基于STM32的變壓器風冷控制系統優化設計

吳學正，黃一然

（國網河北省電力公司青縣供電分公司，河北滄州 062651）

基于STM32的變壓器風冷控制系統優化設計

吳學正，黃一然

（國網河北省電力公司青縣供電分公司，河北滄州 062651）

目前，變壓器風冷控制系統多采用可編程邏輯控制器（PLC）或數字信號處理（DSP）芯片作為控制核心，控制系統中考慮的影響因素較少。隨著STM32系列芯片技術的發展，其以完全具備DSP芯片主要功能模塊，并以低廉的價格成為自動控制領域中的重要元件。本設計參照現有變壓器風冷控制系統，設計了以STM32為主控芯片的風冷控制系統。加入脈沖寬度調制（PWM）軟啟動、有差值裕度的投、切溫度閥值、風機分組啟停、按負荷及繞組溫度投切、故障保護等多種功能，優化了變壓器風冷控制系統，提高了風冷系統的可靠性，延長了其使用壽命。

風冷系統；差值裕度；故障保護；軟啟動

0 引言

變壓器是電力系統的重要設備。目前，電力系統中的大容量變壓器主要為油浸式。該類型變壓器在運行中內部鐵芯和繞組會產生部分損耗并以熱能的形式傳遞出去，使變壓器的溫度升高。變壓器溫升影響其帶載能力，同時也會加速絕緣老化，影響其使用壽命。變壓器風冷系統對提高電力系統的可靠性，保證變壓器安全可靠運行起著至關重要的作用。研究出經濟高效的風冷控制系統對降低風冷系統故障率，延長風冷系統使用壽命具有重要意義［1-2］。

1 變壓器風冷控制系統優化

1.1 主控芯片選擇

控制變壓器風冷系統的裝置多采用單片機、可編程邏輯控制器（PLC）。近年來，數字信號處理（DSP）芯片以本身自帶而無需另外擴展A/D轉換模塊、脈沖寬度調制（PWM）模塊，可選多種通信接口，抗干擾能力強等優點代替了單片機和PLC成為控制風冷系統的主要元件。目前，隨著STM32系列芯片技術的發展，以具備DSP芯片優點并以低廉的價格成為風冷控制系統的首選元件［3-4］。

1.2 風冷電機控制優化

1.2.1 風冷電機控制優化的必要性

電力變壓器風冷系統主要由專用鼠籠式異步電動機和安裝于電機轉子軸端的軸流式風扇組成。風扇很少出現故障，大多數故障是由異步電動機或其控制箱引起的，其中95%的故障是由異步電動機造成［5-7］。因此，在設計變壓器風冷系統時要考慮降低風冷電機磨損，延長電機壽命，從而降低故障率。

1.2.2 采用PWM軟啟動

不采用任何啟動裝置，直接加額定電壓到定子繞組啟動電機時，電動機轉速迅速由零上升到額定轉速，啟動瞬間電機的電流可達額定電流的4～8倍，啟動轉矩可達額定轉矩的2倍以上，這會嚴重影響電機的使用壽命。STM32芯片自帶PWM功能模塊，配合風冷系統電機驅動電路可實現異步電機軟啟動，降低電機啟動電流，延長其使用壽命。

1.2.3 采用有差值裕度的投、切溫度閥值

傳統變壓器風冷控制系統在控制風冷裝置自動投、切時大多采用的方法是：設定一固定不變的溫度閥值，變壓器油溫超過該值時繼電器動作，投入風冷裝置；油溫低于設定值時切除風冷裝置。這類方法的缺點是當變壓器油溫在溫度閥值附近來回波動時，將致使風冷裝置頻繁投切［8］。

本文中變壓器風冷控制裝置采用一種新型的投切控制策略——有差值裕度的投、切溫度閥值的投切控制，這種控制策略經證實可以有效地避免風機的頻繁投切，從而延長風機使用壽命。

當變壓器油溫上升時，油溫超過tt時，投入部分風冷裝置；當變壓器油溫下降，油溫低于tq，切除部分風冷裝置；當變壓器油溫在tq～tt之間時，裝置不做投切動作，如圖1所示。

1.2.4 冷卻風機分組啟、停

冷卻風機控制采用分組啟、停方式，即將整臺主變壓器全部冷卻風機分成2組或2組以上，冷卻風機的投切按控制1組或多組風機同時啟停進行。在需要投切風冷裝置時參考累計運行時間和累計停止時間進行投切，如圖2所示。實踐證明該控制策略可減少風機啟停次數。

累計運行時間是指風冷裝置每次投入運行的時間。從風冷裝置投入運行開始計時，風冷裝置退出運行時清零，重新投入運行后重新開始計時［9-10］。同樣，累計停止時間表示風冷裝置每次退出運行的時間。

圖1 有差值裕度的風冷裝置投切示意

圖2 冷卻風機分組啟停程序流程

1.3 根據變壓器負荷、繞組溫度投、切電機

變壓器不能保證總是額定狀態下正常運行，偶爾會出現超負荷或繞組溫度超預定值現象，此時應結合變壓器負荷、繞組溫度情況對變壓器風冷裝置的投、切進行控制，這樣既能最大限度發揮風冷裝置的作用，又能保證不會因未及時發現變壓器超負荷或繞組溫度超預定值未及時采取措施而造成問題擴大。

1.4 風冷系統故障保護

故障保護功能對保證變壓器安全運行至關重要。當變壓器風冷系統故障使風冷電機全退時，控制系統將對風冷裝置采取保護，如圖3所示。t1，tr通常取值為20min，t2取值不超過1 h。

圖3 冷卻風機按負荷、繞組溫度啟停流程

2 風冷控制系統整體方案及程序流程

基于STM32的變壓器風冷控制系統整體方案如圖4所示。風機狀態量不只包括風機的投、切狀態量，還包括風機是否故障狀態量。鍵盤控制可實現對風機狀態的就地控制。RS-485串口實現STM32主控單元與上位機之間通信。RS-485串口在本地通信領域應用很廣泛，在此不再贅述。

圖4 冷卻風機按負荷、繞組溫度啟停流程

3 結束語

隨著變壓器技術的發展出現了多種新型變壓器，但油浸式變壓器以其冷卻能力強，繞組、鐵心溫度分布均勻，在電力系統中仍被廣泛使用。風冷系統是大型油浸式變壓器不可缺少的組成部分，對變壓器的安全運行起至關重要的作用。經過論證，本設計具有完善的保護、監視、顯示及通信功能，能夠有效地降低風冷系統的故障率，從而延長變壓器使用壽命，降低故障率。

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（本文責編：齊琳）

TP 273

B

1674-1951（2016）11-0021-02

吳學正（1987—），男，河北青縣人，助理工程師，從事電力系統及其自動化研究方面的工作（E-mail：15922170732＠163.com）。

2016-03-07；

2016-08-19

黃一然（1975—），男，河北滄縣人，工程師，從事電力系統及其自動化研究方面的工作（E-mail：875825313＠qq.com）。