。電力系統(tǒng)中多用紅外測溫儀、無線感溫元件、紅外成像儀等點(diǎn)式測溫設(shè)備對干式電抗器進(jìn)行溫度監(jiān)測，由此構(gòu)成了基于非電氣量的干式電抗器故障監(jiān)測手段，具有技術(shù)成熟、測溫精度高等特點(diǎn)，但同時(shí)有著測溫區(qū)域小、存在測溫死角、無法對整體進(jìn)行感知判斷、易受電磁干擾等致命缺點(diǎn)。

針對上述問題，提出一種基于分布式測溫系統(tǒng)的干式電抗器非電量保護(hù)。通過分布式光纖測溫技術(shù)精確測量干式電抗器本體溫度來實(shí)時(shí)監(jiān)測干式電抗器的運(yùn)行情況。在監(jiān)測到干式電抗器溫度異常時(shí)，能及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)并快速切除。

1 分布式光纖測溫技術(shù)

基于拉曼散射原理的分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的光纖傳感系統(tǒng)，它是目前技術(shù)上最成熟、最有效、最先進(jìn)的分布式測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要利用高功率脈沖光在光纖中傳輸時(shí)受光纖折射率隨機(jī)起伏及纖芯的微觀不均衡等影響而產(chǎn)生拉曼散射的現(xiàn)象，根據(jù)對背向拉曼散射光信號(hào)的測量和時(shí)域分析進(jìn)行溫度的監(jiān)測和定位。該法克服了傳統(tǒng)測溫方法只能單點(diǎn)測溫的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)測溫光纖全長進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并確定熱點(diǎn)位置，同時(shí)還具有絕緣性能佳、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 干式電抗器非電量保護(hù)

基于分布式光纖測溫的干式電抗器非電量保護(hù)系統(tǒng)主要包括被保護(hù)電抗器、測溫光纜、分布式光纖測溫主機(jī)、中央處理器、監(jiān)控后臺(tái)、出口繼電器、斷路器等部分。

測溫光纜敷設(shè)時(shí)，沿每層風(fēng)道將光纜繞制成長度為0.5 m的圓環(huán)，并使圓環(huán)置于風(fēng)道口中部位置懸空，將傳感光纜由外向內(nèi)沿著每層風(fēng)道口固定。光纜尾端固定在電抗器上部支架并通過絕緣套管引至地面后，用同樣的方法將同一組測溫光纜與另外兩相干式電抗器相連接，并最終引至測溫主機(jī)。

構(gòu)成分布式光纖測溫系統(tǒng)的測溫光纖，主要由三主一備4根測溫光纖組成。處于高壓、高溫、強(qiáng)磁環(huán)境中的測溫光纜，應(yīng)滿足以下基本要求。

(1) 測溫光纜內(nèi)的測溫光纖、填充物、護(hù)套及表皮等均由絕緣、阻燃材料組成，保證測溫光纜不會(huì)影響被保護(hù)干式電抗器的絕緣性能及電氣特性。

(2) 測溫光纜應(yīng)以恰當(dāng)方式敷設(shè)于被保護(hù)干式電抗器表面，保證無測溫死角。

(3) 測溫光纜在-50～200 ℃范圍內(nèi)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行、準(zhǔn)確測溫，并能夠短時(shí)承受250 ℃。

分布式測溫主機(jī)用于向測溫光纜內(nèi)的各光纖發(fā)射探測脈沖光，利用光時(shí)域反射或光頻域反射技術(shù)對測溫光纜的全長進(jìn)行實(shí)時(shí)測溫，并將測溫光纜的通道情況、溫度信息反饋至中央處理器，其工作流程如圖1所示。

圖1 測溫主機(jī)工作流程

在每一個(gè)測溫循環(huán)中，分布式測溫主機(jī)先對測溫光纖內(nèi)的4個(gè)測溫通道的狀態(tài)進(jìn)行巡檢，若發(fā)現(xiàn)3個(gè)主測溫通道中有1個(gè)損壞，則自動(dòng)切換至備用通道后再進(jìn)行測溫。分布式測溫主機(jī)應(yīng)具備以下性能特征。

(1) 可實(shí)現(xiàn)多通道測溫，測溫通道不小于4個(gè)。

(2) 單通道測溫時(shí)間小于5 s，空間分辨率不小于0.5 m，測溫精度不大于0.5 ℃，測溫距離不小于3 km。

(3) 具備測溫光纖通道檢查功能，能夠通過光發(fā)與光收對測溫通道進(jìn)行檢查。

(4) 執(zhí)行IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)，便于與變電站通信系統(tǒng)兼容。

中央處理器主要由DSP及相關(guān)通信接口組成，用于接收分布式測溫主機(jī)所反饋的實(shí)時(shí)信息，并將溫度信息傳輸至監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)對測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行一定的運(yùn)算處理(見表1所示)，根據(jù)處理結(jié)果對被保護(hù)干式電抗器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，在被保護(hù)干式電抗器異常、故障時(shí)及時(shí)發(fā)出告警信息及跳閘命令。

表1 中央處理器對測溫?cái)?shù)據(jù)的處理 單位：℃

T1max表示測溫通道1的空間溫度最大值

T1min表示測溫通道1的空間溫度最小值

Td1表示測溫通道1的空間最大溫差：Td1=T1max-T1min。

T2max，T3max，T2min，T2min，Td2，Td3同理。

當(dāng)T1max，T2max，T3max中有一個(gè)大于Tg時(shí)告警；當(dāng)T1max，T2max，T3max中至少有2個(gè)以上值大于Ts時(shí)跳閘。

當(dāng)任意測溫通道的測量溫度(T1，T2，T3)超過告警設(shè)定值Tg時(shí)，則向監(jiān)控后臺(tái)發(fā)送干式電抗器運(yùn)行異常告警。為防止因任意測溫通道故障引起測量溫度誤差導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，跳閘邏輯中需要2個(gè)以上通道的測量溫度超過跳閘溫度設(shè)定值Ts方可向跳閘出口繼電器發(fā)出跳閘命令。

為防止出口繼電器故障造成的保護(hù)誤動(dòng)作事故，在干式電抗器非電量保護(hù)跳閘邏輯中模仿電氣量保護(hù)設(shè)置了啟動(dòng)元件，其邏輯如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)元件動(dòng)作邏輯

當(dāng)任意測溫通道的空間最大溫差大于啟動(dòng)值Tq時(shí)，中央處理器保護(hù)啟動(dòng)元件動(dòng)作，并展寬7 s開放出口繼電器正電源。當(dāng)跳閘出口繼電器保護(hù)啟動(dòng)后，檢測到T1max，T2max，T3max中至少有2個(gè)以上大于Ts時(shí)三取二邏輯滿足，驅(qū)動(dòng)斷路器的跳閘線圈動(dòng)作，使被保護(hù)的故障干式電抗器退出運(yùn)行。

啟動(dòng)元件動(dòng)作邏輯設(shè)定依據(jù)為：干式電抗器發(fā)熱燃燒故障通常由干式電抗器局部某區(qū)域運(yùn)行溫度過高引發(fā)并發(fā)展至燃燒，因此，可利用單通道上的空間最大溫差作為保護(hù)啟動(dòng)依據(jù)。例如，測溫通道1上的100 m處測得最高溫度為100 ℃，1 000 m處測得該通道最低溫度為50 ℃，則其空間最大溫差Td1為50 ℃，用該值與啟動(dòng)值Tq比較來決定保護(hù)是否啟動(dòng)。

3 干式電抗器非電量保護(hù)主要特點(diǎn)

基于分布式光纖測溫系統(tǒng)的干式電抗器非電量保護(hù)實(shí)施之后，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

(1) 采用分布式光纖測溫技術(shù)，能夠?qū)饫w全長溫度進(jìn)行比較精確的測溫。當(dāng)測溫光纖以恰當(dāng)方式敷設(shè)于被保護(hù)干式電抗器上時(shí)，通過對測溫光纖的溫度監(jiān)測可以做到無死角、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測干式電抗器表面溫度。

(2) 采用分布式光纖測溫技術(shù)與相關(guān)判斷邏輯配合，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測被保護(hù)干式電抗器運(yùn)行情況，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)干式電抗器的非電量保護(hù)功能，從而突破了以往干式電抗器只能通過電氣量(主要是電流過流)保護(hù)的局限性，完善了干式電抗器的保護(hù)功能。

(3) 分布式光纖測溫技術(shù)抗電磁干擾能力強(qiáng)，干式電抗器附近存在一定的強(qiáng)電磁場，而光纖內(nèi)的光信號(hào)傳輸具備很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，因而能夠在惡劣電磁環(huán)境中正常運(yùn)行。

(4) 采用分布式光纖測溫技術(shù)不會(huì)改變干式電抗器的電氣特性、絕緣性能，測溫光纖由石英及絕緣外皮組成，完全絕緣，因此，其敷設(shè)不會(huì)影響到干式電抗器的電氣特性、絕緣性能。

(5) 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)簡單、方便維護(hù)、成本低；4根測溫光纖以及一套主機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)對被保護(hù)干式電抗器的監(jiān)測和保護(hù)功能；測溫光纖具備抗腐蝕性、抗干擾、耐高溫的特性，因而使用壽命長，具有一定的免維護(hù)特性。

4 結(jié)束語

分布式光纖測溫系統(tǒng)已在變壓器、高壓電纜、高壓開關(guān)柜等設(shè)備的在線式測溫和保護(hù)中得到應(yīng)用。一種基于分布式光纖測溫系統(tǒng)的干式電抗器非電量保護(hù)是對該技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展，可解決干式電抗器無可靠非電量保護(hù)的缺點(diǎn)，有效地對干式電抗器因匝間短路引起的過熱、自燃故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障切除，提高設(shè)備的安全運(yùn)行水平。