智能冷卻控制系統在超高壓變壓器中的應用

黃芝強，劉穩標，林娟

（正泰電氣股份有限公司，上海 201614）

隨著電網發展的需要，逐漸的朝超高壓、智能化的方向發展，而超高壓、智能化的電網就需要相適應的變壓器。目前，節能降耗、綠色環保是社會發展的需要，電力設備同樣如此。因此，一個智能化的冷卻控制系統對于變壓器來說同樣重要。智能冷卻控制系統能夠幫助變壓器降低輔機損耗，降低變壓器低負荷時的運行噪音，提高風機的使用壽命，同時能夠對冷卻控制系統進行智能化且實時數字化的監控。

1 變壓器的傳統的冷卻系統與智能冷卻控制系統

電力變壓器是一種通過改變電壓而傳輸交流電能的靜止感應電器。它有一個共用的鐵心和與其交鏈的幾個繞組，且他們之間的空間位置不變。當某一個繞組從電源接受交流電能時，通過電感生磁、磁感生電的電磁感應原理改變電壓（同時改變電流，電壓與電流成反比，即電壓升高，則電流降低），在其余繞組上以同一頻率、不同電壓（電流）傳輸出交流電能。由于在電生磁、磁生電的過程中存在漏磁、渦流、磁滯等損耗，它們共同組成了變壓器的空載損耗和負載損耗。

所有損耗最終均轉換為熱能，使變壓器的鐵心和繞組發熱，導致變壓器的溫度升高。因此變壓器如果靠自身散熱，無法將多余的熱量排除出去，就會導致變壓器的溫度長時間超過允許值，則變壓器的絕緣迅速老化，絕緣容易損壞，有數據表明，變壓器的溫度每升高6℃，變壓器絕緣的壽命將降低一半。即使絕緣還沒有損壞，溫度愈高，在電動力的作用下，絕緣越容易破裂，絕緣的性能越差，很容易被高電壓擊穿而造成故障。因此，變壓器正常運行時，不能超過絕緣的允許溫度，也就要求變壓器的冷卻系統運行可靠，這樣才能保證變壓器的正常運行。在大型電力變壓器中，由于損耗很大，自身冷卻（ONAN）不能滿足其運行要求，所以目前大型變壓器的冷卻一般采用強迫風冷（ONAF）或強迫油循環風冷（OFAF）的方式，部分水質較好的水電站采用強迫水冷（ODWF）的方式進行冷卻。除了采用自冷方式（ONAN）的變壓器不需要風冷控制系統，其他如采用ONAF，OFAF還是ODAF的變壓器都需要冷卻控制系統來實現對冷卻系統的控制。

根據行業標準《電力變壓器運行規程》（DL/T-572-2010）的要求，變壓器的冷卻控制系統必須具備以下功能。

（1）冷卻系統必須有兩組獨立的工作電源互為備用，并具有電氣觸電互鎖功能。

（2）自動啟動冷卻系統的接點信號。

（3）按負荷或溫度控制冷卻系統的工作與停止。

（4）具有故障報警功能。

（5）具有手動控制功能，并且能在控制器失效情況下，手動控制冷卻系統的功能。

控制系統大多由傳統的低壓元件如斷路器、繼電器或PLC（可編程邏輯控制器）等組成。在冷卻控制系統中屬于大腦，能夠分析并提供信號來控制冷卻設備。信號系統則提供信號采集、輸出等功能，將信息提供給控制系統；風機和油泵則是冷卻系統的執行者，接受控制系統的信號，通過工作和停止來達到控制冷卻系統的目的。

傳統的變壓器冷卻控制系統由諸多的接觸器、中間繼電器、空開等組成，以國家電網天津某變電站使用的SFSZ11-240000/220變壓器的冷卻控制系統為例。其控制系統采用的是傳統的電器元件來實現，其控制系統中僅開關、繼電器、斷路器和接觸器的數量就有69件。其控制系統有以下缺點。

（1）電器件多且復雜，相對故障率高，接線復雜，接點多。當任一元件發生故障時，均有可能導致變壓器的冷卻系統部分或全部停運，嚴重時會導致主變停運，造成重大的停電事故。

（2）自動化程度低，不夠智能化。目前國網大力推廣智能電網，國內新建220kV及以上電站大多為無人值守電站，對于變壓器及其附件的智能化要求較高，當冷卻系統出現故障時，不能提供故障的詳細信息。

（3）功能單一，適用性不強。對于變壓器的油溫和負載電力等信號系統提供的參數的設定和修改都由硬件實現，參數的設定和修改不便，不能在線設定和修改。

（4）體積龐大，結構復雜。大都只能落地式安裝，不能采用壁掛式安裝在變壓器上，導致對于控制系統殼體的防護等級、耐腐蝕性等要求提高。

近幾年來，隨著一些進口電器件的普遍采用和國產電器件的技術、工藝、生產水平的提高，由硬件質量問題引起的冷卻控制系統故障在逐漸降低，但控制回路一直沒有本質的改變。隨著國網對于電力變壓器，尤其是超高壓電力變壓器的冷卻控制系統智能化的要求逐漸提高，傳統的冷卻控制系統的回路將進一步復雜，更加不利于檢修人員的運行維護。

采用PLC的智能冷卻控制系統除了含有CPU外，還配置了模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、繼電器類輸入模塊、繼電器類輸出模塊和與上位機通訊用的RS485接口。PLC可編程控制器為整個智能冷卻控制系統的核心。

相比于傳統的變壓器冷卻控制系統，采用PLC的智能變壓器冷卻控制系統的優勢十分明顯。除了能夠滿足《電力變壓器運行規程》中對于冷卻控制系統的要求外，還能夠實現以下功能。

（1）體積小，占地面積小，可采用壁掛式，內部結構簡單，接線少，維護檢修較為輕松。

（2）功能強大能夠實現許多傳統的變壓器冷卻控制系統所無法實現的功能。如逐一啟動冷卻設備，對于冷卻設備進行定期輪換工作，將冷卻系統的故障和運行狀態傳輸給控制中心，能夠接收非電量的信號，如0～20mA或4～20mA的電流信號。

（3）因為能夠實現冷卻設備的逐一啟動和關停，避免了大量冷卻設備的集中啟動或關停對供電系統電網的沖擊。

（4）更換狀態靈活。基于PLC的風冷控制系統，如果需要對整個冷卻控制系統進行更改，只需要重新編程輸入PLC即可，無須對整個風冷控制系統進行拆解、安裝、斷電等。整個主變也可以在不斷電的情況下更改，提高了電網的穩定性。

（5）全壽命成本低。即在整個變壓器和冷卻系統的全部使用壽命期間，其具有成本低于傳統冷卻系統的優勢。

2 采用智能冷卻控制系統的經濟性分析

變壓器的智能冷卻控制系統較傳統的冷卻控制系統每套約貴2萬元人民幣左右，但是對于變壓器的全壽命期間的成本計算，則智能冷卻控制系統的經濟性優勢十分明顯。

由于電網負荷在隨時變化，其負荷的變化一般有以下幾種：季節性負荷變化；冬夏兩季制冷制熱設備使用，農村夏季灌溉；日夜負荷變化；居民區夜間用電量的變化；工業區、商業區的日夜負荷變化；突發事件用電變化；大型活動用電變化；應急救災；遠期負荷變化；近期使用量小，遠期大。在變壓器維持低負荷運行時，發熱量較少，此時相比于滿負荷時，可以少開甚至不開冷卻設備。而傳統的冷卻控制系統只能對冷卻設備分組啟動。無法根據負荷的變化，根據需要來啟動相應數量的冷卻設備。

以河南某500kV變電站3臺單相ODFPSZ-250000/500變壓器的負荷為例，有數據顯示，其夜間負荷最低時僅為負荷高峰時的1/4。2011年上海某鋼鐵公司SFZ-63000/110變壓器因短路引發燃燒，導致外部設備幾乎全部損壞。其冷卻控制系統由江蘇某變壓器公司設計生產，為采用傳統的電器件控制，變壓器采用ONAN/ONAF冷卻方式，即自冷加風冷模式。由于此處事故中控制箱也燒毀，與該公司相關技術人員溝通后，采用智能冷卻控制系統來控制。自2011年4月投運以來，與歷年數據對比，平均節電29．5%，由此推算，風機的實際使用率約為70%。

3 使用前景

隨著兩網公司（國家電網公司和南方電網公司）大力推廣智能、堅強電網的需要，在具備良好的全壽命經濟性的優勢的情況下，智能冷卻控制系統的使用前景一片光明。2012年年初，國網下屬的電力科學研究院就發布通知，開始進行智能變壓器的檢測與驗證，其中智能冷卻控制系統就是其中必須進行檢測的內容。有數據顯示，近兩年國家電網和南方電網進行的集中招標采購的220kV及以上電力變壓器中，智能冷卻控制系統有逐步增多的趨勢。

4 結語

智能冷卻控制系統的發展趨勢不可逆轉，其使用上預計也將大規模的普及，相比于傳統的控制系統優勢明顯。但是其使用中也有一定的局限性，如對于運行維護人員的素質要求更高，由于PLC及觸控屏的存在，整個系統對于防護等級、環境條件的要求也更高。因此，合理的使用智能冷卻系統才能為企業帶來良好的經濟效益。