CN108845201A - 磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统和方法。本发明监测系统，用交直流有源CT互感器测量得到的励磁单元电流信息传输给交直流混合信号处理器，由交直流混合信号处理器处理后的励磁单元电流信息经第一Zigbee无线传输处理器进行无线传输至第二Zigbee无线传输处理器；光纤测温解码模块将对应测温点的磁阀温度信息解码后传递给光纤测温信号解调处理器；第二Zigbee无线传输处理器处理后的励磁单元电流信息和光纤测温信号解调处理器处理后的磁阀温度信息均传递给协议转换通讯单元，再由协议转换通讯单元将信号传递给MCR运行状态集成监控系统。本发明解决磁控电抗器铁芯内部高压、强磁场的干扰以及高压励磁单元的信号传输可靠性等问题。

Description

磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统和方法
技术领域
本发明属于电力系统输变电设备领域，涉及电力系统输变电设备运行性能和健康状态的监测和分析，具体地说是一种磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统和方法。
背景技术
随着技术的进步，越来越多的基于磁控电抗器的动态无功补偿装置应用到电网中，为电网提供了更加灵活和有效的电压无功调节能力。但是，在实际应用此类融合了传统电网设备与电力电子控制技术的新型柔性输电装备时，专门的故障检测与在线监测装置等故障预防手段并没有得到成熟的发展和广泛应用，使得此类设备的可观性水平还较低。
从目前已有技术产品来看，往往只兼顾到MCR（即磁阀式可控电抗器，MagneticControl Reactor，简称MCR）系统运行状态的电量信息或是磁控电抗器本体运行状态的非电量信息，并且大都没有考虑对励磁单元状态信息进行在线监测。根据公开资料显示，已公开的中国专利201310342073.4《磁控电抗器型动态无功补偿装置的状态监测系统及方法》中，所描述的监测系统产品以监测MCR系统运行状态的电量信息为主，包括支路电压、支路电流、功率等稳态和涌流等暂态电量信息。尽管这些电量信息能够实时反映MCR系统的外输出特性，但无法有效地判定MCR系统内部关键部件（如电抗器、励磁单元）的运行状态和健康状态，无法提升设备本身的可观测性，不利于运维人员对设备本身性能进行检测与判断。而在中国专利201420741358.5公开的《一种磁控电抗器在线监测系统》中，则着重对磁阀式铁芯电抗器本体的运行状态进行在线监测，对铁芯内部的局部放电信号、振动信号以及油温和油色谱等非电量信息均配备了在线监测系统。在实际应用时，对上述非电量信息均配备在线监测系统会极大地提升应用成本；与此同时，对上述非电量信息均配备在线监测系统并未考虑相关状态量对设备故障检测的针对性。由磁控电抗器工作原理的特殊性可知，由于磁阀特殊的结构设计并长期运行在深度饱和状态下，使得MCR有别于普通电抗器而存在着铁芯内部磁阀局部过热的问题。一方面，局部放电信号、振动信号难以直接发现磁阀局部过热；另一方面，油温和油色谱等信息在发现磁阀局部过热异常或烧毁故障时均存在显著的滞后性。而为了获取晶闸管的状态信息，在中国专利201310025325.0公开的《可监控磁控电抗器》中，则通过采集晶闸管两端的电压和门极电压信息从而生成电压状态反馈信号，继而对励磁单元实施监控和保护。但是，考虑到触发信号对于系统可靠稳定运行的重要性，对晶闸管门极触发信号的在线采集可能会降低系统的运行可靠性，不利于系统的安全稳定运行。
为实现磁阀测温，就现有测温技术而言，无论是常用的RTD热电阻（Pt100）、热电偶（高阻线）等电类测温传感器，或是压力式温度计、红外测温等测温技术，都首先面临无法彻底解决金属导线、金属零部件、屏蔽措施、高压区安装压力温包或红外探头对高压设备绝缘带来的安全隐患问题，以及金属导线和金属零部件在电磁环境中还会产生严重的涡流损耗发热问题；除此之外，弱电温度信号还会在强磁场环境中会受到严重干扰，难以提供实时、稳定、可靠的温度信息。而常见于变压器和干式空心电抗器测温应用的光纤光栅式温度传感器尽管具有无源、抗电磁干扰能力强、可应用于恶劣环境的特点，但受制于其自身技术原理所限，测温时往往需要解决压力、应力、温度、振动、弯曲等环境因素的相互综合作用，往往需要采取更加复杂的封装技术，因而并不利于复杂空间环境下的单一温度物理量测量。如前所述，MCR是通过调节直流励磁电流的大小来改变磁阀的饱和度，继而实现无功容量的连续调节；而在中国专利201420738387.6公开的《用于磁控电抗器励磁电流检测电路》中，通过在磁控电抗器内部预埋直流预埋分流电阻来获得直流励磁电流和磁阀饱和度信息；但是，在高压、强磁场干扰及强腐蚀性的内部环境特征下，经分流电阻采集到的电信号的可能会受到严重干扰，继而产生数据漂移、故障率高和数据误报等问题，无法保证测量信息的可靠性和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，其在常规检测磁控电抗器支路电压、电流、功率等电量状态信息的基础上，解决磁控电抗器铁芯内部高压、强磁场的干扰以及高压励磁单元的信号传输可靠性等问题，进一步实现对MCR内部铁芯磁阀温度信息、磁阀饱和度信息以及励磁单元晶闸管电流、续流二极管电流、等效直流激磁电流信息的在线监测；通过对上述磁控电抗器系统状态量的在线监测，直观、有效地反映出磁控电抗器系统（包括磁阀式电抗器铁芯和励磁单元）的运行性能和健康状态，并对系统异常和故障进行有效预警，全面提升磁控电抗器系统的可观测水平。
为此，本发明采用如下的技术方案：磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，包括荧光式温度光纤传感器、高压励磁单元箱、低压信息汇集箱和MCR运行状态集成监控系统，所述的荧光式温度光纤传感器包括涂覆荧光体的测温探头、耐温光纤和测温信号接头，所述耐温光纤的一端连接测温探头，另一端连接测温信号接头；
所述的高压励磁单元箱内设有励磁单元、交直流有源CT互感器、交直流混合信号处理器和第一Zigbee无线传输处理器；
所述的低压信息汇集箱内设有第二Zigbee无线传输处理器、光纤测温解码模块、光纤测温信号解调处理器和协议转换通讯单元；
用交直流有源CT互感器测量得到的励磁单元电流信息传输给交直流混合信号处理器，由交直流混合信号处理器处理后的励磁单元电流信息经第一Zigbee无线传输处理器进行无线传输至第二Zigbee无线传输处理器；
所述的测温探头预埋固定在铁芯磁阀的测温点处，所述的测温信号接头连接光纤测温解码模块；所述的光纤测温解码模块将对应测温点的磁阀温度信息解码后传递给光纤测温信号解调处理器；
所述第二Zigbee无线传输处理器处理后的励磁单元电流信息和光纤测温信号解调处理器处理后的磁阀温度信息均传递给协议转换通讯单元，再由协议转换通讯单元将信号传递给MCR运行状态集成监控系统。
本发明可以长期稳定可靠且高精度地监测MCR内部铁芯磁阀温度信息、磁阀饱和度信息以及励磁单元和直流激磁电流等运行状态信息，不仅能够满足运维人员在现场或以远程方式开展设备状态评价的需求，还能够提供历史运行数据以便开展历史运行状态分析，极大地提升了磁阀式可控电抗器系统的可观测水平。
作为上述技术方案的补充，所述的MCR运行状态集成监控系统包括MCR运行状态分析处理单元、分别与MCR运行状态分析处理单元通讯的MCR运行状态监控屏和DSP核心控制器。
作为上述技术方案的补充，所述的多个耐温光纤固定在一设置在电抗器油箱箱体上的光纤法兰盘上，该光纤法兰盘上设置多个光纤引出孔。
作为上述技术方案的补充，所述的耐温光纤上套有安装接头、上锥形塞、连接接头、下锥形塞和锁紧螺母；所述的安装接头固定连接在固定法兰盘上，安装接头的内壁与连接接头上部的外壁采用螺纹连接，安装接头内设与其内壁密封配合的上锥形塞；所述连接接头下部的外壁与锁紧螺母采用螺纹连接，锁紧螺母内设与连接接头内壁密封配合的下锥形塞；所述的安装接头设在光纤引出孔处。采用前述的结构，可有效避免绝缘油随光纤引出而出现渗漏现象。
作为上述技术方案的补充，位于上锥形塞上方的安装接头内腔填充密封胶，进一步提高密封性。
作为上述技术方案的补充，所述安装接头的下部置于光纤引出孔中，安装接头的中部形成一圈定位边，采用螺丝将定位边固定在光纤法兰盘上。采用前述结构，方便拆装安装接头。
作为上述技术方案的补充，所述耐温光纤的表面包裹聚四氟乙烯材料同，保护光纤柔软不易折断，光纤可耐受高温且仅受温度变化影响，适用于高压、抗电磁干扰，抗辐射性能好，适用于在空间受限和强电磁场干扰恶劣应用环境下的高精度测温。
作为上述技术方案的补充，所述磁阀式可控电抗器支路的电压、电流及功率信息通过二次信号电缆传输给MCR运行状态集成监控系统，所述的励磁单元由整流晶闸管或续流二极管与RC缓冲器组成，励磁单元与磁控电抗器绕组抽头接线端子连接。
本发明还提供一种利用上述磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统进行监测的方法，其步骤如下：
测温时，光纤测温解码模块产生激励信号经耐温光纤传递至测温点处的荧光体；接收激励后的荧光体辐射出荧光能量，通过耐温光纤又反向传输至光纤测温解码模块；
不同的环境温度，荧光寿命不同，光纤测温解码模块通过测量反向传输回来的荧光信号寿命的长短，获取当前测温点处的温度信息；光纤测温解码模块输出磁阀温度信息送入光纤测温信号解调处理器进行解调处理，最终得到所有测温点的实时磁阀温度信息；与此同时，低压信息汇集箱中的第二zigbee无线传输处理器接收来自高压励磁单元箱的励磁单元电流信息；最终，解码出的磁阀温度信息与励磁单元电流信息汇集至协议转换通讯单元后，通过RS485总线传递至MCR运行状态集成监控系统。
作为上述监测方法的补充，磁阀式可控电抗器支路的电压、电流、功率信息经二次信号电缆传递至MCR运行状态集成监控系统，并与解码所得的磁阀温度信息及励磁单元电流信息一起汇集至数据总线；数据总线上所有的运行状态信息传递至MCR运行状态分析处理单元，以实现对所有与磁阀式可控电抗器及其励磁单元相关的状态量信息进行综合处理与分析判断。
本发明具有的有益效果如下：
一是，本发明克服了磁控电抗器内部高压、强电磁场干扰环境的影响，能够在不受压力、应力、振动、弯曲等其他环境因素的综合影响，无需复杂的封装技术的前提条件下，实现对电抗器铁芯磁阀的精确实时测温。
二是，本发明克服了高压励磁箱中励磁支路电流交直流混合及有源CT传感器自身绝缘水平和远距离传输的限制，实现了对励磁支路（即励磁单元）运行状态信息（包括晶闸管电流和续流二极管电流）的可靠传输，保证了测量信息的可靠性和稳定性。
三是，与现有磁控电抗器运行状态监测技术相比，本发明同时实现了对系统运行状态的电量信息、磁控电抗器本体运行状态的非电量信息以及高压励磁单元的运行状态信息进行在线监测，能够全面、有效地展示磁控电抗器系统的运行性能与健康状态，继而实现MCR设备的全面状态评价，提升运维人员工作效率，实现设备运维检修水平与设备安全可靠性的显著提升。
附图说明
图1为本发明监测系统的原理框图；
图2为本发明荧光式温度光纤传感器的结构示意图；
图3为本发明光纤法兰盘与荧光式温度光纤传感器和电抗器连接的结构示意图（只画了二个荧光式温度光纤传感器）；
图4为图3中A部的放大图；
图5为本发明耐温光纤与光纤法兰盘连接处的结构示意图；
图6为本发明测温探头的安装示意图。
图中，1-测温探头，2-耐温光纤，3-测温信号接头，4-电抗器，5-铁芯磁阀，6-光纤法兰盘，7-光纤引出孔，8-电抗器绕组抽头接线端子，12、13、14、15-电抗器绕组抽头接线端子，16-交直流有源CT互感器，17、18-整流晶闸管，19-续流二极管，20-RC缓冲器，21-安装接头，22-上锥形塞，23-连接接头，24-下锥形塞，25-锁紧螺母，26-密封胶，211-定位边。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例提供一种磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，如图1-2所示，包括荧光式温度光纤传感器、高压励磁单元箱、低压信息汇集箱和MCR运行状态集成监控系统，所述的荧光式温度光纤传感器包括涂覆荧光体的测温探头1、耐温光纤2和测温信号接头3，所述耐温光纤2的一端连接测温探头1，另一端连接测温信号接头3，耐温光纤的表面包裹聚四氟乙烯。所述的高压励磁单元箱内设有励磁单元、交直流有源CT互感器、交直流混合信号处理器和第一Zigbee无线传输处理器；所述的励磁单元由整流晶闸管或续流二极管与RC缓冲器组成，与电抗器绕组抽头接线端子连接。
所述的低压信息汇集箱内设有第二Zigbee无线传输处理器、光纤测温解码模块、光纤测温信号解调处理器和协议转换通讯单元；
用交直流有源CT互感器测量得到的励磁单元电流信息传输给交直流混合信号处理器，由交直流混合信号处理器处理后的励磁单元电流信息经第一Zigbee无线传输处理器进行无线传输至第二Zigbee无线传输处理器。
所述的测温探头1预埋固定在铁芯磁阀5的测温点处，如图6所示，所述的测温信号接头连接光纤测温解码模块；所述的光纤测温解码模块将对应测温点的磁阀温度信息解码后传递给光纤测温信号解调处理器。
所述第二Zigbee无线传输处理器处理后的励磁单元电流信息和光纤测温信号解调处理器处理后的磁阀温度信息均传递给协议转换通讯单元，再由协议转换通讯单元将信号传递给MCR运行状态集成监控系统。所述磁阀式可控电抗器支路的电压、电流及功率信息通过二次信号电缆传输给MCR运行状态集成监控系统。
所述的MCR运行状态集成监控系统包括MCR运行状态分析处理单元、分别与MCR运行状态分析处理单元通讯的MCR运行状态监控屏和DSP核心控制器。
如图3-5所示，所述的多个耐温光纤2固定在一设置在电抗器4油箱箱体上的光纤法兰盘6上，该光纤法兰盘6上设置多个光纤引出孔7。耐温光纤2上套有安装接头21、上锥形塞22、连接接头23、下锥形塞24和锁紧螺母25；所述的安装接头21固定连接在固定法兰盘6上，安装接头21的内壁与连接接头23上部的外壁采用螺纹连接，安装接头21内设与其内壁密封配合的上锥形塞22；所述连接接头23下部的外壁与锁紧螺母25采用螺纹连接，锁紧螺母25内设与连接接头23内壁密封配合的下锥形塞24；所述的安装接头21设在光纤引出孔7处。位于上锥形塞22上方的安装接头21内腔填充密封胶26。
安装接头21的下部置于光纤引出孔7中，安装接头21的中部形成一圈定位边211，采用螺丝将定位边211固定在光纤法兰盘6上。
实施例2
本实施例提供一种利用实施例1所述监测系统的监测方法，其步骤如下：
测温时，光纤测温解码模块产生激励信号经耐温光纤传递至测温点处的荧光体；接收激励后的荧光体辐射出荧光能量，通过耐温光纤又反向传输至光纤测温解码模块；
不同的环境温度，荧光寿命不同，光纤测温解码模块通过测量反向传输回来的荧光信号寿命的长短，获取当前测温点处的温度信息；光纤测温解码模块输出磁阀温度信息送入光纤测温信号解调处理器进行解调处理，最终得到所有测温点的实时磁阀温度信息；与此同时，低压信息汇集箱中的第二zigbee无线传输处理器接收来自高压励磁单元箱的励磁单元电流信息；最终，解码出的磁阀温度信息与励磁单元电流信息汇集至协议转换通讯单元后，通过RS485总线传递至MCR运行状态集成监控系统。
磁阀式可控电抗器支路的电压、电流、功率信息经二次信号电缆传递至MCR运行状态集成监控系统，并与解码所得的磁阀温度信息及励磁单元电流信息一起汇集至数据总线；数据总线上所有的运行状态信息传递至MCR运行状态分析处理单元，以实现对所有与磁阀式可控电抗器及其励磁单元相关的状态量信息进行综合处理与分析判断。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，包括荧光式温度光纤传感器，所述的荧光式温度光纤传感器包括涂覆荧光体的测温探头(1)、耐温光纤(2)和测温信号接头(3)，所述耐温光纤(2)的一端连接测温探头(1)，另一端连接测温信号接头(3)；其特征在于，还包括高压励磁单元箱、低压信息汇集箱和MCR运行状态集成监控系统；
所述的高压励磁单元箱内设有励磁单元、交直流有源CT互感器、交直流混合信号处理器和第一Zigbee无线传输处理器；
所述的低压信息汇集箱内设有第二Zigbee无线传输处理器、光纤测温解码模块、光纤测温信号解调处理器和协议转换通讯单元；
用交直流有源CT互感器测量得到的励磁单元电流信息传输给交直流混合信号处理器，由交直流混合信号处理器处理后的励磁单元电流信息经第一Zigbee无线传输处理器进行无线传输至第二Zigbee无线传输处理器；
所述的测温探头(1)预埋固定在铁芯磁阀(5)的测温点处，所述的测温信号接头连接光纤测温解码模块；所述的光纤测温解码模块将对应测温点的磁阀温度信息解码后传递给光纤测温信号解调处理器；
所述第二Zigbee无线传输处理器处理后的励磁单元电流信息和光纤测温信号解调处理器处理后的磁阀温度信息均传递给协议转换通讯单元，再由协议转换通讯单元将信号传递给MCR运行状态集成监控系统。
2.根据权利要求1所述的磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，其特征在于，所述的MCR运行状态集成监控系统包括MCR运行状态分析处理单元、分别与MCR运行状态分析处理单元通讯的MCR运行状态监控屏和DSP核心控制器。
3.根据权利要求1或2所述的磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，其特征在于，所述的多个耐温光纤(2)固定在一设置在电抗器(4)油箱箱体上的光纤法兰盘(6)上，该光纤法兰盘(6)上设置多个光纤引出孔(7)。
4.根据权利要求3所述的磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，其特征在于，所述的耐温光纤(2)上套有安装接头(21)、上锥形塞(22)、连接接头(23)、下锥形塞(24)和锁紧螺母(25)；所述的安装接头(21)固定连接在固定法兰盘(6)上，安装接头(21)的内壁与连接接头(23)上部的外壁采用螺纹连接，安装接头(21)内设与其内壁密封配合的上锥形塞(22)；所述连接接头(23)下部的外壁与锁紧螺母(25)采用螺纹连接，锁紧螺母(25)内设与连接接头(23)内壁密封配合的下锥形塞(24)；所述的安装接头(21)设在光纤引出孔(7)处。
5.根据权利要求4所述的磁控式并联电抗器内部铁芯磁阀的测温系统，其特征在于，位于上锥形塞(22)上方的安装接头(21)内腔填充密封胶(26)。
6.根据权利要求4所述的磁控式并联电抗器内部铁芯磁阀的测温系统，其特征在于，所述安装接头(21)的下部置于光纤引出孔(7)中，安装接头(21)的中部形成一圈定位边(211)，采用螺丝将定位边(211)固定在光纤法兰盘(6)上。
7.根据权利要求1或2所述的磁控式并联电抗器内部铁芯磁阀的测温系统，其特征在于，所述耐温光纤的表面包裹聚四氟乙烯材料。
8.根据权利要求1或2所述的磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统，其特征在于，所述磁阀式可控电抗器支路的电压、电流及功率信息通过二次信号电缆传输给MCR运行状态集成监控系统，所述的励磁单元由整流晶闸管或续流二极管与RC缓冲器组成。
9.利用权利要求1-8任一项所述磁阀式可控电抗器及其励磁单元运行状态监测系统进行监测的方法，其特征在于，步骤如下：
测温时，光纤测温解码模块产生激励信号经耐温光纤传递至测温点处的荧光体；接收激励后的荧光体辐射出荧光能量，通过耐温光纤又反向传输至光纤测温解码模块；
不同的环境温度，荧光寿命不同，光纤测温解码模块通过测量反向传输回来的荧光信号寿命的长短，获取当前测温点处的温度信息；光纤测温解码模块输出磁阀温度信息送入光纤测温信号解调处理器进行解调处理，最终得到所有测温点的实时磁阀温度信息；与此同时，低压信息汇集箱中的第二zigbee无线传输处理器接收来自高压励磁单元箱的励磁单元电流信息；最终，解码出的磁阀温度信息与励磁单元电流信息汇集至协议转换通讯单元后，通过RS485总线传递至MCR运行状态集成监控系统。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，磁阀式可控电抗器支路的电压、电流、功率信息经二次信号电缆传递至MCR运行状态集成监控系统，并与解码所得的磁阀温度信息及励磁单元电流信息一起汇集至数据总线；数据总线上所有的运行状态信息传递至MCR运行状态分析处理单元，以实现对所有与磁阀式可控电抗器及其励磁单元相关的状态量信息进行综合处理与分析判断。
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