智能冷卻控制系統在超高壓變壓器中的應用

楚修楠 張晗

【摘 ?要】傳統的變壓器冷卻控制裝置存在較多安全隱患，自動化水平低，無法滿足無人值守變電站的需求。基于此，有必要深入研究基于可編程控制器PLC的電力變壓器冷卻控制裝置，提出一種新型變壓器風冷控制裝置設計方案。

【關鍵詞】智能冷卻控制系統;變壓器;應用

前言

變壓器冷卻技術的發展是加快變壓器容量增長的關鍵環節。大量的研究數據表明，變壓器的運行溫度在很大程度上影響著負載損耗，降低變壓器的運行溫度可以有效地減少負載損耗。當變壓器的運行溫度下降20K時，負載損耗將降低10%左右。除此以外，降低變壓器運行溫度不僅可以延長其使用壽命，還可以使得變壓器的過載能力得到提高。

1變壓器冷卻方式分類

1.1干式冷卻

1.1.1空氣冷卻

世界首臺干式變壓器出現于1885年，當時的變壓器主要是以空氣作為制冷劑。這種冷卻方式最大的缺點是對絕緣空隙和絕緣材料的要求較高。1886年，匈牙利研制出閉合磁路變壓器，也是將空氣作為絕緣材料和制冷劑。由于當時的加工工藝比較落后，這種冷卻方式限制了變壓器的大型化發展。1935年，西屋公司加強了繞組的絕緣性，使得工作電壓提升至15kV。隨后，西屋公司于1941年推出了全封閉式干式變壓器。這種變壓器的適用范圍大大增加，但它的局限性也不可忽視。1966年，聯邦德國首次研制出絕緣材料為環氧樹脂的變壓器，大大減小了空冷式變壓器的體積，對于變壓器的發展具有重要意義。

1.1.2SF6氣體冷卻

1982年，MOORECL首次提出了以SF6氣體作為變壓器的絕緣材料和制冷劑。1990年，這種變壓器進入了中國香港市場。SF6氣體的安全性高，價格低廉。相比于空氣，它的絕緣性能更好，熱容僅為0.64kJ/（kg·K）。SF6氣體冷卻變壓器的容量較低，在城市居民生活區內使用較多。由于SF6氣體的換熱能力不強，故在大型變壓器的冷卻系統中很少應用。為了增強SF6變壓器的散熱能力，有些公司會在冷卻器內接通冷卻水來強化換熱，但這種冷卻效果很有限。SF6氣體的熱容低是其致命的缺點。為了增強換熱效果，一般會增大箱體內的風扇功率。這不僅會增加箱體造價成本，還會帶來更大的噪聲。在我國，干式變壓器的適用范圍廣泛，具有結構簡單等優點。

1.2液體冷卻

1.2.1水冷卻

水冷卻是一種局部冷卻方式，其原理是在變壓器上配置水冷器，并將水冷器安裝在線圈外部，通過水循環來實現冷卻。因此，其只能冷卻變壓器的表面溫度，內部無法降溫，且冷卻裝置與熱源的熱交換面積較小，散熱效果有限。另外，其冷卻液對絕緣性能要求較高，成本較為昂貴。

1.2.2油冷卻

油冷式變壓器出現于20世紀初期，由于液體相比于氣體具有更高的換熱系數，而在各種液體制冷劑中，油的電絕緣性較高，所以大多數電力公司選擇油冷式變壓器。在油冷式變壓器運行過程中，冷卻油吸收鐵心和繞組線圈中產生的熱量，流動到散熱器內，通過對流和輻射的換熱方式將熱量散到外界環境，從而起到冷卻變壓器的作用[10]。油冷變壓器可以根據是否配有液泵、風機等動力裝置來分類，可分為油浸自冷式、油浸風冷式、強迫油循環風冷式、強迫油循環水冷式等。

1.3蒸發冷卻

目前，蒸發冷卻變壓器的制冷工質可分為3類：一是全蒸發制冷劑，其沸點較低，常壓下蒸發過程可以在很短的時間內完成，變壓器內部容易形成較大的溫度梯度;二是固體填料式制冷劑，是在蒸發劑中添加固體填料，來實現控制相變速度的目的;三是混流式制冷劑，是在蒸發劑中加入液體介質，使得混合液體的絕緣性和換熱能力增強。根據工作原理的不同，蒸發冷卻變壓器可以大致劃分為噴淋式、隔離式、浸漬式3類。蒸發冷卻對制冷劑的要求較高，制冷劑的沸點需要與變壓器的運行工況相匹配，有較高的汽化潛熱和良好的傳熱性;同時還要求化學性能穩定、無毒無腐蝕、不易燃、絕緣性好。

2基于PLC的智能冷卻控制系統設計

針對傳統變壓器冷卻調控系統存在的問題，在提出的系統設計中，采用硬件+算法的融合方式進行針對性解決。首先，針對變壓器特性，摒棄傳統多接觸器件拼裝的硬件架構。采用基于嵌入式單片機工藝的PCL控制芯片作為智能控制核心芯片，同時配合電子繼電器，電子溫控感應器、高精度傳感器與多路電子空開構建控制點骨架，內部傳統控制連接線，采用集成電路工藝進行集成化封裝處理，達到簡化線路，降低線路自身熱量對變壓器溫度檢測的影響。

2.1PLC智能調控平臺創建設計

系統在硬件部分采用嵌入式PCL單片機STM8S003F3P6智能芯片，作為硬件控制核心CPU芯片。通過集成電路板集成電路，連接負責對變壓器模擬量數據采集的高精度傳感器，接入負責變壓器溫度采集的DS18B20Z溫度感應器，接入16組JQC-3FF-S-H中間電子繼電器，在硬件電路輸出點接入3組A9N19823 C120H多路電子空開。1）在硬件設計中，采用上位機RS485通信接口作為數據傳輸接口，保證了變壓器數據的實時同步接收處理。同時，PLC智能調控平臺還滿足多模組平臺對接的特點，可根據變壓器工作電壓大小，自定義硬件平臺數量，最大限度的節省硬件架設空間與成本。針對傳統調控系統硬件對變壓器狀態信號感應滯后的問題，設計的硬件平臺中采用高精度傳感器對弱項非電信號，如 0～21 mA或5～21 mA的弱流信號，為后續算法優化提供更為精準的數據。至此，PLC智能調控平臺創建完畢。

2.2引入電子變量算法

通過上述硬件平臺的創建，在數據采集檢測方面解決了傳統冷卻調控系統純機械接觸元件自身不足造成的數據采集反饋滯后的問題。

結束語

基于嵌入式單片機的變壓器智能冷卻系統，能夠有效解決調控精準度低的問題。具有較高的可行性，滿足設計需要，為變壓器冷卻調控研究提供了新的設計思路。

參考文獻：

[1]唐志平，史建平.一種新型變壓器冷卻系統智能監控裝置的研究[J].變壓器，2017，44（3）：67–69.

[2]杜璞良，杜欣慧.鋼鐵企業中變壓器投切控制節能策略研究[J].計算機仿真，2017，34（10）：78–82+295.

（作者單位：國網新疆電力有限公司檢修公司）