CN107131968A - 一种用于干式空心电抗器的温度监控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于干式空心电抗器的温度监控装置及方法，该装置包括有：若干对温度传感器、至少一个数据采样处理模块、通讯模块、上位机；温度传感器采集包封间气道上下端部的温度数据并输出至数据采样处理模块；数据采样处理模块将对应的温度数据，并连同采样时间节点数据通过通讯模块上传至上位机；上位机计算同一包封间气道上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。本发明能够判断干式空心电抗器的初期或者发展期故障，实现干式空心电抗器初期和发展期故障的识别、监测、预警。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种用于干式空心电抗器的温度监控装置及方法。
背景技术
在电力技术领域，超高压电网、特高压电网具有大容量、远距离输电的能力，是国家电力输送的主干网络。干式空心电抗器在电网系统中起到补偿无功功率、限制短路电流、滤除高次谐波等作用，是保障电力系统稳定运行的重要电力设备之一。
因为用于高压电网的干式空心电抗器主要在户外、免维护条件下服役，工况恶劣，所以导致干式空心电抗器事故频发。统计表明，导致该类电抗器事故的主要表现为高温下电抗器电绝缘性能恶化和剧烈燃烧损毁，尤其是后者会蔓延到其他电气设备，从而引发事故，危害电网安全。因此，有效监控电抗器工作温度是保证干式空心电抗器稳定运行的技术关键。
目前针对干式空心电抗器的温度监控，国内外采用的检测方法有5类：1、分布式和光栅式光纤测温法(专利公开号为：CN105679451A、CN204881907U和CN202793642U、CN104344913A、CN105067145A)；2红外测温法(专利公开号为：CN104048766A、CN203984091U、CN103698017A、CN202305017U、CN202928691U)；3热敏电阻、热电偶温度传感测温法(专利公开号为：CN105587679A、CN201464067U)4热敏材料涂敷热敏变色法(专利公开号为：CN205719328U)5热敏声表面波法(专利公开号为：CN102353473A)。
其原理在于通过热敏传感元器件的光波、声波、电性能、颜色等的变化来实时监测、监控电抗器的整体或者表面工作温度，当检测到温度值超出阈值时发出报警预警信号。由于电抗器设备户外服役条件多样性和气候条件差异性，温度阈值设定困难。因此，现有温度监控装置从原理上局限于对故障后期的报警。但是，对于电网系统服役的电抗器设备，出现电路(如匝间短路类故障)故障的基本特征是出现局部故障、诱发多处或严重局部故障、绝缘失效导致设备损毁，其分别对应于电抗器设备的故障初期、发展期和损毁期。在故障的初期和发展期，只是局部温度变化，设备整体温度变化不明显，而在故障的损毁期设备整体温度急剧升高、绝缘性能急剧恶化、蔓延其他电气设备引发灾难性事故，电抗器设备故障损毁期到灾难实际发生之间的间隔时间通常在30s～100s的时间量级。
综上所述，现有温度监控原理主要是提供电抗器设备损毁期内的故障警示，留给现场技术人员采取挽救、维护的时间和手段有限。严重局限了温度监控技术在电网、电力系统中的应用和作用。因此，需要提供一种技术方案，在对电抗器设备安全运行状态监控时，能够对电抗器设备的故障初期、发展期进行有效识别和预警。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于干式空心电抗器的温度监控装置及方法，能够判断干式空心电抗器的初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警，实现干式空心电抗器初期和发展期故障的识别、监测、预警。
本发明提供的一种用于干式空心电抗器的温度监控装置，包括有：若干对温度传感器、至少一个数据采样处理模块、通讯模块、上位机；
所述若干对温度传感器中的每一对温度传感器，分别设置在干式空心电抗器的不同包封间气道上下端部预设范围内；所述温度传感器，用于采集包封间气道上下端部的温度数据并转化为对应的第一电信号输出；
所述数据采样处理模块，与所述温度传感器电性连接并与所述通讯模块通讯连接，用于接收所述温度传感器输出的所述第一电信号，并将所述第一电信号转化为对应的温度数据，还将获取所述温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将所述温度数据和所述采样时间节点数据发送至所述通讯模块；
所述通讯模块，与所述上位机通讯连接，用于接收所述温度数据和所述采样时间节点数据并转发至所述上位机；
所述上位机，用于根据所述温度数据及所述采样时间节点数据，计算同一包封间气道上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，当所述温升变化率超过预设的变化率值时，则判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。
优选地，还包括：
高压取电模块，与所述数据采样处理模块电性连接，用于从高压电线取电，为所述数据采样处理模块供电。
优选地，所述数据采样处理模块包括有：
光电隔离模块，与所述温度传感器电性连接，用于接收所述第一电信号并进行放大处理，得到第二电信号输出；
模数转换模块，与所述光电隔离模块电性连接，用于接收所述第二电信号并转化为对应的数字信号输出；
信号发送模块，与所述通讯模块通讯连接；
处理器，与所述模数转换模块连接，用于接收所述数字信号并转化为对应的所述温度数据，还将获取所述温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将所述温度数据和所述采样时间节点数据通过所述信号发送模块发送至所述通讯模块。
优选地，所述温度传感器为热敏电阻温度传感器。
优选地，还包括：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别位于干式空心电抗器的上端、下端；所述数据采样处理模块及所述高压取电模块的数量均为两个；
其中，第一数据采样处理模块与第一高压取电模块均固定在所述上部星型臂上，且所述第一数据采样处理模块分别与所述第一高压取电模块及包封间气道上端的所述温度传感器连接，所述第二数据采样处理模块分别与所述第二高压取电模块及包封间气道下端的所述温度传感器连接。
优选地，所述信号发送模块为ZigBee发送模块，所述通讯模块为ZigBee接收传输模块，所述ZigBee发送模块与所述ZigBee接收传输模块之间组建ZigBee网络进行数据通讯。
本发明还提供一种用于干式空心电抗器的温度监控方法，包括下述步骤：
S100、温度传感器采集干式空心电抗器的不同包封间气道上下端部的温度数据并转化为对应的第一电信号输出至数据采样处理模块；
S200、所述数据采样处理模块将所述第一电信号转化为对应的温度数据，还将获取所述温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将所述温度数据和所述采样时间节点数据通过通讯模块发送至上位机；
S300、所述上位机根据所述温度数据及所述采样时间节点数据，计算同一包封间气道上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，当所述温升变化率超过预设的变化率值时，则判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。
优选地，所述步骤S300包括：
计算所述温升变化率所对应的离差、方差；
判断所述温升变化率离差是否大于置信系数与所述温升变化率方差的乘积，若是，则判断干式空心电抗器发生温度异常的初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。
优选地，还包括下述步骤：
所述上位机将所述温度数据、所述采样时间节点数据、所述温升变化率及所述温升变化率离差、方差数据保存至SQL数据库。
实施本发明，具有如下有益效果：通过在电抗器包封间气道的上下端附近设置成对的热敏电阻温度传感器，获取电抗器不同包封间气道的上部和下部的温度数据，由上位机计算同一包封间气道上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，当温升变化率超过预设的变化率值时，则判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警，实现干式空心电抗器的初期和发展期故障的识别、监测、预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的用于干式空心电抗器的温度监控装置的工作原理示意图。
图2是本发明提供的数据采样处理模块的原理框图。
图3是本发明提供的用于干式空心电抗器的温度监控方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种用于干式空心电抗器的温度监控装置，如图1所示，该装置包括有：若干对温度传感器2、至少一个数据采样处理模块3、通讯模块7、上位机9。
若干对温度传感器2中的每一对温度传感器2，分别设置在干式空心电抗器的不同包封间气道1上下端部预设范围内；温度传感器2用于采集包封间气道1上下端部的温度数据并转化为对应的第一电信号输出。
每一对温度传感器2均位于同一包封间气道1内，其中一个温度传感器2设置在包封间气道1的上端附近，采集包封间气道1上端的温度数据，另一个温度传感器2设置在包封间气道1的下端附近，采集包封间气道1下端空气的温度数据，温度传感器2的对数与包封间气道1的数量对应，例如，包封间气道1有5个，温度传感器2则为5对。
数据采样处理模块3与温度传感器2电性连接，并与通讯模块7通讯连接，用于接收温度传感器2输出的第一电信号，并将第一电信号转化为对应的温度数据，还将获取温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将温度数据和采样时间节点数据发送至通讯模块7。
通讯模块7与上位机9通讯连接，用于接收温度数据和采样时间节点数据并转发至上位机9。
上位机9用于根据温度数据及采样时间节点数据，计算同一包封间气道1上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，当温升变化率超过预设的变化率值时，则判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。其中，上位机9可以采用支持Windows7及以上版本操作系统的商用计算机。
进一步地，用于干式空心电抗器的温度监控装置还包括：高压取电模块4。
高压取电模块4与数据采样处理模块3电性连接，用于从高压电线取电，为数据采样处理模块3供电。其中，高压取电模块4采用满足电抗器服役工作条件的商品化模块，通讯支持485协议，其输出电压9V～36V，额定输出功率3W～15W。
进一步地，如图2所示，数据采样处理模块3包括有：光电隔离模块31、模数转换模块32、信号发送模块33、处理器34。
光电隔离模块31与温度传感器2电性连接，用于接收第一电信号并进行放大处理，得到第二电信号输出。
模数转换模块32与光电隔离模块31电性连接，用于接收第二电信号并转化为对应的数字信号输出。一般而言，第一电信号和第二电信号均为电压信号。
信号发送模块33与通讯模块7通讯连接。
处理器34与模数转换模块32连接，用于接收数字信号并转化为对应的温度数据，还将获取温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将温度数据和采样时间节点数据通过信号发送模块33发送至通讯模块7。其中，处理器34可以采用CPU单片机，更具体地，采用DSP单片机。
优选地，高压取电模块4为数据采样处理模块3中的信号发送模块33和处理器34供电。
进一步地，温度传感器2为热敏电阻温度传感器，更具体地，为MF 58玻封NTC热敏电阻元件，测温温度包含-50℃～200℃的温度区间，采样速率0.01～0.1样本/s。
进一步地，用于干式空心电抗器的温度监控装置还包括：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分别位于干式空心电抗器的上端、下端；数据采样处理模块3及高压取电模块4的数量均为两个。
其中，第一数据采样处理模块与第一高压取电模块均固定在上部星型臂5上，且第一数据采样处理模块分别与第一高压取电模块及包封间气道1上端的温度传感器2连接，第二数据采样处理模块分别与第二高压取电模块及包封间气道1下端的温度传感器2连接。
进一步地，信号发送模块33为ZigBee发送模块，通讯模块7为ZigBee接收传输模块，ZigBee发送模块与ZigBee接收传输模块之间组建ZigBee网络进行数据通讯，使得通讯模块7与数据采样处理模块3之间采用ZigBee通讯协议中转的方式实现高电压隔离，以及实时通讯和灵活组网。其中，ZigBee通讯频段0.8GHz～2.8GHz，ZigBee通讯距离为50～100m，通讯协议采用ModBus框架，ZigBee接收传输模块采用满足电抗器服役工作条件的商品化模块，通讯协议支持485协议。
优选地，通讯模块7与上位机9之间通过通讯电缆8连接，该通讯电缆8采用商品化的具有屏蔽结构的双芯电缆，该双芯电缆支持485协议。
本发明提供的用于干式空心电抗器的温度监控装置的另一实施例中，干式空心电抗器的额定电压500kV、额定容量5000kVA、额定电流247A、额定电感260mH，工作频率为50Hz。探测线圈的设置同图1所示。
在电抗器的上部、下部接线臂附近位置，包括中心进气道在内的4个相邻进气道各自对应设置热敏电阻温度传感器，上部、下部接线臂上各自安置数据采样处理模块3和CV高压取电模块4，形成双回路独立的并行工作。
数据采样处理模块3进行各自的对应进气道的温度数据采样，采样的速率为0.01～0.1样本/s，得到电抗器不同气道的上部和下部的对应温度信号Ti上、Ti下，可以对各个进气道下部、上部温度进行在线实时检测。
采样时间节点数据和上述温度数据通过ZigBee协议独立传输到ZigBee接收传输模块实现高电压隔离，无线信号传输距离不超过50m。然后由ZigBee接收传输模块通过485协议的通讯电缆远距离一并传送到远程上位机9，由上位机9进行进一步的数据处理和信号识别。在本实例中，共有上下4组包含时间节点的温度数据传送到上位机9，由上位机9实时对相应的气道上部、下部的温度数据Ti上、Ti下进行差分得到不同包封间的温升ΔTi，ΔTi＝Ti上-Ti下，以及单位时间步长Δt的温升变化率Gi，Gi＝ΔTi/Δt，然后进一步对Gi进行均值Ei、离差Si、方差σi等数据统计运算，根据置信区间分析原理进行电抗器工作状态的评价和相关的预警、报警动作。
正常工况下,电抗器的各包封的表面积Ai、换热系数hi和热功率Qi一定，对应各包封间气道1的温升ΔT＝Qi/(hi*Ai)各自趋于常数值，其温升变化率Gi趋于0，当电抗器由于匝间短路、包封间环流等工况异常时，对应包封间气道1的温升ΔTi会逐渐升高，而其温升变化率Gi则会出线明显的突变和波动峰值，因而易于辨识和判断，可以在电抗器工况异常的发生期(即初期)和发展期及时预警，同时还可以提供故障发生的包封位置信息。此外，上位机9还可以将采样数据和统计分析相关特征参数由SQL数据库存储管理，便于随时进行电抗器运行状态历史分析和进一步数据交换、处理分析。
基于随机过程数据处理的置信区间估计原理，当离差Si>kσi时(式中，k为置信系数，k的取值范围为2～5)，表明电抗器处于温度异常的故障发生期，该故障出现的频率越高，表明其温度异常已经非常严重，电抗器运行面临严重事故的危险。
本发明还提供一种用于干式空心电抗器的温度监控方法，如图3所示，该方法包括下述步骤：
S100、温度传感器2采集干式空心电抗器的不同包封间气道1上下端部的温度数据并转化为对应的第一电信号输出至数据采样处理模块3；
S200、所述数据采样处理模块3将所述第一电信号转化为对应的温度数据，还将获取所述温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将所述温度数据和所述采样时间节点数据通过通讯模块7发送至上位机9；
S300、所述上位机9根据所述温度数据及所述采样时间节点数据，计算同一包封间气道1上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，当所述温升变化率超过预设的变化率值时，则判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。
进一步地，步骤S300包括：
计算温升变化率所对应的离差、方差；
判断温升变化率离差是否大于置信系数与温升变化率方差的乘积，若是，则判断干式空心电抗器发生温度异常的初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。其中，置信系数的范围为:2～5。
进一步地，用于干式空心电抗器的温度监控方法还包括下述步骤：
上位机9将所述温度数据、采样时间节点数据、温升变化率及温升变化率离差、方差数据保存至SQL数据库。
本发明适用于干式空心电抗器工况的早期异常故障(即初期故障和发展期故障)的识别和监测预警，通过在电抗器包封间气道1的上下端附近设置成对的热敏电阻温度传感器，获取电抗器不同包封间气道1的上端和下端的温度数据，通过对其进行差分和统计计算，得到和环境温度无关的电抗器温升ΔTi及其随时间温升变化率Gi，及温升变化率Gi的数据分布，然后，采用置信区间统计分析原理，对电抗器各个包封间气道1的温升变化率进行在线实时监测，判断电抗器工作温度的异常状态所对应的初期和发展期故障信号，实现电抗器故障初期和发展期的识别、监测、预警。同时采用ZigBee信号进行无线传输实现高电压隔离，从原理上保证电抗器设备的工作可靠性和安全性。
上述方法不仅具有高度自适应性、灵敏性和可靠性，同时使得电抗器故障、异常工作状态能够在初期和发展期得到连续有效监控和预警，对于特高压、超高压、高压电网干式空心电抗器的健康运行提供了可靠的保证。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于干式空心电抗器的温度监控装置，其特征在于，包括有：若干对温度传感器(2)、至少一个数据采样处理模块(3)、通讯模块(7)、上位机(9)；
所述若干对温度传感器(2)中的每一对温度传感器(2)，分别设置在干式空心电抗器的不同包封间气道(1)上下端部预设范围内；所述温度传感器(2)，用于采集包封间气道(1)上下端部的温度数据并转化为对应的第一电信号输出；
所述数据采样处理模块(3)，与所述温度传感器(2)电性连接并与所述通讯模块(7)通讯连接，用于接收所述温度传感器(2)输出的所述第一电信号，并将所述第一电信号转化为对应的温度数据，还将获取所述温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将所述温度数据和所述采样时间节点数据发送至所述通讯模块(7)；
所述通讯模块(7)，与所述上位机(9)通讯连接，用于接收所述温度数据和所述采样时间节点数据并转发至所述上位机(9)；
所述上位机(9)，用于根据所述温度数据及所述采样时间节点数据，计算同一包封间气道(1)上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，当所述温升变化率超过预设的变化率值时，则判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。
2.根据权利要求1所述的用于干式空心电抗器的温度监控装置，其特征在于，还包括：
高压取电模块(4)，与所述数据采样处理模块(3)电性连接，用于从高压电线取电，为所述数据采样处理模块(3)供电。
3.根据权利要求1所述的用于干式空心电抗器的温度监控装置，其特征在于，所述数据采样处理模块(3)包括有：
光电隔离模块(31)，与所述温度传感器(2)电性连接，用于接收所述第一电信号并进行放大处理，得到第二电信号输出；
模数转换模块(32)，与所述光电隔离模块(31)电性连接，用于接收所述第二电信号并转化为对应的数字信号输出；
信号发送模块(33)，与所述通讯模块(7)通讯连接；
处理器(34)，与所述模数转换模块(32)连接，用于接收所述数字信号并转化为对应的所述温度数据，还将获取所述温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将所述温度数据和所述采样时间节点数据通过所述信号发送模块(33)发送至所述通讯模块(7)。
4.根据权利要求1所述的用于干式空心电抗器的温度监控装置，其特征在于，所述温度传感器(2)为热敏电阻温度传感器。
5.根据权利要求2所述的用于干式空心电抗器的温度监控装置，其特征在于，还包括：上部星型臂(5)、下部星型臂(6)；
所述上部星型臂(5)和所述下部星型臂(6)分别位于干式空心电抗器的上端、下端；所述数据采样处理模块(3)及所述高压取电模块(4)的数量均为两个；
其中，第一数据采样处理模块与第一高压取电模块均固定在所述上部星型臂(5)上，且所述第一数据采样处理模块分别与所述第一高压取电模块及包封间气道(1)上端的所述温度传感器(2)连接，所述第二数据采样处理模块分别与所述第二高压取电模块及包封间气道(1)下端的所述温度传感器(2)连接。
6.根据权利要求3所述的用于干式空心电抗器的温度监控装置，其特征在于，所述信号发送模块(33)为ZigBee发送模块，所述通讯模块(7)为ZigBee接收传输模块，所述ZigBee发送模块与所述ZigBee接收传输模块之间组建ZigBee网络进行数据通讯。
7.一种用于干式空心电抗器的温度监控方法，其特征在于，包括下述步骤：
S100、温度传感器(2)采集干式空心电抗器的不同包封间气道(1)上下端部的温度数据并转化为对应的第一电信号输出至数据采样处理模块(3)；
S200、所述数据采样处理模块(3)将所述第一电信号转化为对应的温度数据，还将获取所述温度数据的时间作为采样时间节点数据，且将所述温度数据和所述采样时间节点数据通过通讯模块(7)发送至上位机(9)；
S300、所述上位机(9)根据所述温度数据及所述采样时间节点数据，计算同一包封间气道(1)上下端部的温度数据差值的变化率作为温升变化率，当所述温升变化率超过预设的变化率值时，则判断干式空心电抗器发生初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。
8.根据权利要求7所述的用于干式空心电抗器的温度监控方法，其特征在于，所述步骤S300包括：
计算所述温升变化率所对应的离差、方差；判断所述温升变化率离差是否大于置信系数与所述温升变化率方差的乘积，若是，则判断干式空心电抗器发生温度异常的初期或者发展期故障，并发出初期或者发展期故障报警。
9.根据权利要求8所述的用于干式空心电抗器的温度监控方法，其特征在于，还包括下述步骤：
所述上位机(9)将所述温度数据、所述采样时间节点数据、所述温升变化率及所述温升变化率离差、方差数据保存至SQL数据库。
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