變電站主變冷卻風扇變頻調速系統的設計與應用

摘要：針對現行電力變壓器冷卻系統現狀及存在的問題，本文提出了新的控制方案，使冷卻系統能夠跟隨主變油溫的變化連續平滑調整，有利于變壓器安全穩定運行。

關鍵詞：變電站主變；冷卻系統；變頻調速；遠程監視

引言

變電站主變是變電站的主要設備之一，隨著負荷與外界環境的變化，變壓器所需的冷卻容量將頻繁調整，傳統的冷卻系統控制方式分為手動與自動兩種方式。手動方式缺點主要是：自動化水平低，增加值班人員工作量：冷卻容量不能隨溫度的變化連續平滑調整，幾組冷卻風扇同時投入易產生沖擊電流，污染電網；幾組冷卻風扇同時滿載運行，噪聲較大；遠程無法監視冷卻系統情況等。自動方式雖然提高了自動化水平，降低了值班人員工作量，但是變壓器負荷變化時由溫度繼電器啟動電磁型開關控制引起冷卻系統頻繁啟停，開關故障率很高，可靠性低，很少被采用。本文采用變頻技術，設計出新的冷卻控制系統，現場實際穩定運行了三年多，實現了節能、自動控制、遠程監視和降低噪聲等預期效果。

系統結構

本系統是針對110kV和220kV變電站主變冷卻系統所做的設計，具備以下特點：電路簡潔：系統安全可靠：成本低；節能空間大；可遠程監視。

本系統采用主備兩個回路控制冷卻風扇，且主備回路可以實現自動切換。主回路即變頻回路：備用回路為工頻回略。系統結構圖如圖1所示。

系統硬件設計

本設計中，主要使用的設備就是變頻器。變頻器的研究在項目開發中起到至關重要的作用。

在變頻調速中主要有交一交變頻和交一直一交變頻，目前應用最廣泛的是后者，它的基本思路是：先將電源的三相交流電經過整流橋整流成直流電，再經逆變橋把直流電逆變成頻率任意可調的三相交流電。實現逆變的逆變橋就是變頻主電路的關鍵部件，它由六個開關器件組成，逆變的過程是這六個開關器件按一定的規律不停的導通和截止，這也是實現變頻的過程。

本系統采用的是交－直－交變頻，其變頻器的結構如圖2所示，主要有四個模塊組成：變頻器控制模塊、整流模塊、能耗模塊和逆變模塊。

變頻器控制模塊

變頻器控制模塊主要是向主電路提供控制信號，其內部有運算電路。運算電路將外部輸入的主變油溫信號同檢測的電路的電流、電壓信號進行比較運算。用運算結果來控制逆變模塊的開關器件，決定了變頻器的輸出電壓與頻率。

控制模塊還有I/O輸入輸出電路，以便實現人機交互，變頻器有多種輸入信號，還有各種內部參數的輸出(電流、頻率、故障報警、保護動作驅動等)信號。因此，可以接變頻器的顯示、鍵盤等控制電路，并且還可以實現遠程通信。

整流模塊

整流模塊主電路如圖3。整流二極管VD1～VD6組成三相整流橋，將電源的三相交流電全波整流成直流電。CF1和CF2濾波電容器的功能是：濾平全波整流后的電壓波紋：當負載變化時，使直流電壓保持平穩。

因為電解電容器的電容量有較大的離散性，故電容器組CF1和CF2的電容量不能完全相等，這將使它們承受的電壓不相等。為了使的它們承受的電壓相等，在CF1和CF2旁各并連一個阻值相等的均壓電阻Rc1和Rc2。

限流電阻RL和開關SL為了避免變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容器CF1和CF2的充電電流很大。因為過大的沖擊電流將可能使三相整流橋的二極管損壞；同時，也可能使電源電壓瞬間下降而受到“污染”。為了減少沖擊電流，在變頻器剛接通電源后的一段時間里，電路內傳入限流電阻RL，其作用是將電容器CF1和CF2的沖電電流限制在允許范圍內。開關SL的功能是：當CF1和CF2沖電到一定程度時，令SL。接通，將RL短路掉。

耗能模塊

耗能模塊主電路如圖4所示。電動機在工作頻率下降過程中，將處在發電狀態，所發電會反饋到直流電路中，使直流電壓Up不斷上升，甚至可能達到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路的電能消耗掉，使Up保持在允許范圍內。Vb是由GTR或IGBT及其驅動電路構成。其功能是為了電機發電時耗能模塊導通。

逆變模塊

逆變模塊主電路如圖s所示。

V1～V6是可關斷晶閘管，常用的有絕緣柵雙極性型晶體管(IGBT)、電力晶體管(GTK)、門極關斷(GTO)晶閘管以及電力MOs場效應晶體管(MOSFET)等。VD7～VD12是續流二極管，其主要功能有：

(1)電動機的繞組是感性的，其電流具有無功分量，VD7～VD12為無功電流返回直流電源時提供“通道”：

(2)當頻率下降，電動機處于發電狀態時，可以通過VD7～VDl2整流后返回給直流電路：

(3)V1～V6進行逆變的基本工作過程是，同一橋臂的兩個晶閘管處于不停地交替導通和截止的狀態，在交替導通和截止的過程中，會不時地需要VD7～VD12提供通路。

系統應用

安徽六安110 kV城東變電站有兩臺主變，每臺主變有2臺冷卻風扇，總功率為1.5 kW。按照本文所述系統設計要求對2號主變冷卻系統進行改造。到目前為止，改造后的冷卻系統運行良好。圖6和圖7是其某三天的運行相關曲線圖。

與未經改造的1號主變相比、改造后的冷卻系統平均每天運行時間少了7小時左右，因此，每天可節能10.5kWh以上：并且，改造后的冷卻系統夜間不運行，白天運行在50Hz以下，因此，噪聲明顯降低。

結語

由于變電站主變冷卻系統傳統控制方式存在很多弊端，利用新技術對其進行改造勢在必行。本系統利用變頻技術，結合變壓器油溫的反饋調節，從而將變壓器油溫控制在一個較小的給定范圍，這對節能減排和變壓器的安全、經濟運行以及延長其使用壽命具有重要的意義。該系統已通過安徽省科技廳的科技成果鑒定并取得鑒定證書，且于2009年4月獲得國家實用新型專利證書(專利號為ZL200820035751.7)。