一種用于干式空心電抗器的溫度監控裝置及方法與流程

本發明涉及電力技術領域，尤其涉及一種用于干式空心電抗器的溫度監控裝置及方法。

背景技術：

在電力技術領域，超高壓電網、特高壓電網具有大容量、遠距離輸電的能力，是國家電力輸送的主干網絡。干式空心電抗器在電網系統中起到補償無功功率、限制短路電流、濾除高次諧波等作用，是保障電力系統穩定運行的重要電力設備之一。

因為用于高壓電網的干式空心電抗器主要在戶外、免維護條件下服役，工況惡劣，所以導致干式空心電抗器事故頻發。統計表明，導致該類電抗器事故的主要表現為高溫下電抗器電絕緣性能惡化和劇烈燃燒損毀，尤其是后者會蔓延到其他電氣設備，從而引發事故，危害電網安全。因此，有效監控電抗器工作溫度是保證干式空心電抗器穩定運行的技術關鍵。

目前針對干式空心電抗器的溫度監控，國內外采用的檢測方法有5類：1、分布式和光柵式光纖測溫法(專利公開號為：cn105679451a、cn204881907u和cn202793642u、cn104344913a、cn105067145a)；2紅外測溫法(專利公開號為：cn104048766a、cn203984091u、cn103698017a、cn202305017u、cn202928691u)；3熱敏電阻、熱電偶溫度傳感測溫法(專利公開號為：cn105587679a、cn201464067u)4熱敏材料涂敷熱敏變色法(專利公開號為：cn205719328u)5熱敏聲表面波法(專利公開號為：cn102353473a)。

其原理在于通過熱敏傳感元器件的光波、聲波、電性能、顏色等的變化來實時監測、監控電抗器的整體或者表面工作溫度，當檢測到溫度值超出閾值時發出報警預警信號。由于電抗器設備戶外服役條件多樣性和氣候條件差異性，溫度閾值設定困難。因此，現有溫度監控裝置從原理上局限于對故障后期的報警。但是，對于電網系統服役的電抗器設備，出現電路(如匝間短路類故障)故障的基本特征是出現局部故障、誘發多處或嚴重局部故障、絕緣失效導致設備損毀，其分別對應于電抗器設備的故障初期、發展期和損毀期。在故障的初期和發展期，只是局部溫度變化，設備整體溫度變化不明顯，而在故障的損毀期設備整體溫度急劇升高、絕緣性能急劇惡化、蔓延其他電氣設備引發災難性事故，電抗器設備故障損毀期到災難實際發生之間的間隔時間通常在30s～100s的時間量級。

綜上所述，現有溫度監控原理主要是提供電抗器設備損毀期內的故障警示，留給現場技術人員采取挽救、維護的時間和手段有限。嚴重局限了溫度監控技術在電網、電力系統中的應用和作用。因此，需要提供一種技術方案，在對電抗器設備安全運行狀態監控時，能夠對電抗器設備的故障初期、發展期進行有效識別和預警。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供一種用于干式空心電抗器的溫度監控裝置及方法，能夠判斷干式空心電抗器的初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警，實現干式空心電抗器初期和發展期故障的識別、監測、預警。

本發明提供的一種用于干式空心電抗器的溫度監控裝置，包括有：若干對溫度傳感器、至少一個數據采樣處理模塊、通訊模塊、上位機；

所述若干對溫度傳感器中的每一對溫度傳感器，分別設置在干式空心電抗器的不同包封間氣道上下端部預設范圍內；所述溫度傳感器，用于采集包封間氣道上下端部的溫度數據并轉化為對應的第一電信號輸出；

所述數據采樣處理模塊，與所述溫度傳感器電性連接并與所述通訊模塊通訊連接，用于接收所述溫度傳感器輸出的所述第一電信號，并將所述第一電信號轉化為對應的溫度數據，還將獲取所述溫度數據的時間作為采樣時間節點數據，且將所述溫度數據和所述采樣時間節點數據發送至所述通訊模塊；

所述通訊模塊，與所述上位機通訊連接，用于接收所述溫度數據和所述采樣時間節點數據并轉發至所述上位機；

所述上位機，用于根據所述溫度數據及所述采樣時間節點數據，計算同一包封間氣道上下端部的溫度數據差值的變化率作為溫升變化率，當所述溫升變化率超過預設的變化率值時，則判斷干式空心電抗器發生初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警。

優選地，還包括：

高壓取電模塊，與所述數據采樣處理模塊電性連接，用于從高壓電線取電，為所述數據采樣處理模塊供電。

優選地，所述數據采樣處理模塊包括有：

光電隔離模塊，與所述溫度傳感器電性連接，用于接收所述第一電信號并進行放大處理，得到第二電信號輸出；

模數轉換模塊，與所述光電隔離模塊電性連接，用于接收所述第二電信號并轉化為對應的數字信號輸出；

信號發送模塊，與所述通訊模塊通訊連接；

處理器，與所述模數轉換模塊連接，用于接收所述數字信號并轉化為對應的所述溫度數據，還將獲取所述溫度數據的時間作為采樣時間節點數據，且將所述溫度數據和所述采樣時間節點數據通過所述信號發送模塊發送至所述通訊模塊。

優選地，所述溫度傳感器為熱敏電阻溫度傳感器。

優選地，還包括：上部星型臂、下部星型臂；

所述上部星型臂和所述下部星型臂分別位于干式空心電抗器的上端、下端；所述數據采樣處理模塊及所述高壓取電模塊的數量均為兩個；

其中，第一數據采樣處理模塊與第一高壓取電模塊均固定在所述上部星型臂上，且所述第一數據采樣處理模塊分別與所述第一高壓取電模塊及包封間氣道上端的所述溫度傳感器連接，所述第二數據采樣處理模塊分別與所述第二高壓取電模塊及包封間氣道下端的所述溫度傳感器連接。

優選地，所述信號發送模塊為zigbee發送模塊，所述通訊模塊為zigbee接收傳輸模塊，所述zigbee發送模塊與所述zigbee接收傳輸模塊之間組建zigbee網絡進行數據通訊。

本發明還提供一種用于干式空心電抗器的溫度監控方法，包括下述步驟：

s100、溫度傳感器采集干式空心電抗器的不同包封間氣道上下端部的溫度數據并轉化為對應的第一電信號輸出至數據采樣處理模塊；

s200、所述數據采樣處理模塊將所述第一電信號轉化為對應的溫度數據，還將獲取所述溫度數據的時間作為采樣時間節點數據，且將所述溫度數據和所述采樣時間節點數據通過通訊模塊發送至上位機；

s300、所述上位機根據所述溫度數據及所述采樣時間節點數據，計算同一包封間氣道上下端部的溫度數據差值的變化率作為溫升變化率，當所述溫升變化率超過預設的變化率值時，則判斷干式空心電抗器發生初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警。

優選地，所述步驟s300包括：

計算所述溫升變化率所對應的離差、方差；

判斷所述溫升變化率離差是否大于置信系數與所述溫升變化率方差的乘積，若是，則判斷干式空心電抗器發生溫度異常的初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警。

優選地，還包括下述步驟：

所述上位機將所述溫度數據、所述采樣時間節點數據、所述溫升變化率及所述溫升變化率離差、方差數據保存至sql數據庫。

實施本發明，具有如下有益效果：通過在電抗器包封間氣道的上下端附近設置成對的熱敏電阻溫度傳感器，獲取電抗器不同包封間氣道的上部和下部的溫度數據，由上位機計算同一包封間氣道上下端部的溫度數據差值的變化率作為溫升變化率，當溫升變化率超過預設的變化率值時，則判斷干式空心電抗器發生初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警，實現干式空心電抗器的初期和發展期故障的識別、監測、預警。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明提供的用于干式空心電抗器的溫度監控裝置的工作原理示意圖。

圖2是本發明提供的數據采樣處理模塊的原理框圖。

圖3是本發明提供的用于干式空心電抗器的溫度監控方法的流程圖。

具體實施方式

本發明提供一種用于干式空心電抗器的溫度監控裝置，如圖1所示，該裝置包括有：若干對溫度傳感器2、至少一個數據采樣處理模塊3、通訊模塊7、上位機9。

若干對溫度傳感器2中的每一對溫度傳感器2，分別設置在干式空心電抗器的不同包封間氣道1上下端部預設范圍內；溫度傳感器2用于采集包封間氣道1上下端部的溫度數據并轉化為對應的第一電信號輸出。

每一對溫度傳感器2均位于同一包封間氣道1內，其中一個溫度傳感器2設置在包封間氣道1的上端附近，采集包封間氣道1上端的溫度數據，另一個溫度傳感器2設置在包封間氣道1的下端附近，采集包封間氣道1下端空氣的溫度數據，溫度傳感器2的對數與包封間氣道1的數量對應，例如，包封間氣道1有5個，溫度傳感器2則為5對。

數據采樣處理模塊3與溫度傳感器2電性連接，并與通訊模塊7通訊連接，用于接收溫度傳感器2輸出的第一電信號，并將第一電信號轉化為對應的溫度數據，還將獲取溫度數據的時間作為采樣時間節點數據，且將溫度數據和采樣時間節點數據發送至通訊模塊7。

通訊模塊7與上位機9通訊連接，用于接收溫度數據和采樣時間節點數據并轉發至上位機9。

上位機9用于根據溫度數據及采樣時間節點數據，計算同一包封間氣道1上下端部的溫度數據差值的變化率作為溫升變化率，當溫升變化率超過預設的變化率值時，則判斷干式空心電抗器發生初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警。其中，上位機9可以采用支持windows7及以上版本操作系統的商用計算機。

進一步地，用于干式空心電抗器的溫度監控裝置還包括：高壓取電模塊4。

高壓取電模塊4與數據采樣處理模塊3電性連接，用于從高壓電線取電，為數據采樣處理模塊3供電。其中，高壓取電模塊4采用滿足電抗器服役工作條件的商品化模塊，通訊支持485協議，其輸出電壓9v～36v，額定輸出功率3w～15w。

進一步地，如圖2所示，數據采樣處理模塊3包括有：光電隔離模塊31、模數轉換模塊32、信號發送模塊33、處理器34。

光電隔離模塊31與溫度傳感器2電性連接，用于接收第一電信號并進行放大處理，得到第二電信號輸出。

模數轉換模塊32與光電隔離模塊31電性連接，用于接收第二電信號并轉化為對應的數字信號輸出。一般而言，第一電信號和第二電信號均為電壓信號。

信號發送模塊33與通訊模塊7通訊連接。

處理器34與模數轉換模塊32連接，用于接收數字信號并轉化為對應的溫度數據，還將獲取溫度數據的時間作為采樣時間節點數據，且將溫度數據和采樣時間節點數據通過信號發送模塊33發送至通訊模塊7。其中，處理器34可以采用cpu單片機，更具體地，采用dsp單片機。

優選地，高壓取電模塊4為數據采樣處理模塊3中的信號發送模塊33和處理器34供電。

進一步地，溫度傳感器2為熱敏電阻溫度傳感器，更具體地，為mf58玻封ntc熱敏電阻元件，測溫溫度包含-50℃～200℃的溫度區間，采樣速率0.01～0.1樣本/s。

進一步地，用于干式空心電抗器的溫度監控裝置還包括：上部星型臂5、下部星型臂6。

上部星型臂5和下部星型臂6分別位于干式空心電抗器的上端、下端；數據采樣處理模塊3及高壓取電模塊4的數量均為兩個。

其中，第一數據采樣處理模塊與第一高壓取電模塊均固定在上部星型臂5上，且第一數據采樣處理模塊分別與第一高壓取電模塊及包封間氣道1上端的溫度傳感器2連接，第二數據采樣處理模塊分別與第二高壓取電模塊及包封間氣道1下端的溫度傳感器2連接。

進一步地，信號發送模塊33為zigbee發送模塊，通訊模塊7為zigbee接收傳輸模塊，zigbee發送模塊與zigbee接收傳輸模塊之間組建zigbee網絡進行數據通訊，使得通訊模塊7與數據采樣處理模塊3之間采用zigbee通訊協議中轉的方式實現高電壓隔離，以及實時通訊和靈活組網。其中，zigbee通訊頻段0.8ghz～2.8ghz，zigbee通訊距離為50～100m，通訊協議采用modbus框架，zigbee接收傳輸模塊采用滿足電抗器服役工作條件的商品化模塊，通訊協議支持485協議。

優選地，通訊模塊7與上位機9之間通過通訊電纜8連接，該通訊電纜8采用商品化的具有屏蔽結構的雙芯電纜，該雙芯電纜支持485協議。

本發明提供的用于干式空心電抗器的溫度監控裝置的另一實施例中，干式空心電抗器的額定電壓500kv、額定容量5000kva、額定電流247a、額定電感260mh，工作頻率為50hz。探測線圈的設置同圖1所示。

在電抗器的上部、下部接線臂附近位置，包括中心進氣道在內的4個相鄰進氣道各自對應設置熱敏電阻溫度傳感器，上部、下部接線臂上各自安置數據采樣處理模塊3和cv高壓取電模塊4，形成雙回路獨立的并行工作。

數據采樣處理模塊3進行各自的對應進氣道的溫度數據采樣，采樣的速率為0.01～0.1樣本/s，得到電抗器不同氣道的上部和下部的對應溫度信號ti上、ti下，可以對各個進氣道下部、上部溫度進行在線實時檢測。

采樣時間節點數據和上述溫度數據通過zigbee協議獨立傳輸到zigbee接收傳輸模塊實現高電壓隔離，無線信號傳輸距離不超過50m。然后由zigbee接收傳輸模塊通過485協議的通訊電纜遠距離一并傳送到遠程上位機9，由上位機9進行進一步的數據處理和信號識別。在本實例中，共有上下4組包含時間節點的溫度數據傳送到上位機9，由上位機9實時對相應的氣道上部、下部的溫度數據ti上、ti下進行差分得到不同包封間的溫升δti，δti＝ti上-ti下，以及單位時間步長δt的溫升變化率gi，gi＝δti/δt，然后進一步對gi進行均值ei、離差si、方差σi等數據統計運算，根據置信區間分析原理進行電抗器工作狀態的評價和相關的預警、報警動作。

正常工況下,電抗器的各包封的表面積ai、換熱系數hi和熱功率qi一定，對應各包封間氣道1的溫升δt＝qi/(hi*ai)各自趨于常數值，其溫升變化率gi趨于0，當電抗器由于匝間短路、包封間環流等工況異常時，對應包封間氣道1的溫升δti會逐漸升高，而其溫升變化率gi則會出線明顯的突變和波動峰值，因而易于辨識和判斷，可以在電抗器工況異常的發生期(即初期)和發展期及時預警，同時還可以提供故障發生的包封位置信息。此外，上位機9還可以將采樣數據和統計分析相關特征參數由sql數據庫存儲管理，便于隨時進行電抗器運行狀態歷史分析和進一步數據交換、處理分析。

基于隨機過程數據處理的置信區間估計原理，當離差si>kσi時(式中，k為置信系數，k的取值范圍為2～5)，表明電抗器處于溫度異常的故障發生期，該故障出現的頻率越高，表明其溫度異常已經非常嚴重，電抗器運行面臨嚴重事故的危險。

本發明還提供一種用于干式空心電抗器的溫度監控方法，如圖3所示，該方法包括下述步驟：

s100、溫度傳感器2采集干式空心電抗器的不同包封間氣道1上下端部的溫度數據并轉化為對應的第一電信號輸出至數據采樣處理模塊3；

s200、所述數據采樣處理模塊3將所述第一電信號轉化為對應的溫度數據，還將獲取所述溫度數據的時間作為采樣時間節點數據，且將所述溫度數據和所述采樣時間節點數據通過通訊模塊7發送至上位機9；

s300、所述上位機9根據所述溫度數據及所述采樣時間節點數據，計算同一包封間氣道1上下端部的溫度數據差值的變化率作為溫升變化率，當所述溫升變化率超過預設的變化率值時，則判斷干式空心電抗器發生初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警。

進一步地，步驟s300包括：

計算溫升變化率所對應的離差、方差；

判斷溫升變化率離差是否大于置信系數與溫升變化率方差的乘積，若是，則判斷干式空心電抗器發生溫度異常的初期或者發展期故障，并發出初期或者發展期故障報警。其中，置信系數的范圍為:2～5。

進一步地，用于干式空心電抗器的溫度監控方法還包括下述步驟：

上位機9將所述溫度數據、采樣時間節點數據、溫升變化率及溫升變化率離差、方差數據保存至sql數據庫。

本發明適用于干式空心電抗器工況的早期異常故障(即初期故障和發展期故障)的識別和監測預警，通過在電抗器包封間氣道1的上下端附近設置成對的熱敏電阻溫度傳感器，獲取電抗器不同包封間氣道1的上端和下端的溫度數據，通過對其進行差分和統計計算，得到和環境溫度無關的電抗器溫升δti及其隨時間溫升變化率gi，及溫升變化率gi的數據分布，然后，采用置信區間統計分析原理，對電抗器各個包封間氣道1的溫升變化率進行在線實時監測，判斷電抗器工作溫度的異常狀態所對應的初期和發展期故障信號，實現電抗器故障初期和發展期的識別、監測、預警。同時采用zigbee信號進行無線傳輸實現高電壓隔離，從原理上保證電抗器設備的工作可靠性和安全性。

上述方法不僅具有高度自適應性、靈敏性和可靠性，同時使得電抗器故障、異常工作狀態能夠在初期和發展期得到連續有效監控和預警，對于特高壓、超高壓、高壓電網干式空心電抗器的健康運行提供了可靠的保證。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。