CN110165781A - 磁阀式可控电抗器无线温度状态监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁阀式可控电抗器无线温度状态监测系统及方法。本发明的监测系统中，吸附式无线温度传感器吸附于磁阀式可控电抗器箱体上的高温发热点处；热电偶式无线温度传感器贴装于晶闸管和二极管散热片的高温处；无线温湿度传感器放置于磁阀式可控电抗器的励磁柜中；各传感器进行现场数据采集，通过RF射频无线通信方式将数据上传至无线数据接收终端；无线数据接收终端将接收到的数据进行打包，并通过RF射频无线通信方式将数据传输给工控机；工控机通过现场总线与磁阀式可控电抗器控制器连接，用于给磁阀式可控电抗器控制器下发控制指令。本发明安装简便，方便对现有磁阀式可控电抗器增加温度监测，安装及后期维护成本均较低。
Description
技术领域
本发明涉及磁阀式可控电抗器的温度状态监测领域，具体地说是一种磁阀式可控电抗器无线温度状态监测系统及方法。
背景技术
由于特高压/超高压、长距离输电线路的建设以及越来越多的电力电子设备接入电网，动态无功补偿变得越来越急迫。磁阀式可控电抗器(magnetically controlledshunt reactor，MCR)，由于其输出无功功率连续可调、控制简单等优势在动态无功补偿领域得到了广泛的应用。
MCR的磁阀因其特殊的结构(截面积缩小)及直流助磁存在，长期处于饱和状态，导致铁芯磁阀段的单位体积损耗远高于其他部位。实际加工生产中，磁阀通常利用导热性能较差的磁阻材料(如环氧树脂片)与硅钢片混合堆叠而成，环氧树脂片相当于硅钢片的绝热层。综合以上两个因素，MCR的铁芯中极易出现远高于平均温度的局部热点，因此需要对磁阀式可控电抗器的铁芯温度进行监测。传统针对大型电抗器的温度监测方法主要包括两大类：有线式温度测量(例如光纤温度传感器)和无线温度测量(例如红外成像测温技术)。
目前有线式温度测量方法中，光纤温度传感器能较好地适应MCR内部高压、强磁场的测量环境，但存在如下不足之处：
1)通过预埋光纤监测MCR铁心内部的温度，必须在MCR制造组装时将光纤测温系统一次性安装完毕，成本较高，后期更改及维护较为困难；
2)光纤温度传感器长时间浸泡在变压器油中可能出现脱落、分解；
3)需要通过有线方式将光纤温度传感器测得的温度传输到监控平台，会使得磁阀式可控电抗器现场接线繁琐，不利于高压绝缘。
若采用红外成像测温技术则需要在测温现场人工操作红外温度成像设备，难以长期持续监测；此外，红外温度成像设备不能测量被遮挡的部位，并且测温准确度随测温设备与被测物体的间距增大而降低。此外，MCR的晶闸管及续流二极管一般放置在外部的励磁柜中，处于室外环境。这些大功率晶闸管和二极管的器件损耗产生的温升效应、环境过高的温湿度也可能影响器件乃至整个MCR系统的稳定性，因此同样需要予以监测。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种低成本、安装及运维便利的磁阀式可控电抗器无线温度状态监测系统，其在MCR箱体表面贴装吸附式无线测温传感器，并在晶闸管及二极管散热器上贴装热电偶式无线测温传感器，在励磁柜中放置无线温湿度传感器，方便对现有MCR增加温度监测，以降低安装及后期维护成本。
本发明采用的技术方案如下：磁阀式可控电抗器无线温度状态监测系统，其包括吸附式无线温度传感器、热电偶式无线温度传感器、无线温湿度传感器、无线数据接收终端、工控机和磁阀式可控电抗器控制器；
所述的吸附式无线温度传感器吸附于磁阀式可控电抗器箱体上的高温发热点处；
所述的热电偶式无线温度传感器贴装于晶闸管和二极管散热片的高温处；
所述的无线温湿度传感器放置于磁阀式可控电抗器的励磁柜中；
所述的各传感器进行现场数据采集，通过RF射频无线通信方式将数据上传至无线数据接收终端；
所述的无线数据接收终端将接收到的数据进行打包，并通过RF射频无线通信方式将所测数据传输给工控机；
所述的工控机通过现场总线与磁阀式可控电抗器控制器连接，用于给磁阀式可控电抗器控制器下发控制指令。
本发明的监测系统用于电力系统中磁阀式可控电抗器的温度状态监测及预警，防止出现局部过热的情况导致磁阀式可控电抗器不能正常运行。本发明的监测系统后期维护成本低，安装及运维便利。
本发明还提供一种磁阀式可控电抗器无线温度状态监测方法，其包括步骤：
1)用吸附式无线温度传感器、热电偶式无线温度传感器和无线温湿度传感器分别实时测量MCR箱体高温发热点处的温度、晶闸管和二极管散热片高温处的温度及励磁柜内温湿度，并将温度和湿度数据通过RF射频无线通信方式上传给无线数据接收终端；
2)所述的无线接收终端接收到传感器的数据之后进行打包，并通过RF射频无线通信方式将数据传输给工控机；
3)所述的工控机对接收的数据进行处理，通过监控软件监测现场每个传感器的实时温度和历史温度曲线；并通过预置的测温模型计算MCR中的热点温度以及预测各测温点的温度走向；
4)工控机根据实测的温度数据及计算出的磁阀式可控电抗器的热点温度，向磁阀式可控电抗器控制器发送控制指令；如果温度超过阈值，则通过工控机向磁阀式可控电抗器控制器发送降低容量、加大散热强度的控制指令，同时快速定位异常温度点并及时通知相关人员。
进一步地，预置的测温模型为MCR热路模型，其公式如下：
式(1)中，q1为MCR热点的发热强度，Ch为MCR热点的热容，θh为MCR热点的温度，θo为MCR热点处的变压器油温，Rh-o为MCR热点到热油的热阻，t为时间；
式(2)中，q2为变压器油的发热强度，Co为变压器油的热容，θo为MCR热点处的变压器油的温度，θt为MCR箱壁实时温度，Ro-t为变压器油和箱壁间的热阻，t为时间；
式(1)、(2)中的Ch、Co根据MCR绕组材料与变压器油的热物性计算得出，当系统处于额定工况，并且稳定运行时，式(1)、(2)中的时间导数项不存在；此时，上述两式简化为：
上式中，为额定负载下MCR热点温度与变压器油的温差，分别为额定负载下变压器油与箱壁的温差，为额定负载下MCR热点温度，为额定负载下变压器油温，θt N为额定负载下MCR箱壁温度；
令负载系数K为实时负载与额定负载的比值，式(1)、(2)化为：
利用无线传感器获得箱壁多点实时温度θt，结合电抗器的负载大小得到负载系数K，τ1＝ChRh-o，即MCR热点的热容Ch与MCR热点和变压器油的热阻Rh-o的乘积；τ2＝CoRo-t，即变压器油的热容Co与变压器油和箱壁间的热阻Ro-t的乘积。对式(3)、(4)利用龙格-库塔方法进行数值求解，得出MCR热点实时温度。
本发明的监测方法将实时测量的MCR箱体表面温度与MCR热点热路模型相结合计算MCR热点温度，并将各温度值作为MCR运行控制、运行保护及维护的参考。
进一步地，步骤4)中，磁阀式可控电抗器控制器根据工控机发送的控制指令产生晶闸管触发信号，控制晶闸管导通。
本发明具有的有益效果如下：
1.本发明通过无线通信方式将各测温点的温度数据传送到工控机，减少磁阀式可控电抗器现场的电气接线，安装简便，方便对现有MCR增加温度监测，安装及后期维护成本均较低。
2.本发明在设备表面贴装无线测温传感器，绕组局部高温通过传热模型算出，无需再向绕组中预埋光纤温度传感器，几乎没有对设备结构造成改变，也不会对设备运行造成影响。
3.本发明可以通过分析测得的实时温度数据捕捉设备运行异常状态，及时发现设备事故的早期征兆并采取有效措施，预防严重事故的发生。
附图说明
图1为本发明MCR热路总模型图(图中，(a)为MCR热点-变压器油热路模型图，(b)为变压器油-箱壁热路模型图)；
图2为本发明监测系统的结构图；
图3为本发明传感器的安装示意图；
图4为本发明监测方法的流程图。
图中，1-吸附式无线温度传感器，2-热电偶式无线温度传感器，3-无线温湿度传感器，4-无线数据接收器，5-工控机，6-磁阀式可控电抗器控制器，7-励磁柜，8-柜体。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例提供一种磁阀式可控电抗器无线温度状态监测系统，如图2、3所示，包括吸附式无线温度传感器1，热电偶式无线温度传感器2，无线温湿度传感器3，无线数据接收器4，工控机5及磁阀式可控电抗器控制器6。其中，吸附式无线温度传感器1吸附于磁阀式可控电抗器柜体8上的高温发热点，热电偶式无线温度传感器2放置于励磁柜7中晶闸管和二极管散热片上的高温发热点；无线温湿度传感器3放置于磁阀式可控电抗器的励磁柜7中；各传感器进行现场数据采集，通过无线方式将数据上传至无线数据接收终端4。无线数据接收终端4将接收到的数据进行打包，并通过无线的方式传输给工控机5。工控机5通过现场总线与磁阀式可控电抗器控制器6连接，用于给磁阀式可控电抗器控制器6下发控制指令。
实施例2
本实施例提供一种磁阀式可控电抗器无线温度状态监测方法，如图4所示，其包括步骤：
1)用吸附式无线温度传感器、热电偶式无线温度传感器和无线温湿度传感器分别实时测量MCR箱体高温发热点处的温度、晶闸管和二极管散热片高温处的温度及励磁柜内温湿度，并将温度和湿度数据通过RF射频无线通信方式上传给无线数据接收终端；
2)所述的无线接收终端接收到传感器的数据之后打包，并通过RF射频无线通信方式将数据传输给工控机；
3)所述的工控机对接收的数据进行处理，通过监控软件监测现场每个传感器的实时温度和历史温度曲线；并通过预置的测温模型计算MCR热点温度以及预测各测温点的温度走向；
4)工控机根据实测的温度数据及计算出的磁阀式可控电抗器的热点温度，向磁阀式可控电抗器控制器发送控制指令；如果温度超过阈值，则通过工控机向磁阀式可控电抗器控制器发送降低容量、加大散热强度等控制指令，同时快速定位异常温度点并及时通知相关人员。磁阀式可控电抗器控制器根据工控机发送的控制指令产生晶闸管触发信号，控制晶闸管导通。
进一步地，预置的测温模型为MCR热点热路模型，如图1所示，其公式如下：
式(1)中，q1为MCR热点的发热强度，Ch为MCR热点的热容，θh为MCR热点的温度，θo为MCR热点处的变压器油温，Rh-o为MCR热点到热油的热阻，t为时间；
式(2)中，q2为变压器油的发热强度，Co为变压器油的热容，θo为MCR热点处的变压器油的温度，θt为MCR箱壁实时温度，Ro-t为变压器油和箱壁间的热阻，t为时间；
式(1)、(2)中的Ch、Co根据MCR绕组材料与变压器油的热物性计算得出，当系统处于额定工况，并且稳定运行时，式(1)、(2)中的时间导数项不存在；此时，上述两式简化为：
上式中，为额定负载下MCR热点温度与变压器油的温差，分别为额定负载下变压器油与箱壁的温差，为额定负载下MCR热点温度，为额定负载下变压器油温，θt N为额定负载下MCR箱壁温度；
令负载系数K为实时负载与额定负载的比值，式(1)、(2)化为：
利用无线传感器获得箱壁多点实时温度θt，结合电抗器的负载大小(导通角)得到负载系数K，τ1＝ChRh-o即MCR热点的热容Ch与MCR热点和变压器油的热阻Rh-o的乘积，τ2＝CoRo-t即变压器油的热容Co与变压器油和箱壁间的热阻Ro-t的乘积。对式(3)、(4)利用龙格-库塔方法进行数值求解，得出MCR热点实时温度。
上述实施方式已经对本发明的一些细节进行了描述，但是不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对其进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.磁阀式可控电抗器无线温度状态监测系统，其特征在于，包括吸附式无线温度传感器(1)、热电偶式无线温度传感器(2)、无线温湿度传感器(3)、无线数据接收终端(4)、工控机(5)和磁阀式可控电抗器控制器(6)；
所述的吸附式无线温度传感器(1)吸附于磁阀式可控电抗器箱体上的高温发热点处；
所述的热电偶式无线温度传感器(2)贴装于晶闸管和二极管散热片的高温处；
所述的无线温湿度传感器(3)放置于磁阀式可控电抗器的励磁柜中；
所述的各传感器进行现场数据采集，通过RF射频无线通信方式将数据上传至无线数据接收终端(4)；
所述的无线数据接收终端(4)将接收到的数据进行打包，并通过RF射频无线通信方式将数据传输给工控机(5)；
所述的工控机(5)通过现场总线与磁阀式可控电抗器控制器(6)连接，用于给磁阀式可控电抗器控制器(6)下发控制指令。
2.磁阀式可控电抗器无线温度状态监测方法，其特征在于，包括步骤：
1)用吸附式无线温度传感器(1)、热电偶式无线温度传感器(2)和无线温湿度传感器(3)分别实时测量磁阀式可控电抗器箱体高温发热点处的温度、晶闸管和二极管散热片高温处的温度及励磁柜内温湿度，并将温度和湿度数据通过RF射频无线通信方式上传给无线数据接收终端(4)；
2)所述的无线接收终端(4)接收到传感器的数据之后进行打包，并通过RF射频无线通信方式将数据传输给工控机(5)；
3)所述的工控机(5)对接收的数据进行处理，通过监控软件监测现场每个传感器的实时温度和历史温度曲线；并通过预置的测温模型计算磁阀式可控电抗器的热点温度以及预测各测温点的温度走向；
4)工控机(5)根据实测的温度数据及计算出的磁阀式可控电抗器的热点温度，向磁阀式可控电抗器控制器(6)发送控制指令；如果温度超过阈值，则通过工控机向磁阀式可控电抗器控制器(6)发送降低容量、加大散热强度的控制指令，同时快速定位异常温度点并及时通知相关人员。
3.根据权利要求2所述的磁阀式可控电抗器无线温度状态监测方法，其特征在于，预置的测温模型为MCR的热路模型，其公式如下：
式(1)中，q1为MCR热点的发热强度，Ch为MCR热点的热容，θh为MCR热点的温度，θo为MCR热点处的变压器油温，Rh-o为MCR热点和变压器油的热阻，t为时间；
式(2)中，q2为变压器油的发热强度，Co为变压器油的热容，θo为MCR热点处的变压器油的温度，θt为MCR箱壁实时温度，Ro-t为变压器油和箱壁间的热阻，t为时间；
式(1)、(2)中的Ch、Co根据MCR绕组材料与变压器油的热物性计算得出，当系统处于额定工况，并且稳定运行时，式(1)、(2)中的时间导数项不存在；此时，上述两式简化为：
上式中，为额定负载下MCR热点温度与变压器油的温差，为额定负载下变压器油与箱壁的温差，为额定负载下MCR热点温度，为额定负载下变压器油温，为额定负载下MCR箱壁温度；
令负载系数K为实时负载与额定负载的比值，式(1)、(2)化为：
利用无线传感器获得箱壁多点实时温度θt，结合电抗器的负载大小得到负载系数K，τ1＝ChRh-o，即MCR热点的热容Ch与MCR热点和变压器油的热阻Rh-o的乘积；τ2＝CoRo-t，即变压器油的热容Co与变压器油和箱壁间的热阻Ro-t的乘积；对式(3)、(4)利用龙格-库塔方法进行数值求解，得出MCR热点实时温度。
4.根据权利要求2所述的磁阀式可控电抗器无线温度状态监测方法，其特征在于，步骤4)中，磁阀式可控电抗器控制器根据工控机发送的控制指令产生晶闸管触发信号，控制晶闸管导通。
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