基于光纖測溫的干式電抗器非電量保護設計

羅義暉，陳極升，申狄秋

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司柳州局，柳州 545006)

0 引言

在電力系統中，干式電抗器常用于電力系統的無功補償、諧波過濾、短路電流限制等方面，是電力系統的重要設備，對維系電力系統的安全穩定運行起著重要的作用。

傳統的干式電抗器保護主要為電氣量保護，即通過對流經干式電抗器的電流量進行采樣判別干式電抗器是否出現故障。當干式電抗器出現輕微的匝間短路時，干式電抗器的整體電氣參數變化不大，因此，干式電抗器電流量也不會有明顯變化，即電氣量保護(過電流保護)不會啟動。然而，這種輕微的匝間短路極有可能導致故障點持續發熱，以致進一步破壞干式電抗器表面絕緣，擴大短路及發熱范圍引發干式電抗器的燃燒，從而威脅電網的安全穩定運行。

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

針對上述問題，提出一種基于分布式測溫系統的干式電抗器非電量保護。通過分布式光纖測溫技術精確測量干式電抗器本體溫度來實時監測干式電抗器的運行情況。在監測到干式電抗器溫度異常時，能及時發出告警信號并快速切除。

1 分布式光纖測溫技術

基于拉曼散射原理的分布式光纖測溫系統是一種用于實時測量空間溫度場分布的光纖傳感系統，它是目前技術上最成熟、最有效、最先進的分布式測溫系統。該系統主要利用高功率脈沖光在光纖中傳輸時受光纖折射率隨機起伏及纖芯的微觀不均衡等影響而產生拉曼散射的現象，根據對背向拉曼散射光信號的測量和時域分析進行溫度的監測和定位。該法克服了傳統測溫方法只能單點測溫的缺點，能夠實現對整個測溫光纖全長進行實時監控并確定熱點位置，同時還具有絕緣性能佳、抗電磁干擾能力強等優點，在電力系統中得到了廣泛的應用。

2 干式電抗器非電量保護

基于分布式光纖測溫的干式電抗器非電量保護系統主要包括被保護電抗器、測溫光纜、分布式光纖測溫主機、中央處理器、監控后臺、出口繼電器、斷路器等部分。

測溫光纜敷設時，沿每層風道將光纜繞制成長度為0.5 m的圓環，并使圓環置于風道口中部位置懸空，將傳感光纜由外向內沿著每層風道口固定。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。

構成分布式光纖測溫系統的測溫光纖，主要由三主一備4根測溫光纖組成。處于高壓、高溫、強磁環境中的測溫光纜，應滿足以下基本要求。

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

(2) 測溫光纜應以恰當方式敷設于被保護干式電抗器表面，保證無測溫死角。

(3) 測溫光纜在-50～200 ℃范圍內能夠長期穩定運行、準確測溫，并能夠短時承受250 ℃。

分布式測溫主機用于向測溫光纜內的各光纖發射探測脈沖光，利用光時域反射或光頻域反射技術對測溫光纜的全長進行實時測溫，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 測溫主機工作流程

在每一個測溫循環中，分布式測溫主機先對測溫光纖內的4個測溫通道的狀態進行巡檢，若發現3個主測溫通道中有1個損壞，則自動切換至備用通道后再進行測溫。分布式測溫主機應具備以下性能特征。

(1) 可實現多通道測溫，測溫通道不小于4個。

(2) 單通道測溫時間小于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，能夠通過光發與光收對測溫通道進行檢查。

(4) 執行IEC 61850通信標準，便于與變電站通信系統兼容。

中央處理器主要由DSP及相關通信接口組成，用于接收分布式測溫主機所反饋的實時信息，并將溫度信息傳輸至監控后臺進行實時顯示，同時對測溫數據進行一定的運算處理(見表1所示)，根據處理結果對被保護干式電抗器的運行狀態進行判斷，在被保護干式電抗器異常、故障時及時發出告警信息及跳閘命令。

表1 中央處理器對測溫數據的處理 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T1max，T2max，T3max中有一個大于Tg時告警；當T1max，T2max，T3max中至少有2個以上值大于Ts時跳閘。

當任意測溫通道的測量溫度(T1，T2，T3)超過告警設定值Tg時，則向監控后臺發送干式電抗器運行異常告警。為防止因任意測溫通道故障引起測量溫度誤差導致保護誤動，跳閘邏輯中需要2個以上通道的測量溫度超過跳閘溫度設定值Ts方可向跳閘出口繼電器發出跳閘命令。

為防止出口繼電器故障造成的保護誤動作事故，在干式電抗器非電量保護跳閘邏輯中模仿電氣量保護設置了啟動元件，其邏輯如圖2所示。

圖2 啟動元件動作邏輯

當任意測溫通道的空間最大溫差大于啟動值Tq時，中央處理器保護啟動元件動作，并展寬7 s開放出口繼電器正電源。當跳閘出口繼電器保護啟動后，檢測到T1max，T2max，T3max中至少有2個以上大于Ts時三取二邏輯滿足，驅動斷路器的跳閘線圈動作，使被保護的故障干式電抗器退出運行。

啟動元件動作邏輯設定依據為：干式電抗器發熱燃燒故障通常由干式電抗器局部某區域運行溫度過高引發并發展至燃燒，因此，可利用單通道上的空間最大溫差作為保護啟動依據。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 ℃，用該值與啟動值Tq比較來決定保護是否啟動。

3 干式電抗器非電量保護主要特點

基于分布式光纖測溫系統的干式電抗器非電量保護實施之后，其優勢主要體現為以下幾個方面。

(1) 采用分布式光纖測溫技術，能夠對光纖全長溫度進行比較精確的測溫。當測溫光纖以恰當方式敷設于被保護干式電抗器上時，通過對測溫光纖的溫度監測可以做到無死角、實時、準確監測干式電抗器表面溫度。

(2) 采用分布式光纖測溫技術與相關判斷邏輯配合，不僅可以實時監測被保護干式電抗器運行情況，同時可以實現干式電抗器的非電量保護功能，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)保護的局限性，完善了干式電抗器的保護功能。

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

(4) 采用分布式光纖測溫技術不會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，其敷設不會影響到干式電抗器的電氣特性、絕緣性能。

(5) 系統原理結構簡單、方便維護、成本低；4根測溫光纖以及一套主機就能夠實現對被保護干式電抗器的監測和保護功能；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，具有一定的免維護特性。

4 結束語

分布式光纖測溫系統已在變壓器、高壓電纜、高壓開關柜等設備的在線式測溫和保護中得到應用。一種基于分布式光纖測溫系統的干式電抗器非電量保護是對該技術應用的擴展，可解決干式電抗器無可靠非電量保護的缺點，有效地對干式電抗器因匝間短路引起的過熱、自燃故障進行實時監控及故障切除，提高設備的安全運行水平。