基于經濟運行的變壓器冷卻控制裝置

劉國樹 ，咸日常 ，，邢基厚 ，劉國爭 ，馮業峰

（1.山東理工大學，山東 淄博 255091；2.淄博供電公司，山東 淄博 255000；3.山東電力檢修公司，山東 濟南 250021；4.西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000）

0 引言

隨著變電站自動化系統應用的不斷深入，傳統繼電式冷卻控制模式已不能適應新的要求。從2007年開始，以PLC為核心的冷卻控制系統逐步被采用并替代了傳統的冷卻控制系統，被廣泛應用于220kV及以上變壓器中。目前常用的冷卻控制模式主要是將冷卻器組分別設定為“工作”、“輔助”、“備用”3種運行方式，以保證變壓器運行溫度不越限。其他一些研究者提及的依據變壓器負荷和溫度變化率［1－2］或依據給定溫升裕度［3］的冷卻控制方法，雖防止了冷卻裝置在整定溫度值附近頻繁投切，保證了冷卻器的使用壽命，但控制策略忽略了冷卻的經濟效益，沒有考慮變壓器整體運行的經濟性，在控制策略上存在冷卻裝置投入過多或過少的問題，造成了不必要的能源浪費。

針對這一問題，研究的冷卻控制裝置可通過將投入或停止一組冷卻器后線圈功率損耗的變化值與該組冷卻器消耗的功率值進行經濟技術比較后，智能控制冷卻裝置的線性投入或停止，保證運行變壓器在任何負載和外部環境溫度下綜合損耗達到最低，實現精確控制和最佳安全經濟運行，節約能源。

1 智能冷卻控制系統的功能

檢測功能。自動檢測冷卻器風扇、油泵電機以及變壓器、冷卻系統的運行信息和故障信息等，每隔30 min對變壓器頂層油溫進行采樣，并對采樣值進行數字濾波。

控制功能。手動／自動和遠方／就地控制冷卻器工作［4］。裝置依據變壓器頂層油溫，在保證變壓器運行溫度不超限的前提下，采用將變壓器繞組功耗與冷卻裝置功耗綜合考慮的溫度控制策略，實現變壓器整體運行經濟性［5－6］；能夠定時輪換冷卻器的運行模式，使冷卻器運行狀態重新分配，以提高冷卻器風扇和油泵的整體使用壽命；可以為風扇和潛油泵的電動機提供過載、堵轉、缺相保護；能夠監視裝置電源、冷卻器組運行等；若冷卻系統故障全停時，發出告警信號，允許變壓器帶負荷運行20 min，若20 min后頂層油溫尚未達到75℃，則允許上升到75℃，但在這種狀態下的最長時間不得超過1 h，超過上述限值時，發出變壓器跳閘命令；另外還具有自動除濕、加熱和通風等功能。

設定功能。控制面板采用觸摸屏作為人機界面，可以通過密碼進入參數設置，輸入變壓器容量、損耗參數、整定上層油溫限值、油溫和線圈溫度補償修定、冷卻器全停跳閘延時時間、冷卻器運行模式修改或自動變更時間、兩路動力電源自動輪換時間、故障記錄等信息。

顯示功能。通過信號燈和觸摸屏顯示冷卻系統的運行及故障信息。

遠方監控功能。通過本裝置和遠方集控中心進行通信，可實現遙信、遙測和遙控。

通信功能。裝置采用光纜與集控中心進行通信，發送主變風冷系統的全部狀態信息，接收變壓器油溫數字信號和負載電流數字信號以及監控中心發出的數據、命令。

2 智能冷卻控制系統的硬件設計與實現

2.1 冷卻控制系統的硬件設計

變壓器智能冷卻系統由變壓器冷卻器、智能監控裝置和遠動裝置組成［7］。智能監控裝置有控制系統、電源配電系統和檢測保護系統3部分［8-9］，結構框圖如圖1所示。

圖1 變壓器智能冷卻系統的結構框圖

控制系統。變壓器冷卻系統的控制系統是實現變壓器智能冷卻控制的核心，主要是由PLC可編程控制器、數字量輸入、輸出模塊和模擬量輸入、輸出模塊組成。主要功能是實現電壓、電流實時在線采集、風扇電機保護及自動控制，同時完成就近告警和遠程通信等功能。

電源配電系統。控制裝置采用兩路電源供電，一路主電源，一路備用電源。兩電源之間通過軟件或硬件的連鎖裝置監測電壓、斷相等以確保它們之間的工作順序。

檢測保護系統。保護部分主要是由電流互感器和控制電路板及輸出接觸器組成，主要完成對每臺油泵電機和風扇電機的缺相、過流和短路的檢測及保護。

其他輔助功能。箱內凝露檢測除濕功能、手動／自動控制方式以及主備工作電源切換、箱內照明等基本功能。

2.2 冷卻監控系統的硬件實現

冷卻裝置的可編程控制器采用淄博科匯電氣有限公司生產的PZK－100型的PLC可編程邏輯控制器，可以同時控制采集多個電流信號、溫度信號、冷卻器狀態信號、冷卻器電源、油泵狀態信號和變壓器保護繼電器信號。冷卻監控裝置的電路原理如圖2所示。

圖2 冷卻控制裝置的電路原理圖

變壓器溫度信號和電流信號經溫度檢測器U2和電流檢測器U3轉換為數字信號后，通過串行通信接口接入可編程控制器U1。可編程控制器U1經過智能判斷，通過啟動繼電器J1輸出控制信號，經電機啟動接觸器J2控制變壓器冷卻器電機M1的啟動和停止。

冷卻器狀態檢測器包括電機啟動接觸器J2、熱繼電器J3、電機回路的電流檢測器U3和電壓檢測器U4，電機啟動接觸器J2的一個觸點J2－1連接可編程控制器U1的輸入端，另一個觸點J2－2設置在冷卻器電機M1的主電源線路上，熱繼電器觸點J3－1連接可編程控制器U1的輸入端，熱繼電器J3設置在冷卻器電機M1的自身電源回路上。

冷卻器狀態監測器設置在各組冷卻器上，溫度檢測器U2設置在變壓器油箱頂層，電流檢測器U3、電壓監測器U4設置在電力變壓器各側的電流／電壓互感器二次線圈上，熱繼電器設置在冷卻器電機M1附近，油流繼電器設置在冷卻器油管上。

3 冷卻控制系統的軟件設計

系統程序設計采用模塊化結構［10］，邏輯功能清晰，易于編程與查錯。主要包括自診斷、數據采集、綜合投切判斷、“凝露”檢測、自適應保護等。

自適應保護原理引用文獻［11］的控制方法，使冷卻器組保護、電源缺相保護和出口時間保護的整定值，隨冷卻器組運行情況和故障類型的實際情況而改變，這里不再做具體陳述，重點描述冷卻控制裝置控制模式的具體實現。

軟件的主程序流程如圖3所示。

圖3 冷卻控制裝置的主程序流程圖

系統啟動后，首先進行自檢，自檢錯誤給出故障信號，自檢正常后采集變壓器溫度、各側負載情況、各散熱器的工作狀態等信號。

根據采集到的信號，當變壓器溫度大于55℃并小于75℃時投入全部冷卻器；當溫度高于75℃時，可以根據需求按整定的溫度和時間定值發變壓器跳閘命令或告警信號；當溫度小于55℃時，將當前溫度置為初始溫度t0，并循環采集數據。

由于變壓器負載或環境溫度變化使得變壓器頂層油溫變化，當實際溫度偏差值小于系統整定偏差值時，保持當前冷卻投入；當變壓器溫度變化到t1，且溫差t1-t0>tz（可整定）時，根據主變溫度變化情況投入或退出某組冷卻器，延時60 min后，根據達到的溫度t2，依據繞組溫度公式

和變壓器運行功率損耗公式實時計算運行或停止一組冷卻器后，變壓器溫度由t1變化到t2引起的線圈功率損耗的變化值ΔP。

其中ΔP為功率變化，t1為運行或停止一組冷卻器前的油溫，t2為運行或停止一組冷卻器后的油溫，R1為運行或停止一組冷卻器前的變壓器線圈阻值，R2為運行或停止一組冷卻器后的變壓器線圈阻值。

若ΔP大于單組散熱器的消耗功率P0，則再投入或退出一組散熱器，延時60 min后，重復計算變壓器變化的功率損耗，直到ΔP小于單組散熱器的消耗功率P0為止，并將當前溫度歸位t0，完成整個控制過程。

至于啟停哪幾組冷卻器則取決于每組冷卻器目前累積運行時間的統計和排序，在排序中當機組連續運行一定時間后發出一重新排序的切換命令，使機組輪流工作，均衡使用。

4 結語

從裝置在某變電站進行的實驗結果可知，文中設計的變壓器冷卻控制系統運行可靠、控制準確，達到了預期的效果，對變壓器安全、可靠、經濟運行有重要意義和實用價值。隨著現在國家提倡的“節能減排”議案的推廣，采用PLC和變壓器綜合損耗溫度控制策略的新型智能變壓器冷卻控制柜會得到廣泛應用。

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