基于STM32的变压器风冷控制系统优化设计

2016-04-18吴学正黄一然

综合智慧能源 2016年11期

关键词：投切风冷油温

吴学正，黄一然

（国网河北省电力公司青县供电分公司，河北沧州 062651）

基于STM32的变压器风冷控制系统优化设计

吴学正，黄一然

（国网河北省电力公司青县供电分公司，河北沧州 062651）

目前，变压器风冷控制系统多采用可编程逻辑控制器（PLC）或数字信号处理（DSP）芯片作为控制核心，控制系统中考虑的影响因素较少。随着STM32系列芯片技术的发展，其以完全具备DSP芯片主要功能模块，并以低廉的价格成为自动控制领域中的重要元件。本设计参照现有变压器风冷控制系统，设计了以STM32为主控芯片的风冷控制系统。加入脉冲宽度调制（PWM）软启动、有差值裕度的投、切温度阀值、风机分组启停、按负荷及绕组温度投切、故障保护等多种功能，优化了变压器风冷控制系统，提高了风冷系统的可靠性，延长了其使用寿命。

风冷系统；差值裕度；故障保护；软启动

0 引言

变压器是电力系统的重要设备。目前，电力系统中的大容量变压器主要为油浸式。该类型变压器在运行中内部铁芯和绕组会产生部分损耗并以热能的形式传递出去，使变压器的温度升高。变压器温升影响其带载能力，同时也会加速绝缘老化，影响其使用寿命。变压器风冷系统对提高电力系统的可靠性，保证变压器安全可靠运行起着至关重要的作用。研究出经济高效的风冷控制系统对降低风冷系统故障率，延长风冷系统使用寿命具有重要意义［1-2］。

1 变压器风冷控制系统优化

1.1 主控芯片选择

控制变压器风冷系统的装置多采用单片机、可编程逻辑控制器（PLC）。近年来，数字信号处理（DSP）芯片以本身自带而无需另外扩展A/D转换模块、脉冲宽度调制（PWM）模块，可选多种通信接口，抗干扰能力强等优点代替了单片机和PLC成为控制风冷系统的主要元件。目前，随着STM32系列芯片技术的发展，以具备DSP芯片优点并以低廉的价格成为风冷控制系统的首选元件［3-4］。

1.2 风冷电机控制优化

1.2.1 风冷电机控制优化的必要性

电力变压器风冷系统主要由专用鼠笼式异步电动机和安装于电机转子轴端的轴流式风扇组成。风扇很少出现故障，大多数故障是由异步电动机或其控制箱引起的，其中95%的故障是由异步电动机造成［5-7］。因此，在设计变压器风冷系统时要考虑降低风冷电机磨损，延长电机寿命，从而降低故障率。

1.2.2 采用PWM软启动

不采用任何启动装置，直接加额定电压到定子绕组启动电机时，电动机转速迅速由零上升到额定转速，启动瞬间电机的电流可达额定电流的4～8倍，启动转矩可达额定转矩的2倍以上，这会严重影响电机的使用寿命。STM32芯片自带PWM功能模块，配合风冷系统电机驱动电路可实现异步电机软启动，降低电机启动电流，延长其使用寿命。

1.2.3 采用有差值裕度的投、切温度阀值

传统变压器风冷控制系统在控制风冷装置自动投、切时大多采用的方法是：设定一固定不变的温度阀值，变压器油温超过该值时继电器动作，投入风冷装置；油温低于设定值时切除风冷装置。这类方法的缺点是当变压器油温在温度阀值附近来回波动时，将致使风冷装置频繁投切［8］。

本文中变压器风冷控制装置采用一种新型的投切控制策略——有差值裕度的投、切温度阀值的投切控制，这种控制策略经证实可以有效地避免风机的频繁投切，从而延长风机使用寿命。

当变压器油温上升时，油温超过tt时，投入部分风冷装置；当变压器油温下降，油温低于tq，切除部分风冷装置；当变压器油温在tq～tt之间时，装置不做投切动作，如图1所示。

1.2.4 冷却风机分组启、停

冷却风机控制采用分组启、停方式，即将整台主变压器全部冷却风机分成2组或2组以上，冷却风机的投切按控制1组或多组风机同时启停进行。在需要投切风冷装置时参考累计运行时间和累计停止时间进行投切，如图2所示。实践证明该控制策略可减少风机启停次数。

累计运行时间是指风冷装置每次投入运行的时间。从风冷装置投入运行开始计时，风冷装置退出运行时清零，重新投入运行后重新开始计时［9-10］。同样，累计停止时间表示风冷装置每次退出运行的时间。

图1 有差值裕度的风冷装置投切示意

图2 冷却风机分组启停程序流程

1.3 根据变压器负荷、绕组温度投、切电机

变压器不能保证总是额定状态下正常运行，偶尔会出现超负荷或绕组温度超预定值现象，此时应结合变压器负荷、绕组温度情况对变压器风冷装置的投、切进行控制，这样既能最大限度发挥风冷装置的作用，又能保证不会因未及时发现变压器超负荷或绕组温度超预定值未及时采取措施而造成问题扩大。

1.4 风冷系统故障保护

故障保护功能对保证变压器安全运行至关重要。当变压器风冷系统故障使风冷电机全退时，控制系统将对风冷装置采取保护，如图3所示。t1，tr通常取值为20min，t2取值不超过1 h。

图3 冷却风机按负荷、绕组温度启停流程

2 风冷控制系统整体方案及程序流程

基于STM32的变压器风冷控制系统整体方案如图4所示。风机状态量不只包括风机的投、切状态量，还包括风机是否故障状态量。键盘控制可实现对风机状态的就地控制。RS-485串口实现STM32主控单元与上位机之间通信。RS-485串口在本地通信领域应用很广泛，在此不再赘述。

图4 冷却风机按负荷、绕组温度启停流程

3 结束语

随着变压器技术的发展出现了多种新型变压器，但油浸式变压器以其冷却能力强，绕组、铁心温度分布均匀，在电力系统中仍被广泛使用。风冷系统是大型油浸式变压器不可缺少的组成部分，对变压器的安全运行起至关重要的作用。经过论证，本设计具有完善的保护、监视、显示及通信功能，能够有效地降低风冷系统的故障率，从而延长变压器使用寿命，降低故障率。

［1］智能变电站技术导则：Q/GDW 383—2009［S］.国家电网公司，2009.

［2］郭振岩.中国变压器行业现状及应对措施［J］.变压器，2012，49（3）：43-47.

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（本文责编：齐琳）

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