電子變壓器冷卻調控系統設計

德州職業技術學院 劉瑞龍

性能良好且功能更加健全的電子變壓器可以為現代電力系統運行提供良好的保障。電子變壓器運行時，會釋放出一定熱量，當熱量高于一定限值時，則會影響電子變壓器的正常運行，進而對整個電力系統的運行造成干擾。所以，需要針對電子變壓器的運行需求，設計出相配套的冷卻調控系統，用于電子變壓器內部溫度的調控。基于此目的，本文通過對電子變壓器冷卻調控系統的概述，進而對電子變壓器冷卻調控系統進行了優化設計；之后以此為基礎，通過仿真實驗的方式，對該調控系統予以驗證，為電子變壓器更好地運行提供技術支持。

電子變壓器是現代電力系統中非常重要的一部分，其性能、功能的好壞，直接關系到整個電力系統的運行情況。在此背景下，為了保證電子變壓器及整個電力系統能夠穩定運行，電力部門開始對電子變壓器控制系統進行升級改造，其中包括冷卻調控系統，以根據變壓器運行情況，對其進行合理有效控制，使其處于最佳狀態。對現有電子變壓器冷卻調控系統來說，其中依然存在一些缺陷，受到這些缺陷的影響，可能使電子變壓器內部溫度無法處于最佳狀態，影響電子變壓器的運行。所以，需要設計出一款性能更加良好，功能更加健全的冷卻調控系統，以加強對電子變壓器內部溫度的調節效果。

1 電子變壓器冷卻調控系統概述

1.1 主要類型

電子變壓器由諸多模塊構成，冷卻調控系統是其中較為重要的部分，針對其結構特點，可將其劃分成兩個部分，一是內部冷卻模塊。當電子變壓器運行時，繞組、鐵芯會產生一定熱量，在內部冷卻模塊的作用下，可將這些熱量導入至周圍介質內，從而達到調溫的作用；二是外部冷卻模塊。其用于將介質內的熱量傳輸到設備外，使整個設備溫度處于最佳狀態。在設計電子變壓器時，針對容量大小、介質類型及循環原理等方面的差異，可選擇不同的冷卻方式，具體來說，主要包括以下幾種。

（1）油浸自冷式系統

該類型冷卻調控系統的代號為ONAN，在整個系統內部未安裝特殊的冷卻裝置，鐵芯與繞組產生釋放出的熱量會通過油液的自動循環，逐漸將熱量傳輸給散熱箱，從而達到冷卻的目的。根據變壓器容量的不同，又能夠將其劃分成三種類型，一是平滑箱壁型，通常應用在容量低的變壓器內，對于箱體的外殼來說，利用鋼板制，外壁非常的平滑，可較快地將內部熱量向外界傳輸。二是散熱筋箱壁型，是在第一種設備類型基礎上而開發出來的一種冷卻設備，即在箱壁的外部固定適當的散熱筋，通過增加箱體與空氣的接觸面積，從而提升設備的散熱效果，一般應用在容量較大的變壓器中。三是散熱管型，應用在大容量的變壓器內，在油箱的外部固定適當數量的散熱器，以擴大油箱的冷卻表面。對于散熱器來說，是通過上下聯箱組合而成的散熱管，利用法蘭的方式將其固定到油箱上，因而可根據實際需求隨意拆卸。

（2）油浸分冷式系統

該系統代號為ONAF，又叫做有自然循環式冷卻系統。在變壓器油箱的散熱器旁固定適當數量的風扇，在風扇的作用下，對空氣進行對流調節，使其成為強制對流，進而提升散熱器的散熱能力。相對于自冷式系統來說，該類型系統的冷卻能力更強，是前者的2倍左右，可使變壓器輸出能力增加30%。在負載較小的情況下，可自動將風扇關閉，使該系統變成自冷式系統以減少能源的消耗；而當負載超過限值后（如70%額定負載時），則會自動將風扇啟動，使風扇進入到內部溫度調控工作當中。其常用于10000kVA以上的中容量變壓器內。

（3）強迫油循環風冷式系統

強迫油循環風冷式系統通常應用在大容量變壓器內。該類型冷卻系統的代號為OFAF，是在油浸風冷式系統的基礎上，在油箱主殼體與帶風扇散熱器（冷卻器）的連接管道上固定潛油泵。在油泵運行過程中，會對油箱提供一定的向上抽力使得油液由上端流出，并進入到散熱器內，之后通過變壓器的下端，再次導入至油箱中，完成一個強迫油循環。通過該裝置為變壓器降溫時，油循環速度的設置情況，直接影響到冷卻效果，速度越快，冷卻效果越好。

（4）強迫油循環水冷式系統

該類型系統的代碼為OFWF，包括潛油泵、冷油泵等元件。在運行過程中，在油泵的作用下將油液從變壓器的上端吸出，并將壓力適當增大后，迫使其進入到冷油器，通過其中冷卻水吸收油液中的熱量，使得油液的溫度大幅度下降。在該系統內，鐵芯與繞組釋放出熱量后，先傳輸至油液內，之后被冷卻水吸收，因而具有非常良好的冷卻效果。但需要注意的是，對于該冷卻系統來說，對變壓器的密封性具有較高的要求，且在冷卻時，油壓應大于水壓。

1.2 傳統冷卻調控系統存在的缺陷

隨著社會生產的不斷加強，使得電力系統規模不斷擴大，逐漸提升了電力設備的輸出能力，帶給變壓器更大的運行負擔。所以，為了確保電子變壓器能夠穩定運行，需要精確對其內部溫度進行調節。在低負荷工況下，若局部溫度快速上升，可產生電流對抗性放電的現象，導致變壓器內部出現損傷，從而降低變壓器的應用時間。與此同時，在常規電子變壓器冷卻調控系統內，通常由諸多元件構成，如散熱器、空氣開關等，結構較為復雜，也會對整個調控系統造成一定干擾。具體來說，主要體現在下述幾個方面：（1）由于元件數量增多，需要利用大量線路將這些元件連接到一起，這些線路與元件運行時，也會產生一定的熱量，從而干擾系統對變壓器溫度信息的采集分析結果；（2）常規調控系統內，采用了被動式感知反饋邏輯，智能化水平不高，精確度較低；（3）在對溫度進行調節時，采用了機械式定制邏輯降溫法，難以將溫度控制在最精確的條件下；（4）元件較多，需要內部空間較大的箱體來進行固定，使得系統的占地面積大，造成土地資源的浪費。所以，開發出一款更加良好的電子變壓器冷卻調控系統具有重要意義。

2 電子變壓器冷卻調控系統的設計

2.1 總體設計

由上述介紹可知，常規電子變壓器冷卻調控系統在運行時，很容易出現各種問題，在一定程度上影響電子變壓器的穩定性。所以，本次研究當中，以解決上述分析的缺陷、問題為目的，提出了一種全新的融合方法，即硬件+算法的方式，以期從根本上解決這些問題與缺陷。對于常規電子變壓器冷卻調控系統來說，最主要的問題為元件較多，內部結構非常復雜，針對這一問題，需要對常規系統的結構進行優化。在系統內部安裝包含嵌入式單片機的PLC控制芯片作為系統的控制模塊，與此同時，設計出相應的控制點骨架，以對各路傳感器、繼電器進行控制。針對繁雜的線路，通過集成處理使線路更加簡化，并密封到同一絕緣體內，從而減少線路運行時所釋放出來的熱量，提升整個系統檢測、調控的精確性。此外，該系統調控的效果不僅受到硬件的影響，而且還與軟件算法邏輯有關，因而在確定好硬件結構后，還應選擇最佳算法邏輯。在本次研究中采用了電子變量算法，在該算法的作用下，能夠使電子變壓器反饋數據通過變量邏輯陣列計算，直觀展示出各數據間的關聯性，以得到更加精準的調控效果。具體來說，該冷卻調控系統如結構圖1所示。

圖1 電子變壓器冷卻調控系統結構圖

2.2 PLC智能調控模塊設計

本次設計的電子變壓器冷卻調控系統內，PLC芯片是核心元件，其主要是完成數據的分析和指令的發布工作，這一元件選擇得好壞，直接關系到整個系統的應用效果。為了保證調控系統的性能，本文選擇了型號為STM8S003F3P6的智能PLC芯片，并以此為基礎，通過對其他元件集成處理后，共同固定到電路板上。其中，在輸入端，一個端口與高精度傳感器相連，用于獲取電子變壓器的模擬量數據；另一個端口與溫度感應器相連，用于電子變壓器內部溫度信息的采集。在輸出端，一個端口與16組中間電子繼電器相連，型號為JQC-3FF-S-H，用于對整個集成電路的控制；另一個端口與3組多路電子相連，用于調控冷卻系統的關閉與啟動。

在硬件設計時，選取型號為RS485的通信接口，當做系統的傳輸元件，以保證數據傳輸效率，提升控制效果精確性。在PLC智能調控模塊方面，應符合多模組合平臺對接的特點，能夠針對電子變壓器的運行情況隨意調節硬件模塊的具體數目，在保證冷卻調控效果的同時，減少能源的使用，以便降低成本。常規調控系統運行時，信號傳輸通常存在一定的滯后性，針對這一問題，主要選擇了高精度傳感器，其可感應到非常微弱的信號，從而為電子變壓器具體情況的分析提供數據支持。

2.3 電子變量算法設計

在硬件模塊所設計中，采用了較多性能先進的數據采集、分析與控制元件，可提升數據采集的精確性，優化了常規調控系統存在的滯后性問題。但對數據進行分析時，也可能產生較大的誤差，影響PLC芯片發布出最佳的控制指令，從而降低冷卻調控的精確性。對于這一問題來說，最根本的原因就是缺少科學的算法邏輯。所以，在設計出硬件平臺后，還應選擇最佳的算法邏輯。在本次研究當中，采用了電子變量算法，通過對采集數據信息的分析與處理，推導出精準動態峰值，從而產生更加精確的控制指令。

3 仿真實驗分析

為了驗證本次設計出來的電子變壓器冷卻調控系統性能是否達到要求，展開了相應的仿真實驗分析。通過實驗分析后，可以得到如表1所示結果。通過該表的觀察可以發現，相對于常規系統來說，本系統的各項性能均更優一些，表明該系統可應用到實際當中。

表1 仿真實驗分析結果表

總結：綜上所述，本文主要利用PLC芯片為核心，設計出有一款性能更加健全、功能更加良好的電子變壓器冷卻調控系統。該系統結構較為精簡，自身運行對檢測結果的干擾并不是很大，且各項檢測結果均優于常規調控系統，可將其應用到實際當中。