新型变压器冷却监控系统设计

李民万，高启祥，陈耀明，王惇，柯常军

（1.福清核电有限公司，福建福清，350318；2.陕西金源自动化科技有限公司，陕西西安，710304）

0 引言

电力系统由发电、输电、变电、配电等环节组成，各个环节环环相扣，变压器的冷却作为其中重要一环，它能否安全可靠运行对电力系统正常工作有重要意义[1]。

目前，我国220kV 及以上的变压器多为强制油循环风冷却。冷却系统包括阵列的冷却装置和控制装置。在变压器投入使用后，冷却监控系统也开始工作，根据负载电流大小及温度的变化，将不同数量的冷却装置投入到工作中[2～3]。

现在普遍存在有变压器冷却监控系统电源监测继电器频繁故障问题，电源监视继电器又名相序继电器，是用于判断三相动力电源缺相、三相不平衡、反相功能的器件，判断正常时应投运的电源。若自身出现问题，则会导致电源的误判而退出，使得控制柜失电失控而造成风冷全停的事故发生。其次还存在断电继续工作及备用电源自动投入使用的需求[4]。

本文针对这类工程问题，设计了一种新型的变压器冷却监控系统。

1 系统功能及结构设计

■1.1 系统基本功能

变压器的冷却监控系统是以微控制器为主要控制部件，以触控屏为人机接口，以AC 触点为电源，以断路器和电机启动保护为保护元件。该系统可以通过控制手柄设定操作参数，根据变压器温度、运行时间和运行负载信号调整对应的冷却监控系统中的模块，将运行状况信息以接点方式发送至使用端。

该装置将数据储存在内部计算机中，显示在触控屏上，并设置自动报警、自动记录等功能，监控者可快速读取故障时间、故障内容，并能定时切换工作电源、冷却机运行方式。该系统具有控制自动化、状态信息化、显示和操作人性化等特点。

■1.2 系统基本结构

该冷却监控系统主要针对电站大型变压器设计，系统结构主要由放气塞、温度计座、继电器、潜油泵等组成，其外形尺寸如图1 所示，长1000mm， 高1800mm， 宽750mm。

图1 外形尺寸图

控制柜内安装有PLC 模块、模拟量扩展模块、通信扩展模块、触控屏、继电器、接线端子、开关电源、空气开关及避雷器、温度巡检仪、各种按钮、指示灯等器件，其实物如图2 所示。

图2 监控系统实物图

2 系统电气设计

■2.1 主电路设计

冷却监控系统接入两个独立电源，通过转换开关选定一个电源为工作电源，另一个电源为备用电源，如“Ⅰ工作、Ⅱ备用”，这时母线接通Ⅰ电源，母线不接通Ⅱ电源。当Ⅰ电源因某种原因电压消失或断相时，将Ⅰ电源与系统母线断开，经一定延时母线接通Ⅱ电源。

两个电源各自以串联方式接在冷却设备电源与对应冷却监控系统之间，两个保护器的辅助触点以并联方式连接并接入到自动开关中，如果任意一台电源发生故障，使得备用电源启动继续工作。四个冷却监控系统并联在电路中可实现单独工作。加热照明，空调等辅助用电器通过智能开关与冷却监控系统并联，使用单独的供电线路，主电路的电路图如图3 所示。

图3 主电路设计图

该装置共有4 组冷却监控系统，每组包含3 个风扇及1个潜油泵。冷却监控系统保护控制装置既可以可实现对变压器的冷却作用，又可以根据PLC 指令实现冷却监控系统组的投切状况的改变，防止在过载、缺相等情况下损坏变压器。

冷却监控系统的投切采用固态继电器代替交流接触器。和以往的交流接触器和断路器的开断功能相似，但暂态继电器内部无机械部件，结构上采用了灌注全密封方式，由固体器件完成触点功能，其能在高冲击，振动的环境下工作，固体继电器还有耐腐蚀、长寿命及高可靠等优点[5]。

冷却监控系统电源包含220V 电源与110V 电源保护组电源，其分配如图4 所示，配电盘向保护组提供220V 电源。它们被分配为空调电源、端子箱电源、电动机构及滤油器电源等如图4(a)所示。

图4 电源分配电路设计图

冷却监控系统电源分配如图4(b)、4(c)所示，控制组电源包括面板指示灯控制电源及信号回路控制电源。其中面板指示灯电源负责各类正常运行指示灯和故障指示灯用电，信号回路电源用于各传感器传递信号用电[6]。

■2.2 冷却监控系统电路设计

冷却监控系统分为四组冷却装置，其电气原理图如图5 所示，采用电气控制箱进行PLC 控制。对于冷却监控系统，在冷却装置前，通过触控屏启动电源，通过并联分配给Q1、Q2、Q3，电源指示灯亮，冷却装置开始工作。

图5 冷却监控系统电路设计图

冷却监控系统拥有自动、手动、备用模式来控制冷却监控系统的正常使用，当旋钮旋转135°时触点3、4 和5、6 接触冷却监控系统正常工作；当旋钮旋转-90°时1、2 和15、16 触点接触进行手动操作。

当旋钮旋转45°时3、4 和11、12 触点接触进行备用操作；当旋钮旋转至0°时停止。其余电机组与第一组电气接线相同。

■2.3 备用电源自投电路设计

备用电源自投指在具备两回线及以上的多回供电线路中，当一路电源由于故障引起跳闸后，另外一路电源即可投入使用。

主电源故障备用电源自投入，当主电源故障恢复后，只有按相应复位按钮才可投入主电源。

系统中两路电源虽然互为备用，但却可独立供电。既可手动设置，也可定时自动切换来完成供电电源的选择。对电路进行电气和PLC 双逻辑互锁设定，确保有且只有一路电源有效供电[6～7]。

为避免因断开线路引起的误操作，分别将两个继电器的常闭接口串联，并将闭锁接口串接在合闸回路和分闸回路上，使两组断路器不能同时合闸，避免当一条线路断开时，另一条线路反向输送，从而有效地保障了供电的可靠性。其电路设计如图6 所示。

图6 双电源备自投电路设计图

■2.4 延时启动电路设计

采用延时启动电路设计，当plc 控制器使直流电源失电后，继电器失磁触发延时模块，执行延时动作流程[8]。

经过规定延时后，依次启动各台冷却监控系统。其工作原理如图7 所示，断电延时的即按下停止按钮或电源断路后电机不立即停转而是等待一段时间后，它与基本控制电源区别是停止按钮自锁驱动KT2，原来停止按钮的位置用KT2 的常闭触点代替停止时接触器KM3 依然吸合，等过了延时时间KT2 线圈得电常闭触点断开则全部断电停止，保证plc 控制器或直流电源失效后仍使冷却监控系统正常工作，确保变压器安全服役。

图7 延迟启动电路设计图

3 结语

采用基于PLC 的变压器风冷控制系统，设计了新型电气控制系统，采用双电源备自投、延迟启动以及三相电路设计，使变压器冷却监控系统的可靠性、灵活性和运行状况的可监视性得到了加强。降低了变压器冷却系统的故障率。其便捷化、智能化的特点大大减少了监控人员工作量，实现了变压器冷却系统全部实时信息的自动采集和准确记录。

该冷却监控系统运行可靠、收集数据快速、数据传输精确，能够实时监控和记录数据。并进行简单问题的分析和诊断，自动进行预设流程。