智能冷卻控制系統(tǒng)在超高壓變壓器中的應(yīng)用

楚修楠 張晗

【摘 ?要】傳統(tǒng)的變壓器冷卻控制裝置存在較多安全隱患，自動(dòng)化水平低，無法滿足無人值守變電站的需求。基于此，有必要深入研究基于可編程控制器PLC的電力變壓器冷卻控制裝置，提出一種新型變壓器風(fēng)冷控制裝置設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】智能冷卻控制系統(tǒng);變壓器;應(yīng)用

前言

變壓器冷卻技術(shù)的發(fā)展是加快變壓器容量增長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大量的研究數(shù)據(jù)表明，變壓器的運(yùn)行溫度在很大程度上影響著負(fù)載損耗，降低變壓器的運(yùn)行溫度可以有效地減少負(fù)載損耗。當(dāng)變壓器的運(yùn)行溫度下降20K時(shí)，負(fù)載損耗將降低10%左右。除此以外，降低變壓器運(yùn)行溫度不僅可以延長其使用壽命，還可以使得變壓器的過載能力得到提高。

1變壓器冷卻方式分類

1.1干式冷卻

1.1.1空氣冷卻

世界首臺干式變壓器出現(xiàn)于1885年，當(dāng)時(shí)的變壓器主要是以空氣作為制冷劑。這種冷卻方式最大的缺點(diǎn)是對絕緣空隙和絕緣材料的要求較高。1886年，匈牙利研制出閉合磁路變壓器，也是將空氣作為絕緣材料和制冷劑。由于當(dāng)時(shí)的加工工藝比較落后，這種冷卻方式限制了變壓器的大型化發(fā)展。1935年，西屋公司加強(qiáng)了繞組的絕緣性，使得工作電壓提升至15kV。隨后，西屋公司于1941年推出了全封閉式干式變壓器。這種變壓器的適用范圍大大增加，但它的局限性也不可忽視。1966年，聯(lián)邦德國首次研制出絕緣材料為環(huán)氧樹脂的變壓器，大大減小了空冷式變壓器的體積，對于變壓器的發(fā)展具有重要意義。

1.1.2SF6氣體冷卻

1982年，MOORECL首次提出了以SF6氣體作為變壓器的絕緣材料和制冷劑。1990年，這種變壓器進(jìn)入了中國香港市場。SF6氣體的安全性高，價(jià)格低廉。相比于空氣，它的絕緣性能更好，熱容僅為0.64kJ/（kg·K）。SF6氣體冷卻變壓器的容量較低，在城市居民生活區(qū)內(nèi)使用較多。由于SF6氣體的換熱能力不強(qiáng)，故在大型變壓器的冷卻系統(tǒng)中很少應(yīng)用。為了增強(qiáng)SF6變壓器的散熱能力，有些公司會在冷卻器內(nèi)接通冷卻水來強(qiáng)化換熱，但這種冷卻效果很有限。SF6氣體的熱容低是其致命的缺點(diǎn)。為了增強(qiáng)換熱效果，一般會增大箱體內(nèi)的風(fēng)扇功率。這不僅會增加箱體造價(jià)成本，還會帶來更大的噪聲。在我國，干式變壓器的適用范圍廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

1.2液體冷卻

1.2.1水冷卻

水冷卻是一種局部冷卻方式，其原理是在變壓器上配置水冷器，并將水冷器安裝在線圈外部，通過水循環(huán)來實(shí)現(xiàn)冷卻。因此，其只能冷卻變壓器的表面溫度，內(nèi)部無法降溫，且冷卻裝置與熱源的熱交換面積較小，散熱效果有限。另外，其冷卻液對絕緣性能要求較高，成本較為昂貴。

1.2.2油冷卻

油冷式變壓器出現(xiàn)于20世紀(jì)初期，由于液體相比于氣體具有更高的換熱系數(shù)，而在各種液體制冷劑中，油的電絕緣性較高，所以大多數(shù)電力公司選擇油冷式變壓器。在油冷式變壓器運(yùn)行過程中，冷卻油吸收鐵心和繞組線圈中產(chǎn)生的熱量，流動(dòng)到散熱器內(nèi)，通過對流和輻射的換熱方式將熱量散到外界環(huán)境，從而起到冷卻變壓器的作用[10]。油冷變壓器可以根據(jù)是否配有液泵、風(fēng)機(jī)等動(dòng)力裝置來分類，可分為油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷式等。

1.3蒸發(fā)冷卻

目前，蒸發(fā)冷卻變壓器的制冷工質(zhì)可分為3類：一是全蒸發(fā)制冷劑，其沸點(diǎn)較低，常壓下蒸發(fā)過程可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，變壓器內(nèi)部容易形成較大的溫度梯度;二是固體填料式制冷劑，是在蒸發(fā)劑中添加固體填料，來實(shí)現(xiàn)控制相變速度的目的;三是混流式制冷劑，是在蒸發(fā)劑中加入液體介質(zhì)，使得混合液體的絕緣性和換熱能力增強(qiáng)。根據(jù)工作原理的不同，蒸發(fā)冷卻變壓器可以大致劃分為噴淋式、隔離式、浸漬式3類。蒸發(fā)冷卻對制冷劑的要求較高，制冷劑的沸點(diǎn)需要與變壓器的運(yùn)行工況相匹配，有較高的汽化潛熱和良好的傳熱性;同時(shí)還要求化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒無腐蝕、不易燃、絕緣性好。

2基于PLC的智能冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)存在的問題，在提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用硬件+算法的融合方式進(jìn)行針對性解決。首先，針對變壓器特性，摒棄傳統(tǒng)多接觸器件拼裝的硬件架構(gòu)。采用基于嵌入式單片機(jī)工藝的PCL控制芯片作為智能控制核心芯片，同時(shí)配合電子繼電器，電子溫控感應(yīng)器、高精度傳感器與多路電子空開構(gòu)建控制點(diǎn)骨架，內(nèi)部傳統(tǒng)控制連接線，采用集成電路工藝進(jìn)行集成化封裝處理，達(dá)到簡化線路，降低線路自身熱量對變壓器溫度檢測的影響。

2.1PLC智能調(diào)控平臺創(chuàng)建設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在硬件部分采用嵌入式PCL單片機(jī)STM8S003F3P6智能芯片，作為硬件控制核心CPU芯片。通過集成電路板集成電路，連接負(fù)責(zé)對變壓器模擬量數(shù)據(jù)采集的高精度傳感器，接入負(fù)責(zé)變壓器溫度采集的DS18B20Z溫度感應(yīng)器，接入16組JQC-3FF-S-H中間電子繼電器，在硬件電路輸出點(diǎn)接入3組A9N19823 C120H多路電子空開。1）在硬件設(shè)計(jì)中，采用上位機(jī)RS485通信接口作為數(shù)據(jù)傳輸接口，保證了變壓器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步接收處理。同時(shí)，PLC智能調(diào)控平臺還滿足多模組平臺對接的特點(diǎn)，可根據(jù)變壓器工作電壓大小，自定義硬件平臺數(shù)量，最大限度的節(jié)省硬件架設(shè)空間與成本。針對傳統(tǒng)調(diào)控系統(tǒng)硬件對變壓器狀態(tài)信號感應(yīng)滯后的問題，設(shè)計(jì)的硬件平臺中采用高精度傳感器對弱項(xiàng)非電信號，如 0～21 mA或5～21 mA的弱流信號，為后續(xù)算法優(yōu)化提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。至此，PLC智能調(diào)控平臺創(chuàng)建完畢。

2.2引入電子變量算法

通過上述硬件平臺的創(chuàng)建，在數(shù)據(jù)采集檢測方面解決了傳統(tǒng)冷卻調(diào)控系統(tǒng)純機(jī)械接觸元件自身不足造成的數(shù)據(jù)采集反饋滯后的問題。

結(jié)束語

基于嵌入式單片機(jī)的變壓器智能冷卻系統(tǒng)，能夠有效解決調(diào)控精準(zhǔn)度低的問題。具有較高的可行性，滿足設(shè)計(jì)需要，為變壓器冷卻調(diào)控研究提供了新的設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐志平，史建平.一種新型變壓器冷卻系統(tǒng)智能監(jiān)控裝置的研究[J].變壓器，2017，44（3）：67–69.

[2]杜璞良，杜欣慧.鋼鐵企業(yè)中變壓器投切控制節(jié)能策略研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2017，34（10）：78–82+295.

（作者單位：國網(wǎng)新疆電力有限公司檢修公司）