水電廠干式變壓器溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

周 佳，肖貴銀，丁澤濤

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610051）

0 前言

干式變壓器特性優(yōu)良，其安全運(yùn)行和使用壽命很大程度上取決于變壓器繞組絕緣的安全可靠。繞組溫度超過絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導(dǎo)致變壓器不能正常工作的主要原因之一，因此對變壓器運(yùn)行溫度的監(jiān)測及其報(bào)警控制、跳閘保護(hù)是十分重要的。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 基于溫控儀式的溫度控制系統(tǒng)

干式變壓器常用溫控設(shè)備——溫控儀，其結(jié)構(gòu)簡單、體形較小。一般采用單片機(jī)技術(shù)，利用預(yù)埋在干式變壓器三相繞組中的Pt100鉑熱電阻來檢測及顯示變壓器繞組的溫升，并具有相應(yīng)的報(bào)警及控制功能，能夠自動(dòng)啟停冷卻風(fēng)機(jī)對繞組進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，以保證變壓器運(yùn)行在安全狀態(tài)。

Pt100鉑熱電阻工作原理為，當(dāng)PT100在0℃環(huán)境溫度下，其阻值為100Ω，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而呈近似勻速的增長。Pt100鉑熱電阻分度表計(jì)算如下。

Rt=R0×（1+A×t+B×t2）（0 ℃≤t＜850 ℃）

其中Rt為溫度是t時(shí)的電阻值，R0為溫度是0℃時(shí)的阻值；A，B為常系數(shù)，其中A=3.9083E-3，B=-5.775E-7。

溫控儀的可靠性，基本依靠Pt100鉑熱電阻。鉑電阻采集溫度信號(hào)傳輸至溫控儀，溫控儀將采集的溫度值進(jìn)行一定的校準(zhǔn)和抗干擾處理，再傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換回路（A/D轉(zhuǎn)換），將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即將非電信號(hào)的溫度值，經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼等步驟處理，變成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過溫控儀的核心部件單片機(jī)處理回路，將電信號(hào)進(jìn)行有效的多路處理，一路傳輸至顯示模塊，用于現(xiàn)地顯示實(shí)時(shí)溫度，一路傳輸至控制模塊，用于報(bào)警、跳閘等輸出控制。同時(shí)該電路能有效地判別系統(tǒng)開路等故障信號(hào)，發(fā)出告警。溫控儀的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫控儀系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

常規(guī)的溫控儀可以同時(shí)采集3個(gè)RTD信號(hào)，通過特定的RTD線纜，借助D25插頭與溫控儀對接，可以三相巡回測量并顯示測量值。設(shè)備能對自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視并輸出故障告警，兼有超溫報(bào)警、超溫跳閘顯示并輸出的控制作用，同時(shí)與干式變壓器的冷卻風(fēng)機(jī)配合使用，根據(jù)溫度定值啟停風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)變壓器的內(nèi)部溫度。

干式變壓器的溫度監(jiān)視點(diǎn)一般是三相均要監(jiān)視，且每相均要監(jiān)視前部、后部繞組，每臺(tái)干式變壓器可以配置2套溫控儀，1套監(jiān)視三相前部溫度，1套監(jiān)視三相后部溫度。配置有風(fēng)機(jī)的變壓器，則與溫控儀搭配使用。溫控系統(tǒng)自身告警、超溫報(bào)警、超溫跳閘的信號(hào)則送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)或者發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)，用于監(jiān)視報(bào)警或者控制。同時(shí)，干式變壓器會(huì)單獨(dú)增設(shè)同型號(hào)、同數(shù)量、同監(jiān)測點(diǎn)配置的Pt100鉑熱電阻，直接將溫度量送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用于變壓器溫度的實(shí)時(shí)顯示。

部分溫控儀會(huì)有一些新功能，例如具備電信號(hào)輸出功能，在接收到Pt100鉑熱電阻信號(hào)后，經(jīng)內(nèi)部處理輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，通過D9插頭送出，或者經(jīng)內(nèi)部處理輸出通信信號(hào)，通過RS485通信送出，也用于變壓器溫度的實(shí)時(shí)顯示。

1.2 基于溫控箱式的溫度控制系統(tǒng)

干式變壓器的溫度控制系統(tǒng)，除了使用溫控儀外，應(yīng)用較多的則是溫控箱。所謂的溫控箱，首先其結(jié)構(gòu)與溫控儀不相同，設(shè)備大小不相同，其次其核心部件是溫度監(jiān)視器，再者其現(xiàn)地測控元件是PTC熱敏電阻。

PTC熱敏電阻也叫正溫度系數(shù)熱敏電阻器，是敏感元件的一類，特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值，其電阻值隨著本體溫度的升高呈現(xiàn)出階躍性的增加，溫度越高，電阻值越大。熱敏電阻的電阻—溫度特性可用以下公式表示。

Rt=Rt0expBp（t-t0）

其中Rt為溫度是t時(shí)的電阻值，Rt0為溫度是t0時(shí)的電阻值，Bp為制作熱敏電阻材料的原料常數(shù)。水電廠干式變壓器選取的熱敏電阻，常規(guī)情況下其溫度與阻值定值如表1所示，或者根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定制，設(shè)定符合現(xiàn)場實(shí)際情況。

表1 熱敏電阻定值參考表

溫度監(jiān)視器，主要接收位于變壓器高/低壓側(cè)線圈內(nèi)的熱敏電阻信號(hào)，輸出各種信號(hào)，與中間繼電器搭配，開出超溫報(bào)警、超溫跳閘、風(fēng)機(jī)啟停的動(dòng)作命令。溫控箱的控制原理如2所示，K表示控制回路電源開關(guān)，RW、RT為測量點(diǎn)的熱敏電阻，其中RW代表超溫報(bào)警，RT代表超溫跳閘，W、T為溫度監(jiān)視器內(nèi)與其對應(yīng)的輔助接點(diǎn)，溫度低于跳變點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)為斷開狀態(tài)，當(dāng)高于跳變點(diǎn)時(shí)，則接點(diǎn)閉合，導(dǎo)通回路。J1、J2為中間繼電器，J1代表輸出的超溫報(bào)警繼電器，J2代表輸出的超溫跳閘繼電器，H1～H3為狀態(tài)指示燈，H1代表溫控箱電源正常，H2代表超溫報(bào)警，H3代表超溫跳閘。熱敏電阻的監(jiān)測點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求進(jìn)行布置，一般會(huì)監(jiān)測干式變壓器的低壓側(cè)三相溫度，三相超溫報(bào)警電阻串聯(lián)，三相超溫跳閘電阻串聯(lián)，任一相出現(xiàn)異常，均會(huì)觸發(fā)報(bào)警或跳閘信號(hào)。

同理，除了使用溫控箱外，一般也會(huì)單獨(dú)增設(shè)同數(shù)量、同監(jiān)測點(diǎn)配置的Pt100鉑熱電阻，直接將溫度量送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用于變壓器溫度的實(shí)時(shí)顯示。

圖2 溫控箱控制原理圖

2 研究分析

現(xiàn)在市面上、行業(yè)內(nèi)使用的溫控系統(tǒng)，均采用溫控箱式結(jié)構(gòu)、溫控儀式功能的新產(chǎn)品——溫控器，其核心仍然是溫控儀。不管是溫控儀，還是溫控箱，二者在運(yùn)行、維護(hù)過程中都有一些不足之處。

根據(jù)NB/T35010-2013《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中部分內(nèi)容要求，干式變壓器繞組溫度保護(hù)分為溫度升高和溫度過高兩級，溫度升高動(dòng)作于信號(hào)，溫度過高動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。由此可見，水電廠干式變壓器的溫控系統(tǒng)是很重要，且是非常必要的，必須采取保護(hù)聯(lián)動(dòng)邏輯。但是在落實(shí)這項(xiàng)規(guī)程規(guī)范前，我們必須結(jié)合實(shí)際情況研究分析以下幾個(gè)問題。

2.1 溫控儀輸出接點(diǎn)的匹配性

水電廠常用的溫控儀，其輸出信號(hào)自身告警、風(fēng)機(jī)控制、超溫報(bào)警、超溫跳閘，均是繼電器觸點(diǎn)輸出，觸點(diǎn)容量大部分為交流220V電壓等級、直流24V電壓等級，例如3A/250VAC或7A/24VDC。實(shí)現(xiàn)溫度升高動(dòng)作于信號(hào)，基本可以滿足需求，溫控儀的超溫報(bào)警信號(hào)可以接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元，其開關(guān)量輸入模塊為24VDC電壓等級。至于超溫跳閘信號(hào)，也可以送入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，再由監(jiān)控系統(tǒng)開出斷開變壓器各側(cè)斷路器命令。但是在水電廠中，繼電保護(hù)的穩(wěn)定可靠性能高于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，尤其在邏輯保護(hù)方面。然而繼電保護(hù)系統(tǒng)其控制回路為220VDC電壓等級，可能存在與超溫跳閘輔助觸點(diǎn)容量不匹配問題，則需要綜合考慮其匹配性，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 溫控箱溫控功能的局限性

溫控儀具備現(xiàn)地巡屏顯示變壓器溫度的功能，但是溫控箱則暫不具備該功能，雖然它與溫控儀一樣單獨(dú)配置了Pt100鉑熱電阻，直接將溫度量上送遠(yuǎn)方監(jiān)視，但只有邏輯報(bào)警與保護(hù)的功能。溫控箱雖然有熱敏電阻與溫度監(jiān)視器、中間繼電器配合使用，穩(wěn)定性能方面毋庸置疑，但是與溫控儀對比，就會(huì)存在一定局限性，缺少現(xiàn)地顯示功能。同時(shí)，配合使用的中間繼電器，也是采取同溫控儀類似的繼電器觸點(diǎn)輸出，也會(huì)存在觸點(diǎn)容量與控制回路電壓等級匹配問題。所以在使用溫控箱時(shí)，要充分考慮其局限性。

2.3 溫控系統(tǒng)保護(hù)源的單一性

如前文所說的，落實(shí)NB/T 35010-2013《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，不管是溫控儀、還是溫控箱，普遍性的做法是將輸出的超溫報(bào)警信號(hào)上送監(jiān)控系統(tǒng)，用于報(bào)警監(jiān)視，將輸出的超溫跳閘信號(hào)上送至繼電保護(hù)系統(tǒng)，動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。二者都可以將變壓器所有監(jiān)測點(diǎn)的超溫報(bào)警、超溫跳閘信號(hào)串聯(lián)或者并聯(lián)輸出，確保每一相不遺漏或者避免某一相誤動(dòng)作。但是這樣的做法，其可靠性完全是依靠溫控儀或者溫控箱自身性能，沒有選取第三方來監(jiān)視對比，僅僅是用Pt100鉑熱電阻做為實(shí)時(shí)量監(jiān)視。

2.4 溫控系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)方案

針對上述所提出的一些問題，可以對干式變壓器溫控系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性特別強(qiáng)大，智能化的水電廠利用監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對全廠設(shè)備的監(jiān)視、調(diào)節(jié)與控制，這就為本規(guī)劃建議提供了支撐平臺(tái)。功能原理配置如圖3所示，每套干式變壓器配置1套溫控儀（帶Pt100鉑熱電阻）、1套溫控箱（帶PTC熱敏電阻）、1組Pt100鉑熱電阻，所有開關(guān)量、模擬量信號(hào)全部上送計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，既避免了輔助觸點(diǎn)容量匹配性問題，也避免了整體功能局限性問題。運(yùn)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)算邏輯，同時(shí)判斷三路來源信號(hào)，即溫控儀超溫報(bào)警、溫控箱超溫報(bào)警、溫度量定值越限報(bào)警（溫度高），則輸出變壓器溫度高報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)變壓器溫度高報(bào)警信號(hào)預(yù)警。同理超溫跳閘信號(hào)，同時(shí)判斷三路來源信號(hào)，即溫控儀超溫跳閘、溫控箱超溫跳閘、溫度量定值越限報(bào)警（溫度過高）觸發(fā)后，既實(shí)現(xiàn)變壓器溫度過高報(bào)警信號(hào)預(yù)警，也要將跳閘輸出送至繼電保護(hù)，由繼電保護(hù)出口，完成溫度過高動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器，保護(hù)變壓器不會(huì)因溫度過高而受損。

圖3 溫控系統(tǒng)優(yōu)化配置圖

3 結(jié)語

干式變壓器溫控系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，性能穩(wěn)定，功能全面，是其最基本也是最突出的特點(diǎn)。同時(shí)也要不斷優(yōu)化其擴(kuò)展功能，聯(lián)動(dòng)發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)成整套完善的控制邏輯，能同時(shí)對變壓器的三相繞組進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測量、監(jiān)視、告警、調(diào)節(jié)、跳閘保護(hù)等，為水電廠的安全生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。