基于经济运行的变压器冷却控制装置

刘国树 ，咸日常 ，，邢基厚 ，刘国争 ，冯业峰

（1.山东理工大学，山东 淄博 255091；2.淄博供电公司，山东 淄博 255000；3.山东电力检修公司，山东 济南 250021；4.西藏电力有限公司，西藏 拉萨 850000）

0 引言

随着变电站自动化系统应用的不断深入，传统继电式冷却控制模式已不能适应新的要求。从2007年开始，以PLC为核心的冷却控制系统逐步被采用并替代了传统的冷却控制系统，被广泛应用于220kV及以上变压器中。目前常用的冷却控制模式主要是将冷却器组分别设定为“工作”、“辅助”、“备用”3种运行方式，以保证变压器运行温度不越限。其他一些研究者提及的依据变压器负荷和温度变化率［1－2］或依据给定温升裕度［3］的冷却控制方法，虽防止了冷却装置在整定温度值附近频繁投切，保证了冷却器的使用寿命，但控制策略忽略了冷却的经济效益，没有考虑变压器整体运行的经济性，在控制策略上存在冷却装置投入过多或过少的问题，造成了不必要的能源浪费。

针对这一问题，研究的冷却控制装置可通过将投入或停止一组冷却器后线圈功率损耗的变化值与该组冷却器消耗的功率值进行经济技术比较后，智能控制冷却装置的线性投入或停止，保证运行变压器在任何负载和外部环境温度下综合损耗达到最低，实现精确控制和最佳安全经济运行，节约能源。

1 智能冷却控制系统的功能

检测功能。自动检测冷却器风扇、油泵电机以及变压器、冷却系统的运行信息和故障信息等，每隔30 min对变压器顶层油温进行采样，并对采样值进行数字滤波。

控制功能。手动／自动和远方／就地控制冷却器工作［4］。装置依据变压器顶层油温，在保证变压器运行温度不超限的前提下，采用将变压器绕组功耗与冷却装置功耗综合考虑的温度控制策略，实现变压器整体运行经济性［5－6］；能够定时轮换冷却器的运行模式，使冷却器运行状态重新分配，以提高冷却器风扇和油泵的整体使用寿命；可以为风扇和潜油泵的电动机提供过载、堵转、缺相保护；能够监视装置电源、冷却器组运行等；若冷却系统故障全停时，发出告警信号，允许变压器带负荷运行20 min，若20 min后顶层油温尚未达到75℃，则允许上升到75℃，但在这种状态下的最长时间不得超过1 h，超过上述限值时，发出变压器跳闸命令；另外还具有自动除湿、加热和通风等功能。

设定功能。控制面板采用触摸屏作为人机界面，可以通过密码进入参数设置，输入变压器容量、损耗参数、整定上层油温限值、油温和线圈温度补偿修定、冷却器全停跳闸延时时间、冷却器运行模式修改或自动变更时间、两路动力电源自动轮换时间、故障记录等信息。

显示功能。通过信号灯和触摸屏显示冷却系统的运行及故障信息。

远方监控功能。通过本装置和远方集控中心进行通信，可实现遥信、遥测和遥控。

通信功能。装置采用光缆与集控中心进行通信，发送主变风冷系统的全部状态信息，接收变压器油温数字信号和负载电流数字信号以及监控中心发出的数据、命令。

2 智能冷却控制系统的硬件设计与实现

2.1 冷却控制系统的硬件设计

变压器智能冷却系统由变压器冷却器、智能监控装置和远动装置组成［7］。智能监控装置有控制系统、电源配电系统和检测保护系统3部分［8-9］，结构框图如图1所示。

图1 变压器智能冷却系统的结构框图

控制系统。变压器冷却系统的控制系统是实现变压器智能冷却控制的核心，主要是由PLC可编程控制器、数字量输入、输出模块和模拟量输入、输出模块组成。主要功能是实现电压、电流实时在线采集、风扇电机保护及自动控制，同时完成就近告警和远程通信等功能。

电源配电系统。控制装置采用两路电源供电，一路主电源，一路备用电源。两电源之间通过软件或硬件的连锁装置监测电压、断相等以确保它们之间的工作顺序。

检测保护系统。保护部分主要是由电流互感器和控制电路板及输出接触器组成，主要完成对每台油泵电机和风扇电机的缺相、过流和短路的检测及保护。

其他辅助功能。箱内凝露检测除湿功能、手动／自动控制方式以及主备工作电源切换、箱内照明等基本功能。

2.2 冷却监控系统的硬件实现

冷却装置的可编程控制器采用淄博科汇电气有限公司生产的PZK－100型的PLC可编程逻辑控制器，可以同时控制采集多个电流信号、温度信号、冷却器状态信号、冷却器电源、油泵状态信号和变压器保护继电器信号。冷却监控装置的电路原理如图2所示。

图2 冷却控制装置的电路原理图

变压器温度信号和电流信号经温度检测器U2和电流检测器U3转换为数字信号后，通过串行通信接口接入可编程控制器U1。可编程控制器U1经过智能判断，通过启动继电器J1输出控制信号，经电机启动接触器J2控制变压器冷却器电机M1的启动和停止。

冷却器状态检测器包括电机启动接触器J2、热继电器J3、电机回路的电流检测器U3和电压检测器U4，电机启动接触器J2的一个触点J2－1连接可编程控制器U1的输入端，另一个触点J2－2设置在冷却器电机M1的主电源线路上，热继电器触点J3－1连接可编程控制器U1的输入端，热继电器J3设置在冷却器电机M1的自身电源回路上。

冷却器状态监测器设置在各组冷却器上，温度检测器U2设置在变压器油箱顶层，电流检测器U3、电压监测器U4设置在电力变压器各侧的电流／电压互感器二次线圈上，热继电器设置在冷却器电机M1附近，油流继电器设置在冷却器油管上。

3 冷却控制系统的软件设计

系统程序设计采用模块化结构［10］，逻辑功能清晰，易于编程与查错。主要包括自诊断、数据采集、综合投切判断、“凝露”检测、自适应保护等。

自适应保护原理引用文献［11］的控制方法，使冷却器组保护、电源缺相保护和出口时间保护的整定值，随冷却器组运行情况和故障类型的实际情况而改变，这里不再做具体陈述，重点描述冷却控制装置控制模式的具体实现。

软件的主程序流程如图3所示。

图3 冷却控制装置的主程序流程图

系统启动后，首先进行自检，自检错误给出故障信号，自检正常后采集变压器温度、各侧负载情况、各散热器的工作状态等信号。

根据采集到的信号，当变压器温度大于55℃并小于75℃时投入全部冷却器；当温度高于75℃时，可以根据需求按整定的温度和时间定值发变压器跳闸命令或告警信号；当温度小于55℃时，将当前温度置为初始温度t0，并循环采集数据。

由于变压器负载或环境温度变化使得变压器顶层油温变化，当实际温度偏差值小于系统整定偏差值时，保持当前冷却投入；当变压器温度变化到t1，且温差t1-t0>tz（可整定）时，根据主变温度变化情况投入或退出某组冷却器，延时60 min后，根据达到的温度t2，依据绕组温度公式

和变压器运行功率损耗公式实时计算运行或停止一组冷却器后，变压器温度由t1变化到t2引起的线圈功率损耗的变化值ΔP。

其中ΔP为功率变化，t1为运行或停止一组冷却器前的油温，t2为运行或停止一组冷却器后的油温，R1为运行或停止一组冷却器前的变压器线圈阻值，R2为运行或停止一组冷却器后的变压器线圈阻值。

若ΔP大于单组散热器的消耗功率P0，则再投入或退出一组散热器，延时60 min后，重复计算变压器变化的功率损耗，直到ΔP小于单组散热器的消耗功率P0为止，并将当前温度归位t0，完成整个控制过程。

至于启停哪几组冷却器则取决于每组冷却器目前累积运行时间的统计和排序，在排序中当机组连续运行一定时间后发出一重新排序的切换命令，使机组轮流工作，均衡使用。

4 结语

从装置在某变电站进行的实验结果可知，文中设计的变压器冷却控制系统运行可靠、控制准确，达到了预期的效果，对变压器安全、可靠、经济运行有重要意义和实用价值。随着现在国家提倡的“节能减排”议案的推广，采用PLC和变压器综合损耗温度控制策略的新型智能变压器冷却控制柜会得到广泛应用。

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