新型變壓器冷卻監控系統設計

李民萬，高啟祥，陳耀明，王惇，柯常軍

（1.福清核電有限公司，福建福清，350318；2.陜西金源自動化科技有限公司，陜西西安，710304）

0 引言

電力系統由發電、輸電、變電、配電等環節組成，各個環節環環相扣，變壓器的冷卻作為其中重要一環，它能否安全可靠運行對電力系統正常工作有重要意義[1]。

目前，我國220kV 及以上的變壓器多為強制油循環風冷卻。冷卻系統包括陣列的冷卻裝置和控制裝置。在變壓器投入使用后，冷卻監控系統也開始工作，根據負載電流大小及溫度的變化，將不同數量的冷卻裝置投入到工作中[2～3]。

現在普遍存在有變壓器冷卻監控系統電源監測繼電器頻繁故障問題，電源監視繼電器又名相序繼電器，是用于判斷三相動力電源缺相、三相不平衡、反相功能的器件，判斷正常時應投運的電源。若自身出現問題，則會導致電源的誤判而退出，使得控制柜失電失控而造成風冷全停的事故發生。其次還存在斷電繼續工作及備用電源自動投入使用的需求[4]。

本文針對這類工程問題，設計了一種新型的變壓器冷卻監控系統。

1 系統功能及結構設計

■1.1 系統基本功能

變壓器的冷卻監控系統是以微控制器為主要控制部件，以觸控屏為人機接口，以AC 觸點為電源，以斷路器和電機啟動保護為保護元件。該系統可以通過控制手柄設定操作參數，根據變壓器溫度、運行時間和運行負載信號調整對應的冷卻監控系統中的模塊，將運行狀況信息以接點方式發送至使用端。

該裝置將數據儲存在內部計算機中，顯示在觸控屏上，并設置自動報警、自動記錄等功能，監控者可快速讀取故障時間、故障內容，并能定時切換工作電源、冷卻機運行方式。該系統具有控制自動化、狀態信息化、顯示和操作人性化等特點。

■1.2 系統基本結構

該冷卻監控系統主要針對電站大型變壓器設計，系統結構主要由放氣塞、溫度計座、繼電器、潛油泵等組成，其外形尺寸如圖1 所示，長1000mm， 高1800mm， 寬750mm。

圖1 外形尺寸圖

控制柜內安裝有PLC 模塊、模擬量擴展模塊、通信擴展模塊、觸控屏、繼電器、接線端子、開關電源、空氣開關及避雷器、溫度巡檢儀、各種按鈕、指示燈等器件，其實物如圖2 所示。

圖2 監控系統實物圖

2 系統電氣設計

■2.1 主電路設計

冷卻監控系統接入兩個獨立電源，通過轉換開關選定一個電源為工作電源，另一個電源為備用電源，如“Ⅰ工作、Ⅱ備用”，這時母線接通Ⅰ電源，母線不接通Ⅱ電源。當Ⅰ電源因某種原因電壓消失或斷相時，將Ⅰ電源與系統母線斷開，經一定延時母線接通Ⅱ電源。

兩個電源各自以串聯方式接在冷卻設備電源與對應冷卻監控系統之間，兩個保護器的輔助觸點以并聯方式連接并接入到自動開關中，如果任意一臺電源發生故障，使得備用電源啟動繼續工作。四個冷卻監控系統并聯在電路中可實現單獨工作。加熱照明，空調等輔助用電器通過智能開關與冷卻監控系統并聯，使用單獨的供電線路，主電路的電路圖如圖3 所示。

圖3 主電路設計圖

該裝置共有4 組冷卻監控系統，每組包含3 個風扇及1個潛油泵。冷卻監控系統保護控制裝置既可以可實現對變壓器的冷卻作用，又可以根據PLC 指令實現冷卻監控系統組的投切狀況的改變，防止在過載、缺相等情況下損壞變壓器。

冷卻監控系統的投切采用固態繼電器代替交流接觸器。和以往的交流接觸器和斷路器的開斷功能相似，但暫態繼電器內部無機械部件，結構上采用了灌注全密封方式，由固體器件完成觸點功能，其能在高沖擊，振動的環境下工作，固體繼電器還有耐腐蝕、長壽命及高可靠等優點[5]。

冷卻監控系統電源包含220V 電源與110V 電源保護組電源，其分配如圖4 所示，配電盤向保護組提供220V 電源。它們被分配為空調電源、端子箱電源、電動機構及濾油器電源等如圖4(a)所示。

圖4 電源分配電路設計圖

冷卻監控系統電源分配如圖4(b)、4(c)所示，控制組電源包括面板指示燈控制電源及信號回路控制電源。其中面板指示燈電源負責各類正常運行指示燈和故障指示燈用電，信號回路電源用于各傳感器傳遞信號用電[6]。

■2.2 冷卻監控系統電路設計

冷卻監控系統分為四組冷卻裝置，其電氣原理圖如圖5 所示，采用電氣控制箱進行PLC 控制。對于冷卻監控系統，在冷卻裝置前，通過觸控屏啟動電源，通過并聯分配給Q1、Q2、Q3，電源指示燈亮，冷卻裝置開始工作。

圖5 冷卻監控系統電路設計圖

冷卻監控系統擁有自動、手動、備用模式來控制冷卻監控系統的正常使用，當旋鈕旋轉135°時觸點3、4 和5、6 接觸冷卻監控系統正常工作；當旋鈕旋轉-90°時1、2 和15、16 觸點接觸進行手動操作。

當旋鈕旋轉45°時3、4 和11、12 觸點接觸進行備用操作；當旋鈕旋轉至0°時停止。其余電機組與第一組電氣接線相同。

■2.3 備用電源自投電路設計

備用電源自投指在具備兩回線及以上的多回供電線路中，當一路電源由于故障引起跳閘后，另外一路電源即可投入使用。

主電源故障備用電源自投入，當主電源故障恢復后，只有按相應復位按鈕才可投入主電源。

系統中兩路電源雖然互為備用，但卻可獨立供電。既可手動設置，也可定時自動切換來完成供電電源的選擇。對電路進行電氣和PLC 雙邏輯互鎖設定，確保有且只有一路電源有效供電[6～7]。

為避免因斷開線路引起的誤操作，分別將兩個繼電器的常閉接口串聯，并將閉鎖接口串接在合閘回路和分閘回路上，使兩組斷路器不能同時合閘，避免當一條線路斷開時，另一條線路反向輸送，從而有效地保障了供電的可靠性。其電路設計如圖6 所示。

圖6 雙電源備自投電路設計圖

■2.4 延時啟動電路設計

采用延時啟動電路設計，當plc 控制器使直流電源失電后，繼電器失磁觸發延時模塊，執行延時動作流程[8]。

經過規定延時后，依次啟動各臺冷卻監控系統。其工作原理如圖7 所示，斷電延時的即按下停止按鈕或電源斷路后電機不立即停轉而是等待一段時間后，它與基本控制電源區別是停止按鈕自鎖驅動KT2，原來停止按鈕的位置用KT2 的常閉觸點代替停止時接觸器KM3 依然吸合，等過了延時時間KT2 線圈得電常閉觸點斷開則全部斷電停止，保證plc 控制器或直流電源失效后仍使冷卻監控系統正常工作，確保變壓器安全服役。

圖7 延遲啟動電路設計圖

3 結語

采用基于PLC 的變壓器風冷控制系統，設計了新型電氣控制系統，采用雙電源備自投、延遲啟動以及三相電路設計，使變壓器冷卻監控系統的可靠性、靈活性和運行狀況的可監視性得到了加強。降低了變壓器冷卻系統的故障率。其便捷化、智能化的特點大大減少了監控人員工作量，實現了變壓器冷卻系統全部實時信息的自動采集和準確記錄。

該冷卻監控系統運行可靠、收集數據快速、數據傳輸精確，能夠實時監控和記錄數據。并進行簡單問題的分析和診斷，自動進行預設流程。