緒論1.1本文的研究背景和意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的腳步穩(wěn)健加快，人們對(duì)電力能源的實(shí)際需求日益增長(zhǎng)，電能作為一種優(yōu)質(zhì)清潔的可再生能源便利又高效地應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ钪胁⑼苿?dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，歷來(lái)都受到國(guó)家和從業(yè)人員的高度重視，為積極響應(yīng)國(guó)家綠色、高效、節(jié)能等發(fā)展戰(zhàn)略布局建設(shè)高質(zhì)量電力系統(tǒng)提升電網(wǎng)供電質(zhì)量，國(guó)網(wǎng)公司以及相關(guān)設(shè)備廠商也在加大對(duì)相關(guān)電氣設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā)和投入，同時(shí)配電變壓器在線監(jiān)測(cè)與故障診斷也得到了進(jìn)一步鞏固加強(qiáng)[1-2]。如今國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)逐漸形成聯(lián)網(wǎng)，但在很多方面依然存在安全隱患尤其是局部電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這種不利影響可能會(huì)迅速擴(kuò)大停電范圍甚至引起全網(wǎng)癱瘓危及人身安全[3]。由此能夠看出電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，要保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行就需要電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備具有較高的可靠性，在建設(shè)電網(wǎng)的過(guò)程中通過(guò)干預(yù)電氣設(shè)備避免或減少電力系統(tǒng)的故障率[4]。變壓器作為助力電能高效傳輸?shù)闹匾O(shè)備，主要功能是完成不同電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換和傳遞，這關(guān)乎電力系統(tǒng)運(yùn)行效率及可靠性能、安全性，能提供安全和穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)化運(yùn)行環(huán)境[5]。由于其在電能供給中起關(guān)鍵性的作用，如果經(jīng)常發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致供電中斷甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重事故，變壓器完成電能轉(zhuǎn)換的過(guò)程中存在發(fā)熱損耗，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部溫度升高從而降低其負(fù)荷承受能力同時(shí)加快其內(nèi)部絕緣老化，要?jiǎng)?chuàng)造電網(wǎng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)自控模式為電網(wǎng)提供一個(gè)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，因此必須要足夠重視變壓器常見(jiàn)問(wèn)題提出合適解決方案[6-7]。對(duì)于早期使用的冷卻散熱系統(tǒng)，其風(fēng)冷設(shè)備的控制方式和保護(hù)回路由繼電器、接觸器等組成，造成冷卻控制系統(tǒng)散熱裝置故障率較高、不利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和長(zhǎng)期發(fā)展[8]。對(duì)于小容量的變壓器不需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，熱油的熱量經(jīng)過(guò)郵箱壁和散熱器時(shí)會(huì)形成對(duì)流得以散熱保證變壓器的安全運(yùn)行，隨著變壓器容量增大內(nèi)部損耗會(huì)使絕緣油處于持續(xù)的發(fā)熱狀態(tài)，需要增加冷卻裝置或特殊散熱方式來(lái)調(diào)溫將熱量散發(fā)出去[9]。本文對(duì)某500kV電站主變壓器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出一款基于變頻和PLC（ProgrammableLogicController）可編程邏輯控制技術(shù)。#1主變投運(yùn)至今已十余載，期間電機(jī)軸承及繞組頻繁故障致使大規(guī)模停電事故經(jīng)事故調(diào)查：其冷卻控制系統(tǒng)在不間斷運(yùn)行，主變壓器為傳統(tǒng)繼電器控制模式(工作-油面溫度計(jì)-備用模式)。多臺(tái)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)啟停，影響自動(dòng)輪換運(yùn)行致使風(fēng)機(jī)起步電流高（工作電流5-7倍）工頻負(fù)荷下投切易引起風(fēng)扇電機(jī)繞組絕緣老化。PLC和變頻控制技術(shù)使用方便在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排降低能源消耗，把獲取的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)用于控制系統(tǒng)降低故障，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電氣自動(dòng)化設(shè)備正逐步代替繼電控制方式[10]。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從建設(shè)運(yùn)行以來(lái)的非自冷式大型變壓器制冷設(shè)備較多使用繼電器邏輯控制，電器元件依賴機(jī)械觸點(diǎn)使驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)，其主要電路包含空氣開(kāi)關(guān)、接觸器和熱繼電器組成。風(fēng)機(jī)的設(shè)備以熱繼電器和熔斷器為主，在發(fā)生過(guò)載、短路、缺相等情況下啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作[8]。采用傳統(tǒng)式溫度計(jì)來(lái)檢測(cè)變壓器內(nèi)部油溫，如果溫度達(dá)成到設(shè)定的上限和下限值那就會(huì)和熱繼電器構(gòu)成一種邏輯控制，但這種類型溫度計(jì)的測(cè)量精度并不高，而且還不能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[9]。1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀由于歷史發(fā)展原因工業(yè)革命率先在歐美等國(guó)家開(kāi)始積累了很多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，國(guó)外對(duì)于變壓器冷卻裝置研究較為廣泛，主要是使用單片機(jī)、PLC等元件按照起周期工作原理輪換啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，同時(shí)考慮到變壓器的容量大小應(yīng)有對(duì)應(yīng)的冷卻方法來(lái)提升散熱效果（容量大于50MVA時(shí)就應(yīng)使用強(qiáng)油循環(huán)）。早期國(guó)外關(guān)注點(diǎn)放在無(wú)人值守設(shè)備的監(jiān)控方面，2010年美國(guó)對(duì)開(kāi)關(guān)速度、繼電器防觸電燒毀進(jìn)行研究并實(shí)際應(yīng)用，美國(guó)學(xué)者提出了電氣設(shè)備使用壽命和工作狀態(tài)之間的研究，日本開(kāi)始研究電氣設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)[8]。國(guó)外比較先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)主要是通過(guò)多種傳感器采集信號(hào)組成數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)估變壓器的負(fù)荷情況形成特定方案控制冷卻風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，多傳感器系統(tǒng)的簡(jiǎn)歷所需大量的信息收集及復(fù)雜的算力，目前這種方案還正在探索中[8-10]。國(guó)外德國(guó)西門子、瑞士ABB、三菱等知名設(shè)備廠家也都在探索高端電氣自動(dòng)化設(shè)備，以適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)景的電力變壓器。安全、節(jié)能、可靠等要求作為冷卻控制設(shè)備的技術(shù)發(fā)展方向[11-13]。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外冷卻控制水平基本一致，在中國(guó)較早采取的變壓器油溫控制系統(tǒng)中，較多多使用了一種簡(jiǎn)易的觸點(diǎn)繼電器，主變壓器冷卻裝置的狀態(tài)和組數(shù)量是由邏輯控制來(lái)實(shí)施來(lái)控制的。接觸器容量的頻繁動(dòng)作和邏輯線路復(fù)雜使得系統(tǒng)有較高的故障率，未配置變頻器導(dǎo)致控制精度較低，風(fēng)機(jī)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行不僅耗能還會(huì)降低風(fēng)機(jī)的使用壽命[14]。針對(duì)傳統(tǒng)的繼電式冷卻控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)國(guó)內(nèi)專家提出了相關(guān)改善措施：通過(guò)雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)增加系統(tǒng)的可靠性、利用油溫變化率預(yù)測(cè)負(fù)荷增長(zhǎng)。吉林大學(xué)、特變電工變壓器有限公司、西安西電變壓器有限公司等國(guó)內(nèi)有關(guān)生產(chǎn)廠家，都在加大對(duì)變壓器散熱設(shè)備、維修和新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。不管是繼電器控制還是PLC，都在不斷提升系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等方面的研究和創(chuàng)新，而智能控制冷卻器的啟動(dòng)/停止運(yùn)行也是智能化變電站技術(shù)的發(fā)展方向[14-15]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)繼電器等無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件被用于彌補(bǔ)機(jī)械觸點(diǎn)高故障率的不足，使用可編程邏輯PLC（ProgrammableLogicController）、單片機(jī)等電子元器件為核心的變壓器散熱控制系統(tǒng)，已被證實(shí)可以有效地防止因電擊因電擊燒毀而導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)停機(jī)，減少維修費(fèi)用、提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[15]。圖1.1冷卻系統(tǒng)繼電式控制柜由上圖1.1所示相較于傳統(tǒng)繼電式控制方式在使用過(guò)程中存在較多缺陷：1.冷卻控制系統(tǒng)所用電器元件比較多，邏輯電路比較復(fù)雜：主電氣回路、控制回路、信號(hào)保護(hù)回路等，且機(jī)械觸點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)工作易燒毀、維修困難。2.自動(dòng)化程度低，風(fēng)冷控制機(jī)箱大都是單一的電子元件組成無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，發(fā)生異常時(shí)不能及時(shí)可靠地切斷故障，需要人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢增加維修工作量。3.變壓器內(nèi)部油溫、風(fēng)冷機(jī)箱使用脹管式電接點(diǎn)油溫表依據(jù)信號(hào)溫度計(jì)控制測(cè)量，因此存在精度差異不可避免造成采集的數(shù)據(jù)誤差。也無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信傳輸。4.可靠性不高，主要是斷路器實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷機(jī)箱的短路、過(guò)載保護(hù)，一旦斷路器故障對(duì)降溫系統(tǒng)就會(huì)存在較大安全隱患風(fēng)險(xiǎn)。可編程控制器（PLC）作為一種小型的工業(yè)計(jì)算機(jī)，也可以在冷卻系統(tǒng)控制的領(lǐng)域相關(guān)陳果，它代替了傳統(tǒng)的繼電器工作并允許維護(hù)技術(shù)人員改變機(jī)器的工作方式而無(wú)需任何布線，能夠輕易地排除故障從而減少停機(jī)時(shí)間可以按需求實(shí)現(xiàn)智能化控制。1.3本文的結(jié)構(gòu)框架本文使用模塊采集變壓器油、繞組、環(huán)境溫度等進(jìn)行采集，提出一套對(duì)于500kV變壓器制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化制定冷卻系統(tǒng)的控制方案以合適的運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，主要研究?jī)?nèi)容如下：第一章：簡(jiǎn)述本設(shè)計(jì)研究背景和意義，匯總歸納現(xiàn)階段冷卻控制系統(tǒng)研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)包括本文的研究?jī)?nèi)容；第二章：介紹變壓器冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與散熱原理，對(duì)變壓器散熱形式及溫升計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)，分析熱損失、散熱計(jì)算為后續(xù)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)改造提供理論支持；第三章：依據(jù)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)主控電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，權(quán)衡變壓器頂部油溫?cái)?shù)值與模擬開(kāi)關(guān)量（油溫、繞組、過(guò)負(fù)荷）等信號(hào)，獲得冷卻器工作的組數(shù)和頻率，在雙模控制系統(tǒng)的電氣回路增設(shè)與之匹配的變頻器，使用西門子型號(hào)的采集模塊通過(guò)可編程邏輯PLC（ProgrammableLogicController）控制主電氣回路從而調(diào)整頻率達(dá)到變頻控制;（處理全停故障）第四章：為制冷控制系統(tǒng)展開(kāi)軟件設(shè)計(jì)，將設(shè)置PLC和變頻器的工作方式設(shè)定為自動(dòng)、工作頻率設(shè)為手動(dòng)模式。當(dāng)電力供應(yīng)或制冷設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，從自動(dòng)工作方式轉(zhuǎn)換到手動(dòng)模式，分別設(shè)計(jì)正常和異常兩種典型的系統(tǒng)自動(dòng)工作方式運(yùn)行程序，并將電能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出新系統(tǒng)具有更高的節(jié)能效率，在不同的工資條條件下的噪音監(jiān)控，證實(shí)了該系統(tǒng)的降噪性能更好；第五章：總結(jié);

2變壓器冷卻系統(tǒng)2.1冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)：潛油泵（一種特制的電動(dòng)機(jī)離心泵）、風(fēng)機(jī)（由三相異步電機(jī)和風(fēng)扇葉輪組成）、冷卻器本體（由集油室和冷卻管組成）、油流繼電器（監(jiān)視閥門油流的運(yùn)行狀態(tài)）。如下圖2.1所示：圖2.1某500kV變電站主變冷卻系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖變壓器冷卻系統(tǒng)主要任務(wù)是保障變壓器處于安全溫度運(yùn)行，小容量變壓器可以將內(nèi)部熱量自行散發(fā)出去，對(duì)于大容量變壓器相應(yīng)地內(nèi)部的損耗也大，但與外界接觸面沒(méi)有增大因此需要冷卻系統(tǒng)的輔助才能實(shí)現(xiàn)散熱，強(qiáng)迫油循環(huán)稱為冷卻器其余的為散熱器，冷卻系統(tǒng)為了便于使用通常為可拆卸式[19]2.2冷卻系統(tǒng)的冷卻方式及工作原理不同冷卻方式對(duì)應(yīng)的變壓器容量也不同，目的是為了能最大效率地解決變壓器的散熱，相應(yīng)地冷卻器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜其維護(hù)成本也比較高。變壓器根據(jù)冷卻類型根據(jù)容量大小的不同可分為：自然油循環(huán)自冷散熱、油循環(huán)風(fēng)冷散熱、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷散熱及強(qiáng)迫油循環(huán)水冷散熱，強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷散熱和自然油循環(huán)風(fēng)冷散熱是變壓器主變常用的冷卻方式，小容量的變壓器主要使用自然油循環(huán)自冷散熱，強(qiáng)迫油循環(huán)水冷散熱用在早期投入的少數(shù)特殊的電力變壓器上[5]。由下表1-1所示：表1-1變壓器冷卻系統(tǒng)類型冷卻方式油浸式自冷/風(fēng)冷（ONAN）/(ONAF)強(qiáng)迫油導(dǎo)向風(fēng)冷水冷(OFAF)/(OFWF)強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷/水冷(ODAF)/(ODWF)設(shè)計(jì)原則50WVA及以下110kV變壓器/12.5MVW~40MWA及以下220KV變壓器50WVA~90WVA220kV變壓器/水力發(fā)電廠升壓變壓器220kV及以上75WVA~120WVA及以上110kV變壓器500kV級(jí)變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)熱油經(jīng)過(guò)冷卻器在潛油泵的做功下從變壓器最底部送到了變壓器內(nèi)部，冷卻的油到了鐵心和繞組處時(shí)油溫升高，在潛油泵的作用下熱油被推送到變壓器頂端然后再次回到冷卻器中，通過(guò)冷卻器的散熱，油溫降低變成冷卻油，在潛油泵作用下回到變壓器內(nèi)，這樣的操作方式保證了變壓器在安全的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)周而復(fù)次。冷卻器上的冷卻元件種類繁多，但都是由多組冷卻管和集油槽結(jié)合而成。冷卻管的數(shù)量依據(jù)變壓器容量的大小而變換，冷卻管越多散熱效果越好還安裝輔助冷卻管增加接觸面效果的金屬片。本文主要介紹500kV大容量變壓器采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷散熱器的冷卻方式，其散熱動(dòng)力來(lái)源于潛油泵，能夠使得高溫的油多次反復(fù)地流向冷卻器從而獲得冷卻器的散熱效果。強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式散熱的自動(dòng)控制系統(tǒng)包含：電源自動(dòng)控制、冷卻器自動(dòng)控制、輔助冷卻控制、備用冷卻控制以及故障回路控制。綜合運(yùn)用保障冷卻系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài)增加了冷卻器的自動(dòng)化程度。對(duì)于強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷冷卻器系統(tǒng)控制也有一定要求規(guī)范：1.根據(jù)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)投入相應(yīng)的冷卻器保證在安全溫度下運(yùn)行2.冷卻器中的動(dòng)作設(shè)備應(yīng)具有過(guò)負(fù)載、斷相等保護(hù)措施，當(dāng)冷卻器發(fā)生故障時(shí)，冷卻系統(tǒng)能及時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警3.發(fā)生故障或內(nèi)部溫度達(dá)到閾值時(shí)能自動(dòng)投入備用或輔助冷卻器4.采用雙電源供電方式保障對(duì)冷卻系統(tǒng)供電的可靠性2.3變壓器散熱及發(fā)熱計(jì)算分析2.3.1變壓器散熱形式及計(jì)算變壓器主要通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式散熱，熟悉散熱原理和相關(guān)計(jì)算為設(shè)計(jì)變壓器冷卻系統(tǒng)提供理論支持。1.熱傳導(dǎo)計(jì)算假定兩平行面的面積S，間距δ，則可推導(dǎo)得單位面積的熱負(fù)荷為： q=PS式中λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)w/mm·℃；δ為間距mm；S為表面積mm2；2.對(duì)流散熱計(jì)算變壓器內(nèi)的油由于溫差會(huì)保持運(yùn)動(dòng)形成對(duì)流，對(duì)流降溫要求液體溫度要小于冷卻器才能將自身熱量傳遞出去使得變壓器達(dá)到降溫的作用。對(duì)流方式散熱的影響因素與冷卻介質(zhì)的性質(zhì)、冷卻裝置的形狀和位置以及周圍的溫度相關(guān)的熱量計(jì)算為： qk=αkτ 式中τ為發(fā)熱與環(huán)境間的溫差k;αk為冷卻介質(zhì)屬性、冷卻器形狀和位置的對(duì)流系數(shù)w/mm2·℃;隨著箱體內(nèi)的溫度差增大，箱體內(nèi)的對(duì)流散熱量也隨之增加。3.輻射散熱計(jì)算所有的發(fā)熱體通過(guò)波的形式將熱量輻射到低溫物體上，在變壓器中，主要是變壓器對(duì)周圍空氣輻射散發(fā)的熱量。根據(jù)輻射定律，散熱與箱體和環(huán)境溫度的關(guān)系計(jì)算為： qλ=2.8式中Q1為箱體和環(huán)境之間的溫度差;從變壓器箱體輻射出的熱量為 Qn=式中Fλ為變壓器輻射表面積;將2-7代入2-8 Qn=2.3.2變壓器的發(fā)熱損耗變壓器的正常運(yùn)行溫升限值決定變壓器使用壽命，大型變壓器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生負(fù)載損耗（銅損）和空載損耗（鐵損），另外集膚和鄰近效應(yīng)會(huì)讓電流在導(dǎo)體上分布不平衡或使繞組發(fā)熱產(chǎn)生附加銅損，對(duì)于較大容量變壓器可通過(guò)導(dǎo)線換位等方式進(jìn)行干預(yù)。變壓器鐵損包含渦流、遲滯及雜散損耗三部分，前者可通過(guò)使用新材料以及工作頻率進(jìn)行抑制，減小雜散損耗則可以將油箱的內(nèi)壁進(jìn)行電磁屏蔽，或者是用鋁質(zhì)材料來(lái)代替，鐵芯也可以用非鐵磁材料來(lái)固定。1.變壓器總損耗計(jì)算如式2-6： ?P=式中?P為總計(jì)損耗;P0為空載損耗;PL為負(fù)載損耗;Pk2.油溫及油面溫升計(jì)算在變壓器油溫升高后冷卻系統(tǒng)會(huì)把熱量散發(fā)出去，過(guò)程大致是：變壓器把溫度度傳遞給郵箱壁，再由內(nèi)壁傳導(dǎo)至油箱外壁最后排出箱體。變壓器材料是金屬構(gòu)成的，因此有較好的傳熱性能，油箱壁本身的溫差遠(yuǎn)小于與外界空氣的溫差，容量的不同也會(huì)有對(duì)應(yīng)不同的散熱方式進(jìn)行散熱。油箱對(duì)空氣的平均溫升計(jì)算方法如式2-7： Q=C1F式中Q1為平均溫升K;所有散熱損耗會(huì)都會(huì)被排除箱體，散熱量Q=總損耗ΣP油箱表面單位熱負(fù)荷的計(jì)算如式2-8： q=Σ變壓器對(duì)于空氣的平均溫升如式2-9： Q1=因變壓器的結(jié)構(gòu)和安裝方法，與下表面之間相互充分接觸，熱油的對(duì)流方向朝上，箱體的位置不能有效地散發(fā)熱量，所以散熱區(qū)域僅包括箱壁和箱蓋部分，油對(duì)空氣平均溫升計(jì)算如式2-10： qT=式中ΣP為總損耗w；A為散熱面積㎡；油對(duì)空氣的平均溫升如式2-11： T=0.163q強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷變壓器冷卻系統(tǒng)散熱效果極好，故而省去變壓器箱的自然散熱計(jì)算，并根據(jù)所安裝冷卻器的構(gòu)造和臺(tái)數(shù)來(lái)決定油的平均溫升。2.4本章小結(jié)本章概述了主變制冷系統(tǒng)的用處及構(gòu)造，對(duì)強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式變壓器的冷卻方式、工作原理作了簡(jiǎn)單的介紹；并給出了變壓器中與導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射有關(guān)的計(jì)算公式；最后介紹了發(fā)熱損耗和油溫及油面溫升的經(jīng)典計(jì)算方法，幫助更深層次地理解冷卻系統(tǒng)控制為后期設(shè)計(jì)提供幫助。

3冷卻系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原則3.1變壓器冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則本文對(duì)500kV某變電站1#主變壓器冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)計(jì)可編程邏輯PLC（ProgrammableLogicController）及變頻控制技術(shù)（主用）實(shí)現(xiàn)智能化控制，工頻為備用實(shí)現(xiàn)雙?？刂七\(yùn)行。對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則：1.本文主要采用PLC技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其具有較強(qiáng)的抗干擾性能線路被存儲(chǔ)邏輯所替代，簡(jiǎn)化了外部設(shè)備的接線便于維護(hù)2.對(duì)于500kV變電站運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜、設(shè)備種類多，要考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求設(shè)計(jì)程序幫助PLC安全、可靠地運(yùn)行控制系統(tǒng)。對(duì)控制系統(tǒng)檢測(cè)裝置的要求是穩(wěn)定性要并定期對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。3.使用結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)總線類型進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中所有參數(shù)（比如PLC、變頻器的設(shè)備容量等）應(yīng)當(dāng)保留裕量方便后期改造增量和優(yōu)化改善。以結(jié)構(gòu)形式為標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，在需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行修改時(shí)只需簡(jiǎn)單更改即可實(shí)現(xiàn)需求。4.為保證投入后的經(jīng)濟(jì)性，在滿足性能需求設(shè)計(jì)下，應(yīng)當(dāng)采用性價(jià)比高的相關(guān)元器件和設(shè)備，減少人、機(jī)、物等資金投入，從改善系統(tǒng)運(yùn)行、提升設(shè)備的安全性、節(jié)能降噪等方面多方面綜合考慮。 3.2冷卻控制系統(tǒng)組成冷卻系統(tǒng)主要是由油面溫度計(jì)、繞組溫度計(jì)、油泵、信號(hào)傳感器、風(fēng)機(jī)等組成，變壓器油面溫度計(jì)和繞組溫度計(jì)的作用：收集變壓器頂部、中部、底部的油溫以及鐵芯的溫度，再由溫度計(jì)把不同刻度溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；信號(hào)傳感器是把電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)及PLC；潛油泵用來(lái)提高變壓器油的循環(huán)速度；風(fēng)扇電機(jī)幫助變壓器散熱；PLC采用西門子S7-200、電壓DC24V；變頻器的容量要依據(jù)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的容量以及工作狀況來(lái)決定，這所變電站主壓冷卻系統(tǒng)選用1臺(tái)變頻裝置來(lái)控制3臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)，每個(gè)風(fēng)扇電機(jī)的設(shè)定功率是1.3kW,額定電流為4A。為滿足同時(shí)啟停的控制要求變頻設(shè)備的輸出電流： IO≥式中IO為變頻器的輸出電流；參數(shù)為過(guò)負(fù)荷能力；Ie三臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)要達(dá)到同步啟動(dòng)和停止，可以得到一個(gè)13.8A的變頻設(shè)備電流。因此考慮到變頻器廠家、性能、經(jīng)濟(jì)性的情況下，選擇了ABB(ACS510-01-25A-4)輸出電流為17A的變頻器；圖3.1變壓器冷卻控制系統(tǒng)原理框圖如上圖3.1所示：Uw為轉(zhuǎn)速控制信號(hào)Gi為積分器Ugi為斜坡信號(hào)GAB為絕對(duì)值信號(hào)Uabs為電壓頻率控制信號(hào)Gf為函數(shù)發(fā)生器Uv*為電壓給定信號(hào)Uv為反饋電壓AVR為電壓控制器Ui*為電流給定信號(hào)ACR為電流調(diào)節(jié)器GFC為頻率給定動(dòng)態(tài)校正器GVF為壓頻變換器DRC為環(huán)形分配器AP為脈沖放大器DPI為極性鑒別器M為電機(jī)；在輸入端加入變壓器溫度給定、反饋信號(hào)，根據(jù)信號(hào)分析計(jì)算后發(fā)出控制變壓器風(fēng)機(jī)的信號(hào)，可控整流設(shè)備通過(guò)變換電壓實(shí)現(xiàn)直流電壓輸出控制，電壓源逆變器通過(guò)變換頻率控制輸出頻率。由于轉(zhuǎn)速控制的過(guò)程是開(kāi)環(huán)控制，為避免形成的沖擊電流損壞設(shè)備，因此需在轉(zhuǎn)速控制、電壓頻率控制間增加積分和絕對(duì)值轉(zhuǎn)換裝置。積分裝置是將階躍的速度控制信號(hào)通過(guò)給定的斜率轉(zhuǎn)換成斜坡信號(hào)，從而得到電動(dòng)機(jī)電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間的平穩(wěn)性，斜坡是可逆信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)向取決于電壓的相序，而不響應(yīng)于電壓、頻率控制信號(hào)的極性，所以絕對(duì)值變換裝置能夠?qū)⑿甭兽D(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于絕對(duì)值的輸出信號(hào)。電壓控制系統(tǒng)的工作方式以電壓和電流為雙閉環(huán)。電流調(diào)節(jié)設(shè)備可以限值電流還能起到保護(hù)功能，電壓調(diào)節(jié)設(shè)備能幫助調(diào)節(jié)整流器電壓有效輸出，在所述電壓控制信號(hào)以及頻率控制信號(hào)到達(dá)電壓調(diào)節(jié)裝置前，首先要通過(guò)所述函數(shù)發(fā)生器增強(qiáng)電壓設(shè)定信號(hào)來(lái)對(duì)定子阻抗進(jìn)行補(bǔ)償，從而提升調(diào)速裝置的機(jī)械性能。3.3主電氣回路硬件部分3.3.1PLC＋變頻控制模式利用PLC對(duì)變壓器頂部油溫模擬量信號(hào)、繞組、過(guò)載開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)中的各操作組的個(gè)數(shù)及頻率的統(tǒng)一調(diào)節(jié)。A/D模塊采集變壓器頂部油溫并將其傳輸?shù)絇LC中。根據(jù)設(shè)置好的模式得到風(fēng)機(jī)的控制頻率，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其傳輸變頻器，這樣可以讓風(fēng)扇電機(jī)工作頻率發(fā)生變化，從而調(diào)整冷卻系統(tǒng)的散熱性能。1.PLC的控制回路PLC＋變頻控制模式是將開(kāi)關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成連貫?zāi)M量信號(hào)，把風(fēng)機(jī)從工頻運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)至變頻調(diào)速，根據(jù)油面溫度和負(fù)荷變化自動(dòng)均衡控制風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)變壓器冷卻設(shè)備的自動(dòng)化和變頻控制。通過(guò)模型計(jì)算出模擬量數(shù)值來(lái)獲得控制風(fēng)機(jī)的頻率，變頻設(shè)備依據(jù)結(jié)果對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，保障發(fā)熱與散熱過(guò)程均衡降低變壓器油面溫度使控制系統(tǒng)運(yùn)行更高效、安全。圖3.2變壓器制冷系統(tǒng)PLC＋變頻調(diào)速電氣回路如上圖3.2可知：主變冷卻器每組有3臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)，其中變頻設(shè)備控制一組冷卻設(shè)備。Q1是保護(hù)變頻設(shè)備和冷卻回路檢修隔離的短路設(shè)備，KM1是控制油泵電機(jī)工頻運(yùn)行的接觸設(shè)備，KM11為風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行的接觸裝置，QM1-QM13為過(guò)熱繼電器，MB1為油泵電機(jī)，MF11-MF13為風(fēng)扇電機(jī)。為了讓變頻器處于安全工作狀態(tài)，工頻設(shè)備KM11及變頻設(shè)備KM12的電路及程序?yàn)榛ユi設(shè)計(jì)。2.節(jié)能變頻調(diào)速為節(jié)約變頻調(diào)節(jié)的電能損耗，通常電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有三種方式:①調(diào)整極對(duì)數(shù)，電機(jī)極對(duì)數(shù)P生產(chǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速已固定②調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率，在轉(zhuǎn)速較低的情況下電機(jī)轉(zhuǎn)差率S較大會(huì)影響電機(jī)使用年限，導(dǎo)致運(yùn)行效率不高等不利因素③調(diào)整頻率，對(duì)于交流風(fēng)機(jī)頻率f的調(diào)整能讓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)整，做法是在0～50Hz的頻率范圍做無(wú)極調(diào)速，區(qū)間越大電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)整的幅度越大以上所述可通過(guò)變頻器控制風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)變頻器的工作原理和伏頻特性：當(dāng)變頻器啟動(dòng)時(shí)降低頻率和電壓輸出值可使電壓逐漸增大，反電動(dòng)勢(shì)隨之增大，因此控制風(fēng)扇電機(jī)開(kāi)啟的電流值不會(huì)太大，減少開(kāi)啟過(guò)程中對(duì)于絕緣等部件的損耗。另外變頻器的輸出驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有觸點(diǎn)控制啟停時(shí)不會(huì)造成電弧，大大地提高了安全使用性能。冷卻風(fēng)扇電機(jī)不同軸功率和頻率的三次方成正比： N1N2=式中N1—40Hz風(fēng)機(jī)軸輸出功率;N2—工頻50Hz風(fēng)機(jī)的軸輸出功率。如果額定風(fēng)量減少至80％，風(fēng)扇電機(jī)的頻率會(huì)保持在40Hz，對(duì)于工頻運(yùn)行來(lái)說(shuō)節(jié)能情況如下： N1=經(jīng)計(jì)算得風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少20％，軸功率為50％的PN額定功率，除開(kāi)變壓器自身?yè)p耗變頻運(yùn)行功率為工頻的52％。根據(jù)負(fù)荷變化需計(jì)算不同風(fēng)量的節(jié)能效果。表3.1不同風(fēng)量的理論計(jì)算節(jié)能額定風(fēng)量（%）對(duì)應(yīng)頻（Hz）理論節(jié)能（%)平均節(jié)能（%）97%4811.553.190%4527.180%4046.570%3565.760%3078.450%2587.5由表3.1可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速降低20％時(shí)，軸功率為46.5％時(shí)其節(jié)能效果最佳，而在80％時(shí)其效率變化幅度很小。通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳工作點(diǎn)，從而增大了風(fēng)機(jī)的應(yīng)用范圍，降低了電力損失使其處于最優(yōu)工作狀態(tài)。3.3.2工頻控制模式采用繼電邏輯控制工頻運(yùn)行狀態(tài)，由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制冷卻器。在正常溫度下投入1組工作、輔助、備用制冷器。由變壓器油溫、繞組溫度和變壓器負(fù)載開(kāi)關(guān)量等參數(shù)對(duì)輔助制冷裝置進(jìn)行控制。當(dāng)工作冷卻器失效時(shí)后備冷卻器投入；工作制冷器故障消失后備用冷卻器切斷。在PLC＋變頻器的制冷器組沒(méi)有明確的工作、輔助、備用分別，PLC對(duì)變壓器的工作狀況制冷裝置的投入數(shù)量和風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。例如在三組冷卻器的情況下，當(dāng)變壓器的油面溫度和負(fù)載荷低于溫度控制端時(shí)，就必須要以節(jié)能降噪為主要目的，等一組冷卻設(shè)備投入使用之后先以低速運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)變壓器的油面溫度和負(fù)荷的變化來(lái)增減對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)頻率。在第一組制冷裝置的工作頻率接近于工頻時(shí)，再將第二組制冷裝置投入還是以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，直到變壓器的油溫及負(fù)載到達(dá)中溫后，將風(fēng)電的轉(zhuǎn)速調(diào)整至工頻；在變壓器油溫升高的情況下，將控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)到降溫優(yōu)先狀態(tài)，使所有的制冷設(shè)備都開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)高溫段的實(shí)際溫度來(lái)控制風(fēng)機(jī)，還有可以根據(jù)設(shè)定的周期，按順序輪流對(duì)對(duì)三組冷卻設(shè)備投放，以提高風(fēng)機(jī)的效率和使用壽命。在常規(guī)的工頻控制方式下就只能根據(jù)系統(tǒng)的指示才能啟動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)量的風(fēng)扇電機(jī)。3.3.3雙模控制方式圖3.3冷卻雙?？刂葡到y(tǒng)圖如上圖3.3所示：雙模控制有兩個(gè)獨(dú)立回路，由一臺(tái)變頻器對(duì)多臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制，變頻器安裝在冷卻控制箱內(nèi)部包括：PLC、頂層油面溫度計(jì)檢測(cè)、冷卻器斷路器Q1、風(fēng)機(jī)變頻器BP、潛油泵交流接觸和保護(hù)開(kāi)關(guān)KM、QM、風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器KM11、油泵電機(jī)、制冷風(fēng)機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)QM11、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為SA、運(yùn)行指示燈為H、油流繼電器為QC1、時(shí)間繼電器KT（4,5,11）、按鈕開(kāi)關(guān)SB（1,2）、中間繼電器K（6,11）。當(dāng)PLC＋變頻工作狀態(tài)下，KM、KM12得電時(shí)，KM11為無(wú)電狀態(tài)，利用PLC對(duì)上層油溫度計(jì)的模擬量進(jìn)行檢測(cè)，從而變頻器對(duì)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。當(dāng)PLC發(fā)生故障或變頻器發(fā)生故障的情況下愛(ài)，K3失去雙模制冷控制系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入工頻運(yùn)行的狀態(tài)。KM12失電時(shí)、KM11、KM得電的狀態(tài)按照油溫計(jì)投切信號(hào)自動(dòng)運(yùn)行，變頻器的加入可以保證運(yùn)行的可靠性，如果PLC失效或模擬量信號(hào)斷開(kāi)出現(xiàn)異常的情況，使得PLC＋變頻器不能正常工作時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)由PLC＋變頻工作方式切換到常規(guī)工作方式。在工頻工作時(shí)，各機(jī)組均有各自獨(dú)立的切換，制冷裝置有工作、輔助、備用等三種工作狀態(tài)。為避免多組同時(shí)啟動(dòng)，所有的冷卻器需延時(shí)30s投入使用，造成啟動(dòng)電流過(guò)大控制電源跳閘等風(fēng)險(xiǎn)。使得電磁式繼電器能安全運(yùn)行，變壓器冷卻器控制系統(tǒng)雙?？刂品绞礁屜到y(tǒng)更加高效、節(jié)能、可靠地運(yùn)行。變頻器BP的故障常開(kāi)點(diǎn)（R33A,RO3C）、接觸器KM（13，14）、KM、KM11、KM12的常開(kāi)點(diǎn)分別與PLC輸入點(diǎn)相連，所述電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)QM、QM11輔助觸點(diǎn)分別接到PLC輸入點(diǎn)。Pt100的溫度信號(hào)采用三線法相連到模擬輸入模塊A＋、A-、a-。PLC的模擬量輸出模的M0和V0分開(kāi)與變頻器BP的AGND、AI1相連接。綜合控制系統(tǒng)在投入運(yùn)行時(shí)，先由PLC對(duì)K3進(jìn)行吸合控制，可選擇智能變頻或工頻繼電方式。如果是模擬量信號(hào)斷開(kāi)或是油溫測(cè)量的轉(zhuǎn)換信號(hào)出現(xiàn)了故障，那么PLC就可以對(duì)這兩種情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的判定，當(dāng)溫差絕對(duì)值大于3時(shí)，那么就可以確定溫度探測(cè)回路出現(xiàn)了故障，并在全速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下還會(huì)發(fā)出一個(gè)溫度探測(cè)的故障報(bào)警信號(hào)。3.4本章小結(jié)本章以某500kV變電站主變冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，依據(jù)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則繪制冷卻系統(tǒng)的組成部分和系統(tǒng)原理圖，計(jì)算不同負(fù)荷下風(fēng)量的節(jié)能值，確定選用輸出電流為17A的ABB變頻器。主要設(shè)計(jì)了制冷系統(tǒng)的主電路硬件部分，變壓器頂層的油溫模擬量信號(hào)以及油溫、繞組、過(guò)負(fù)荷開(kāi)關(guān)量的監(jiān)控等信號(hào)利用PLC＋變頻器進(jìn)行控制，得到冷卻器運(yùn)轉(zhuǎn)組數(shù)和頻率。最后介紹傳統(tǒng)工頻模式，當(dāng)雙模控制電路發(fā)生故障時(shí)控制系統(tǒng)從PLC＋變頻模式切換工頻模式，從而保證了制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行的過(guò)程。4冷卻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1變壓器的冷卻控制系統(tǒng)軟件選擇根據(jù)功能需求、便于后期維護(hù)及部件的供應(yīng)確定可編程邏輯PLC（ProgrammableLogicController）類型，對(duì)PLC容量的合理選中能讓幫助系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)控制。PLC的掃描周期分為三個(gè)階段：輸入、處理、執(zhí)行，從輸入到輸出有20ms-30ms延遲時(shí)間。選擇的參考標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù):1.I/O端口點(diǎn)數(shù)要保留15%的裕量，對(duì)于較大控制系統(tǒng)而言，端口越多會(huì)影響PLC數(shù)據(jù)處理速度，對(duì)于本文設(shè)備容量需要應(yīng)選取大型可編程控制設(shè)備。2.系統(tǒng)的功能需求、開(kāi)關(guān)量I/O數(shù)、模擬量I/O數(shù)等決定了PLC容量大小，開(kāi)關(guān)量與輸入輸出點(diǎn)數(shù)比為6:4，當(dāng)模擬量輸入輸出都存在時(shí)會(huì)延長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)間導(dǎo)致內(nèi)存容量需求增大。程序長(zhǎng)短與運(yùn)行時(shí)間需滿足控制功能且保留裕量，權(quán)衡總存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)量：I/O×10＋模擬量×150（裕值25%）3.響應(yīng)時(shí)間：升級(jí)應(yīng)用軟件減短掃描周期，每隔半個(gè)掃描周期就會(huì)將輸入信號(hào)反饋給輸出端，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)要采用CPU速度快的PLC設(shè)備減少其運(yùn)算時(shí)間。4.經(jīng)濟(jì)性：選擇模塊式產(chǎn)品易于維護(hù)，目前PLC廠家較多價(jià)格參差不齊需綜合考慮滿足功能要求來(lái)選擇合適的PLC設(shè)備。4.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求4.2.1系統(tǒng)運(yùn)行控制功能及要求電源由PLC判斷工作/備用兩電源選擇通斷，由PLC判斷電源的接觸器狀態(tài)（線圈信號(hào)），繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)：得電正常斷開(kāi)，失效閉合，設(shè)置PLC＋變頻控制為“自動(dòng)模式”，工頻控制為“手動(dòng)模式”。PLC在初始化后與上位機(jī)通信，將采集變壓器的信號(hào)上傳到控制系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)入自動(dòng)模式否則轉(zhuǎn)入手動(dòng)模式。自動(dòng)轉(zhuǎn)“手動(dòng)模式”的條件為：1.當(dāng)PLC故障或停運(yùn)時(shí)可轉(zhuǎn)為“手動(dòng)模式”2.繼電器無(wú)輸入信號(hào)時(shí)可轉(zhuǎn)“手動(dòng)模式”3.當(dāng)三組冷卻器發(fā)生故障時(shí)“手動(dòng)模式”4.在油面溫度計(jì)模擬量信號(hào)異?；蛴蜏啬M量信號(hào)比輔助制冷裝置組控制油溫度計(jì)高且變頻器出現(xiàn)了故障；以上情況出現(xiàn)時(shí)，則由自動(dòng)轉(zhuǎn)成手動(dòng)模式。當(dāng)自動(dòng)模式有輸入信號(hào)，手動(dòng)模式跳轉(zhuǎn)至自動(dòng)方式從而實(shí)現(xiàn)PLC＋變頻和工頻模式的切換（雙?？刂疲?，其流程圖如下圖4.1所示：圖4.1系統(tǒng)軟件流程圖4.2.2手動(dòng)模式功能繼電器模式是傳統(tǒng)控制方式?jīng)]有PLC的介入，通過(guò)觸摸屏對(duì)各機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，并由Q0.1來(lái)判斷機(jī)組的故障（工作），Q0.2則發(fā)出備用冷卻器故障。手動(dòng)模式采集的信號(hào)：1.冷卻器手動(dòng)開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)2.油泵電機(jī)接觸器線圈得/電狀態(tài)3.油流繼電器合/斷狀態(tài)4.油泵、風(fēng)扇電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作狀態(tài)5.手動(dòng)輸入控制信號(hào)，將上述收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判定并送到觸摸屏上，由此監(jiān)控冷卻器組手動(dòng)控制方式的運(yùn)轉(zhuǎn)及操作狀況，得出故障發(fā)生的原因。另外對(duì)個(gè)組冷卻器手動(dòng)運(yùn)行時(shí)間也要做好相關(guān)記錄，根據(jù)油泵、風(fēng)機(jī)觸點(diǎn)狀況判斷制冷器組全停時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。4.2.3自動(dòng)模式功能為了讓手動(dòng)轉(zhuǎn)自動(dòng)模式的過(guò)程更加穩(wěn)定，當(dāng)輸入自動(dòng)方式繼電器輸入信號(hào)后，延遲3S才能自動(dòng)進(jìn)行操作。本系統(tǒng)將對(duì)各機(jī)組的工作時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照雙模運(yùn)行時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)（輪流運(yùn)行時(shí)間可設(shè)置）。任一循環(huán)周期結(jié)束后，對(duì)三個(gè)制冷機(jī)組的工作時(shí)間分別進(jìn)行計(jì)算，其中以工作時(shí)間較長(zhǎng)的為待機(jī)，短時(shí)為工作時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)首先投入已進(jìn)行循環(huán)的的組待，延時(shí)10S后再將原機(jī)組切掉。如下圖4.2所示：圖4.2手動(dòng)模式轉(zhuǎn)自動(dòng)模式運(yùn)行模式程序圖根據(jù)功能需求，可以自己設(shè)置工作、輔助、備用冷卻器在輪換時(shí)間后，按照時(shí)間長(zhǎng)短為備用、工作輪換并給觸摸屏增加時(shí)鐘。如下圖4.3所示：圖4.3觸摸屏?xí)r鐘程序圖PLC對(duì)變壓器頂部的油面溫度信號(hào)(Pt100)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對(duì)冷卻器的投切和操作頻率進(jìn)行自動(dòng)控制。設(shè)定的參量定義為：T變壓器頂部油溫信號(hào)℃、f變頻器運(yùn)行的頻率(Hz)。T0表示開(kāi)始控制段30℃、T1低溫段40℃、T2中溫50℃、T3高溫60℃,f1低溫起控頻率25Hz、f2中溫頻率30Hz、f3高溫頻率35Hz；在實(shí)際工作中，變壓器可能面臨的狀況是多種多樣的，根據(jù)其正常工作及出現(xiàn)故障情況，采取相應(yīng)的控制原則：1.正常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)模式的設(shè)定原則在起控、低溫階段以節(jié)能、噪聲為主要目標(biāo)，中溫、高溫階段以降低溫度為優(yōu)先，主要參數(shù)以油面、繞組溫度、負(fù)載速率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。當(dāng)存在多個(gè)參數(shù)時(shí)PLC會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算各參數(shù)的工作頻率，最終設(shè)備將會(huì)在高頻率下工作，各階段運(yùn)行的要求為：?jiǎn)?dòng)階段（30℃）：正常工作狀態(tài)下投入一組制冷機(jī)組-(頻率為f1:25Hz);在某個(gè)風(fēng)扇發(fā)生故障的情況下，后備冷卻器不工作以48Hz運(yùn)行，;當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)及更多的風(fēng)機(jī)、油泵、變頻器等故障時(shí)，則啟動(dòng)后背制冷器-頻率為f1;當(dāng)2套制冷器發(fā)生異常，所有制冷器組全部在頻率f1下運(yùn)轉(zhuǎn);輔助投入開(kāi)關(guān)量信號(hào)接頭時(shí)（包括頂層油溫、繞組溫度和過(guò)負(fù)荷信號(hào)）2套制冷器組在48Hz下啟動(dòng);低溫區(qū)40℃：在日常運(yùn)行條件下投入一套冷卻器（頻率：12-48Hz）正常運(yùn)行投入一組冷卻器，運(yùn)行頻率范圍25-48Hz;若冷卻設(shè)備組出現(xiàn)故障開(kāi)啟備用冷卻設(shè)備組，調(diào)整運(yùn)行頻率48Hz;若兩組冷卻設(shè)備都出現(xiàn)故障，則開(kāi)啟所有冷卻設(shè)備組調(diào)整運(yùn)行頻率為48Hz;當(dāng)控制輔助投入開(kāi)關(guān)量信號(hào)接通時(shí)（含頂層油溫、繞組溫度和過(guò)負(fù)荷信號(hào)），啟動(dòng)2組冷卻器組運(yùn)行頻率48Hz；低溫、中溫轉(zhuǎn)換階段：當(dāng)溫度升高時(shí)，一組制冷器以48Hz的頻率工作，而當(dāng)冷卻器組失效時(shí)，投入后備制冷器-頻率為48Hz；隨著溫度的下降（50℃-30℃），2組冷卻裝置投入，一組失效時(shí)，后備制冷設(shè)備啟用一組-(頻率降至30Hz)。若兩組制冷裝置同時(shí)失靈就投入所有冷卻器，溫度上升（下降）頻率達(dá)到（48-30Hz）;當(dāng)輔助冷卻器開(kāi)關(guān)量信號(hào)接通后（頂層油溫、繞組溫度和過(guò)載信號(hào)），兩組制冷器組以48Hz運(yùn)轉(zhuǎn)；中溫控制段(50℃)：當(dāng)2組制冷設(shè)備其中1組故障時(shí)時(shí)，使其轉(zhuǎn)入備用工作頻率為30-48Hz。若兩組均出現(xiàn)故障，則以50Hz投入所有冷卻設(shè)備,在控制輔助投入開(kāi)關(guān)量信號(hào)接通時(shí)如轉(zhuǎn)換階段相同。中溫和高溫過(guò)渡段：隨著氣溫的上升，兩套冷卻裝置以48Hz的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。1組冷卻裝置失效之后，以50Hz運(yùn)行備用冷卻器組;當(dāng)溫度下降時(shí)（60-50℃）投入全部冷卻器組頻率為35Hz，任何一組失效時(shí)頻率變?yōu)?0Hz;當(dāng)兩組制冷器同時(shí)失效，所有冷卻器50Hz都投入。高溫段(60℃)：投入所以冷卻器組，運(yùn)行恒定頻率f3:50Hz2.按照冷卻器故障組數(shù)，自動(dòng)模式系統(tǒng)控制原則：①正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)T＞T0投入工作冷卻器組時(shí)，投輔助組“溫度或負(fù)荷”接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，啟動(dòng)工作、輔助冷卻器組運(yùn)行頻率48Hz。當(dāng)T0≤T＜T1-3時(shí)，工作制冷器組按照模式自動(dòng)調(diào)整操作頻率。啟動(dòng)輔助組的溫度或負(fù)載觸點(diǎn)，啟動(dòng)運(yùn)行和輔助冷卻機(jī)組的頻率為48Hz。當(dāng)T1-3≤T＜T1溫度上升時(shí)，投入冷卻器組，頻率為48Hz;溫度下降時(shí)投入工作和輔助冷卻器組，運(yùn)行頻率為f1;投輔助組溫度或負(fù)荷接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，啟動(dòng)工作、輔助冷卻器組頻率為48Hz。當(dāng)T1≤T＜T2-3，工作和輔助冷卻器組按照模式自動(dòng)調(diào)整操作頻率。啟動(dòng)輔助組的溫度或負(fù)載觸點(diǎn)，啟動(dòng)運(yùn)行和輔助冷卻機(jī)組的頻率為48Hz。當(dāng)T2-3≤T＜T2溫度上升投入工作、輔助冷卻器組，運(yùn)行頻率48Hz；溫度下降時(shí)，投入工作、輔助、備用冷卻器組頻率為f2。當(dāng)T2≤T＜T3投入工作、輔助、備用冷卻器組，運(yùn)行頻率按模型自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)T≥T3投入所有冷卻器組頻率50Hz。如下圖4.4所示：圖4.4制冷系統(tǒng)的自動(dòng)工作狀態(tài)程序圖②當(dāng)一組冷卻器故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為：當(dāng)T＞T0投入工作冷卻器組，當(dāng)發(fā)生一臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)故障時(shí)備用冷卻器不投入運(yùn)行頻率為48Hz;若出現(xiàn)2臺(tái)或更多的風(fēng)扇故障或油泵、油流、變頻器等其一故障時(shí)，則啟動(dòng)備用制冷器組；如果輔助組的溫度和負(fù)荷觸點(diǎn)動(dòng)作，工作、輔助制冷器組失效，則以48Hz啟動(dòng)備用制冷設(shè)備組;當(dāng)T0≤T＜T1-3中，若工作制冷器組發(fā)生故障，則啟動(dòng)制冷機(jī)組的頻率自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)輔助組的溫度或負(fù)荷的觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，如果啟動(dòng)工作、輔助冷卻器組失效，則啟動(dòng)后的備用冷卻裝置組工作頻率48Hz；當(dāng)T1-3≤T＜T1溫度上升時(shí)，投入冷卻器組若發(fā)生故障，則啟用備用頻率為48Hz;溫度下降時(shí)，投入工作和輔助冷卻器組故障時(shí)啟用備用頻率為f1:25Hz；當(dāng)T1≤T＜T2-3運(yùn)行工作及輔助冷卻器設(shè)備組，頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)T2-3≤T＜T2溫度上升時(shí)，若運(yùn)行工作及輔助冷卻設(shè)備發(fā)生故障，則投入備用，頻率為50Hz;溫度下降時(shí)投入所有冷卻器組任一冷卻器故障時(shí)頻率50Hz當(dāng)T＞T2各制冷機(jī)組任一臺(tái)失效工作頻率為50Hz。如下圖4-5所示：圖4.5自動(dòng)模式下1組制冷器失效的工作狀態(tài)程序圖圖4.6自動(dòng)模式下2組制冷器失效的工作狀態(tài)程序圖③如上圖4.6所示：當(dāng)發(fā)生2組冷卻器故障發(fā)出相應(yīng)的故障報(bào)警信號(hào)，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為：當(dāng)T＞T0發(fā)生兩組冷卻器故障所有冷卻器都投入；發(fā)生2組故障并當(dāng)投輔助組溫度或負(fù)荷接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，所有冷卻器投入頻率為48Hz。當(dāng)T0≤T＜T1-3發(fā)生2組冷卻器組故障所有冷卻器均投入運(yùn)行頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)T1-3)≤T＜T1發(fā)生2組冷卻器故障所有冷卻器都投入溫度上升時(shí)頻率為48Hz，溫度下降時(shí)頻率f1。當(dāng)T≥T1發(fā)生2組故障所有冷卻器組都投入運(yùn)行頻率為50Hz。4.2數(shù)據(jù)驗(yàn)證1.節(jié)能數(shù)據(jù)對(duì)比正常運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)一組工作制冷器帶3臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)，1號(hào)主變分A、B、C三相共9組制冷器。正常運(yùn)行時(shí)每相對(duì)應(yīng)開(kāi)啟2組工作制冷器，每組冷卻器有3臺(tái)風(fēng)機(jī)，每組冷卻器平均功率為3.6kW，每日耗電量為3.6kW,日耗電量為86.4kWh,共運(yùn)行12個(gè)月，耗電量為86.4×30×12×6=186624Wh。根據(jù)上述冷卻器在正常工作條件下的月度耗電情況，對(duì)其實(shí)際工作12個(gè)月的節(jié)電情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如下表4.7所示：表4.7冷卻系統(tǒng)12月節(jié)約電能量月份1月2月3月4月5月6月合計(jì)節(jié)約電能（kWh）446424847374794177918832時(shí)間7月8月9月10月11月12月節(jié)約電能（kWh）96961027511124112536714447092418由此，主變?cè)诓捎美鋮s控制系統(tǒng)后有效技能率達(dá)到92418÷186624≈50％。綜上所述，主變風(fēng)冷節(jié)能效果顯著控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)頻，降低風(fēng)扇電機(jī)節(jié)能優(yōu)先。

5總結(jié)本文以PLC結(jié)合變頻器調(diào)速控制對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究?jī)?yōu)。根據(jù)變壓器的工作負(fù)載及內(nèi)部溫度，根據(jù)設(shè)定的邏輯原理對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能控制，減少損耗和噪音，保證安全運(yùn)行。其基本原則為：在低負(fù)荷下為了節(jié)能降低噪聲優(yōu)先風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，在高負(fù)荷的時(shí)候優(yōu)先使控溫冷卻系統(tǒng)，增加風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以高頻運(yùn)行提高變壓器載荷容量；1.本文就強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷冷卻裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，著重闡述了500kV大容量電力變壓器采用的冷卻裝置的結(jié)構(gòu)形式；對(duì)變壓