電力變壓器油溫智能控制系統設計

張春麗 王偉奇 穆家祥 劉 瀟

（湖北三峽職業技術學院，宜昌 443199）

社會發展日新月異，對電能的需求劇增。輸電方面要求高壓輸電，以降低電壓和功率損耗，需要升壓變壓器。用電方面要求低壓用電，以求安全和低成本，需要降壓變壓器。升壓變壓器和降壓變壓器都是電力變壓器，它們在輸配電系統中應用廣泛。電力變壓器運行中必然有損耗，這些損耗以熱能形式散發出來，會使變壓器溫度升高。一旦變壓器溫升超過允許值，就會損害繞組的絕緣，使變壓器油劣化而降低使用壽命，甚至威脅電網的安全運行[1]。

1 散熱溫控系統

早期的電力變壓器的風冷裝置主要由繼電器和接觸器等構成，利用簡單的邏輯來改變冷卻器的運行狀態與運行數量，缺陷明顯。比如，溫度在一個值內浮動會使控制系統頻繁開斷，速度過快時甚至產生火花，而相連接的電機也會因接觸器開斷而不斷啟停，嚴重影響設備的使用性能[2]。該風冷裝置由復雜的邏輯線路與附件組成，運行過程很容易因為線路復雜而產生錯誤操作，導致系統運行出現故障。隨著現代建設進入新時期，企業生產對供配電系統的要求不斷提高。嚴把變壓器油溫控制關，已經內化為供配電系統未來發展的主流[3]。

如今的風冷卻散熱方式主要是改變散熱器裝置的速度來變動空氣流動速度，使變壓器運行產生的熱量快速散去，確保熱量不會被設備吸收，且溫度上升慢，易于控制變壓器的油溫。

2 溫控系統設計

2.1 系統總體設計

溫控系統由變壓器負荷信號、油面溫度、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、上位PC 機、固態繼電器、潛油泵、變頻器及冷卻風機組成[4]。本設計圍繞PLC 編程體系開展，用高性能、通信功能強大的PLC 替代傳統的接觸器，消除了接觸器頻繁開斷所導致的故障，并為每一臺冷卻風機配置對應的變頻器以控制冷卻風機的轉速，利用變頻器的保護功能提高冷卻器的效率，保證電網的穩定運行。PLC 總體接線如圖1 所示。通過冷卻風機分組控制，合理轉換電機，以降低全負荷運行時間與能耗。當油溫下降時，變頻器控制電機低速運行；當油溫升高時，電機加速運行[5]。PLC 采集器油面溫度與負荷電流是控制系統的主要輸入信號。油面溫度通過溫度計采集數據，利用互感器記錄負荷電流。PLC 處理信號后，通過程序算法將輸出信號發送給繼電器與變頻器，使之進行投切與調速，分別控制潛油泵與冷卻風機。此外，可以在組態王中進行監控。

2.2 硬件設備選擇

變壓器油面溫度由油面溫度計測量，利用溫度變化改變風機的速度，強迫油導向循環風冷系統上限油溫不超過80 ℃，選擇溫度計應超過100 ℃。可選BWY-804J（TH）的油面溫度計，測溫范圍為0 ～150 ℃，防護功能良好，適用于變壓器的檢測。根據規定，變壓器的冷卻器必須有獨立的兩路電源供電，當一路工作狀態出現問題時，開關自行切換，快速投入另一路電源恢復供電[6]。因此，選擇本身的運行能夠提供信號監測冷卻器電源的DTQ6 型開關。傳統溫控系統通常使用三相接觸器作為控制潛油泵的啟停。運行環節，接觸器通斷會產生火花而毀壞觸頭[3]。具體操作中電壓過低會導致觸頭吸附不了而燒毀，引發安全事故。固態繼電器可以彌補傳統接觸器的缺陷，因此選擇SA3-4080D 型號固態繼電器，24 V 直流。變壓器冷卻系統需要監測潛油泵的故障情況，選擇TM101 電機保護潛油泵。因為TM101 電機能精準測量電流與電壓等數據，具備極高的穩定性、可靠性、完善的保護功能和通信功能，啟動方式多達6 種。變頻器能夠調節電機的速度和功率，以減少損耗，此處選擇西門子變頻器MM440 系列。該系列有兩個模擬輸入端和輸出端，可以選擇通過外界信息或內部信息改動頻率，為電機提供良好的保護。該設備具備RS-485 通信端口，能夠直接通過西門子PLC S7-200 控制變頻器傳輸與下載參數。人機交換界面是變壓器油溫智能控制系統的重要組成部分，選擇組態王實現對現場的控制，以畫面、數據來模擬實物，具備仿真運行功能[7]。

2.3 系統冷卻的軟件設計

當變壓器處于正常運行狀態時，元器件不斷摩擦動作產生熱量。變壓器油吸收這些熱量后，高溫油浮在頂層。潛油泵可以將上層熱油吸收到冷卻器中冷卻，將冷卻好的油送上去，再將吸進來的熱油冷卻，完成強迫油循環。冷風機通過加快空氣流動帶走變壓器油的熱量，加快變壓器油的冷卻，以降低油溫。由于油溫變化比負荷變化滯后，負荷變化后油溫開始明顯變化，而風機散熱反應不及時。通過潛油泵的配合可減少溫度的變化，正常情況下只需要一臺潛油泵即可保證油流的正常[8]。變頻控制中PID 控制器使用最多且是閉環系統，因此也被稱為PID 調節。溫控系統的控制能夠減少設備的不必要故障，最大限度提高變壓器的使用壽命。

2.4 控制系統功能設計

控制系統軟件架構完成后，合理設計上位智能控制系統和底層運動控制系統。在人機交互界面加入冷卻系統監控，實現溫度與負荷監控、溫度實時控制與智能優化，合理設計用戶登錄界面。用戶通過人機交互界面監控變壓器冷卻系統，交互界面與主控程序之間的信息交換協議需要根據數據屬性來定義[9]。此外，變頻運動控制模塊將信號傳輸給變頻器，變頻器驅動系統運動。PLC 借助通信協議接入實現系統控制，實時掌控變頻器啟停與故障監測。

2.5 智能模糊設計

借助PLC 主控程序將控制信號傳輸給變頻器，在變頻器的驅動下制動系統。系統為散熱設置2 組電動機組，每組4 臺冷卻風扇，能夠實現可變頻運行和恒速運行控制，并設計成變頻循環運行方式以起到節能等效果。系統下發指令后，先啟動一臺冷卻風扇作變速冷卻風扇來冷卻變壓器油溫[10]。當變頻器輸出頻率達到50 Hz 后，檢查散熱情況。倘若系統自動散熱不能滿足需要，則退出變頻狀態，系統進入人工頻運行模式，啟動另一臺冷卻風扇變頻運行循環，形成一拖四運行散熱模式[11]。模糊控制有溫差較大（PT）、溫差適中（ZT）、溫差較小（NT）、負荷較大（PT）、負荷適中（ZT）和負荷較小（NT）。

根據模糊控制規則，使用Mamdani 算法，綜合算法取最大，得到模糊控制查詢結果，如圖2 所示。基于數據查詢表，結合PLC 控制系統，設計PLC 的模糊控制查詢表完成程序設計。

3 結語

本設計在仿真系統中進行了多次模擬應用，驗證了其對變壓器油溫控制的有效性，可確保油溫不超過允許值，使得變壓器安全運行，為供配電系統的發展提供了技術支持。