基于PLC的智能變壓器冷卻監控系統設計

洪序平，盧鶴敏，徐 瀚，趙 寧，柯常軍

（1.福清核電有限公司，福建 福清 350318；2.陜西金源自動化科技有限公司，西安 710304）

0 引言

變壓器作為變電站中核心的高壓電氣設備[1]，其主要功能是變換電壓等級、輸送交流電能。由于變壓器中能量和電壓的轉換，難免會發生鐵損、銅損，產生大量的熱能。變壓器長期工作在高溫環境中，會降低其帶負載能力，加速變壓器元器件和絕緣材料的老化，影響使用壽命[2]。

目前，特高壓變電站對變壓器主要采用的是強油循環風冷的方式。它是目前散熱效果最好，散熱量最高的一種冷卻方式[3]。但傳統的控制監測系統中繼電器的數量多、型號雜，極大地增加了故障概率和維護成本。同時，繼電器的故障也易導致冷卻器工作電源和啟停元器件發生故障。近年來，隨著PLC 模塊集成的功能越來越強大，在工程系統的改造升級中常常用到[4]。

本文介紹了一種以斷路器為線路保護元件，三相電力采集模塊為參量監測元件，PLC 模塊為控制核心的變壓器新型智能冷卻監控系統。該系統不僅能精準監測冷卻系統運行狀況，還可控制冷卻系統的自動工作，降低故障發生率，有效延長變壓器的使用壽命，為變壓器的可靠運行提供了保障。

1 裝置系統與結構

1）智能冷卻監控系統

JY-BQFK 系列新型智能變壓器冷卻系統主要由冷卻器和智能監控裝置組成，采用可編程控制器為核心控制元件。監測元件與傳感器采集到的油溫、負載電流、啟停狀況等系統運行參數輸送到智能監控裝置。智能監控裝置根據輸入的各種系統運行信息對冷卻器進行驅動控制，并通過以太網絡將信息傳遞給集控中心，接收集控中心的控制信號。智能監控裝置由可編程控制器（PLC）、觸控屏、通信模塊等組成，結構如圖1 所示。

圖1 智能監控裝置的結構框圖Fig.1 Structural block diagram of intelligent monitoring device

2）變壓器冷卻裝置結構

每臺變壓器冷卻裝置包含3 臺風機和一臺潛油泵，以及溫度計座、油流繼電器、蝶閥等元件。

3）控制柜結構

控制柜作為變壓器冷卻監控系統的載體，主要包括PLC 模塊、模擬量擴展模塊、通信模塊、繼電器、照明裝置、開關電源、溫度控制儀、操作按鈕、指示燈等元器件。控制柜門板上安裝有觸控屏和控制按鈕，極大地方便了維護人員的操作以及對設備狀態的實時監控。通過觸摸屏可以便捷查看冷卻系統的各項參數，進行參數的設定并通過開關和按鈕直接控制。控制柜外觀如圖2 所示。

圖2 控制柜外觀圖Fig.2 Appearance of control cabinet

2 監控系統設計

1）PLC 控制模塊

PLC 全稱為可編程控制器，是一種數字運算操作的電子系統，是專為工業環境下的應用而設計的控制器。PLC是在電氣控制技術和計算機技術的基礎上開發出來的，并逐漸發展成以微處理器為核心，將自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業控制裝置[5]。

新型變壓器冷卻系統的控制核心則采用PLC 模塊結構，模塊化設計使該設備可具有多種控制功能。整個控制系統根據實現功能劃分，可劃分為16 個模塊，其中包含三相電力采集模塊（U10）、輸出模塊（U7）、油溫信號控制模塊（U2）、負荷監控模塊（U16）等，可實現協同管理，集中控制。系統采集變壓器所有冷卻信號并進行實時監測，將采集的模擬量變換為PLC 可識別的數字量信號，控制開關跳閘和冷卻器的切投。PLC 模塊外部與以太網相接，可實現遠程信息通訊功能，通過網絡實現遠程監控運行和故障信息，進行運行參數設置和狀態設定。PLC 裝置具有適應力強、智能化等特點，使供電安全性和變電站綜合自動化水平得到顯著提升[6]。

2）各種傳感器

傳感器作為測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的有效信號。現場傳感器將實時采集到的物理量信息轉換并輸出為4mA ～20mA 的標準電流信號，通過專用電纜傳送到PLC 控制柜中。監控系統中主要傳感器安裝位置如下：

① 在控制柜中安裝溫度、濕度傳感器和壓力傳感器，監測環境溫、濕度和氣壓變化。

② 在供電電路上安裝開停傳感器。

③ 在頂層油面上和集油室安裝油溫表，監測油面溫度。

④ 在潛油泵和風扇電機上安裝綜合電量采集裝置，對電流、電壓等電量參數進行采集。

⑤ 在負載線路上，由變壓器套管式電流互感器采集電流信號。

⑥ 在風機潛油泵排油管路上安裝壓力傳感器，監測潛油泵油壓。

3）雙電源及冷卻器自投

系統采用三相電力采集模塊（如圖3）代替傳統電源監測繼電器，是不再依賴接觸器輔助觸點的判斷方式，具有抗干擾能力強、可靠性高、判斷及定位更為精準等特點。而三相電力采集模塊為PLC 控制器的擴展模塊，即PLC 控制器對電源的運行信息直接采集判斷，通過輸出模塊U7 的1、2 端口分別控制KS1 與KS2 繼電器，從而分別實現兩段電源的自動控制。采用三相電力采集模塊即PLC 擴展模塊直接與兩段電源相連，使產生誤判的幾率大大降低。并且當PLC 故障時繼電器失磁，備用電源和冷卻器也會自動投入，安全性得到極大提高。

圖3 三相電力采集模塊Fig.3 Three phase power acquisition module

4）變壓器負荷監控

如圖4 所示的負荷電流監測模塊（U16）通過對負荷電流監測，PLC 模塊自動控制輔助冷卻器啟停。

圖4 負荷電流監測模塊Fig.4 Load current monitoring module

圖4中的電流互感器分為總回路與分支回路，分別放置在電源輸入端與輸出端口，可對電流信號進行分析。輸出端的電流總和應等于輸入端的總電流，當相差太多，則可判斷出中間回路有發熱部位，消耗一部分電能，可及時發出報警信息，進行檢修。并且當系統檢測到變壓器過負荷電流值達到2.68 值時，PLC 控制器控制輔助1 冷卻器依次逐臺延時啟動；當過負荷電流值達到4.46 值時，輔助2冷卻器依次逐臺延時啟動（兩閾值根據現場運行狀況設置），當負荷回到設定值80%，輔助冷卻器退出運行。

5）油溫監控

變壓器采用強迫導向油循環風冷裝置來應對變壓器油液溫升問題，油溫監測至關重要。油浸式變壓器的運行溫度主要指的是變壓器上層油溫和變壓器繞組溫度[7]。測量對象為變壓器頂層油溫，而絕緣老化現象最嚴重的位置是靠近變壓器繞組端部的某個位置。由于無法精準地定位和測量，往往采用變壓器繞組溫度進行替代。

系統由油溫表對變壓器上層油面溫度以及繞組溫度進行監測。當運行中的變壓器上層油面#1 油溫表溫度≥60℃時，在PLC 控制下處于“輔助1”模式冷卻器相繼延時啟動；當#1 油溫表溫度＜55℃時，“輔助1”模式冷卻器退出。

當運行中的變壓器上層油面#2 油溫表溫度≥60℃時或繞組溫度表溫度≥90℃時，處于“輔助2”模式冷卻器相繼延時啟動；當#2 油溫表溫度＜55℃且繞組溫度表溫度＜85℃時，“輔助2”模式冷卻器退出。

采用PLC 對變壓器冷卻裝置的控制，可以通過編程實現對油溫的精確控制功能，極大簡化了系統接線，完善了對冷卻器的保護和控制。

6）控制柜工作環境智能監控

控制柜作為PLC 控制模塊和通信模塊等關鍵元器件的集成，保證其工作環境的穩定相當關鍵[8]。控制柜中安裝了溫度控制儀、濕度控制儀和除濕照明裝置。控制柜工作環境智能監控可有效保護核心PLC 元件，避免因溫度變化或潮濕等因素造成柜內電器元件損壞或加速老化，從而影響整個系統的可靠性。

柜內照明采用限位開關自動控制，溫濕度采用空調和智能型溫濕度監測模塊兩套系統控制。正常運行時為空調控制，通過智能溫濕度檢測控制單元，根據溫濕度參數設置和柜內運行溫濕度采集量對比，實現加熱器和箱體風機的切投。當空調失效時，可拆除軸流風機擋板，通過加熱除潮把手投入溫濕度監測模塊，對頂部軸流風機和底部加熱板進行自動或手動控制。

7）跳閘保護

如圖5 所示，當變壓器運行時，I、II 段電源消失或所有冷卻器/風機應到達運行溫度時卻未運行，此時發出“冷卻器全停故障”遠方信號的同時，啟動20min 和60min 兩段延時跳閘，20min 后開始監測變壓器上層油溫信號。若變壓器上層油溫高于75℃信號開入，直接發出跳閘出口；當變壓器上層油溫低于75℃時，60min 后發出跳閘出口。控制系統根據油溫控制兩段延時跳閘，確保變壓器和冷卻系統安全停止工作。跳閘保護控制圖如圖5 所示。

圖5 跳閘保護控制圖Fig.5 Trip protection control diagram

3 結語

基于PLC 的新型智能冷卻監控系統，避免了因使用繼電器所產生的元件老化和運行環境缺陷，可實時監測運行狀態并自動控制相關裝置運行，具有雙電源及冷卻器自投、變壓器油溫和負荷監控、跳閘保護等自動監控功能，可及時發現潛在故障，延長變壓器設備使用壽命，減少了運行維護人員工作量。隨著電網可靠性運行要求的不斷提高，本系統在核電站的應用可以有效維護變壓器運行工況的穩定，保障電廠機組運行的安全性和經濟性，對于變電站的自動化發展具有重要意義。