智能冷却控制系统在超高压变压器中的应用

黄芝强，刘稳标，林娟

（正泰电气股份有限公司，上海 201614）

随着电网发展的需要，逐渐的朝超高压、智能化的方向发展，而超高压、智能化的电网就需要相适应的变压器。目前，节能降耗、绿色环保是社会发展的需要，电力设备同样如此。因此，一个智能化的冷却控制系统对于变压器来说同样重要。智能冷却控制系统能够帮助变压器降低辅机损耗，降低变压器低负荷时的运行噪音，提高风机的使用寿命，同时能够对冷却控制系统进行智能化且实时数字化的监控。

1 变压器的传统的冷却系统与智能冷却控制系统

电力变压器是一种通过改变电压而传输交流电能的静止感应电器。它有一个共用的铁心和与其交链的几个绕组，且他们之间的空间位置不变。当某一个绕组从电源接受交流电能时，通过电感生磁、磁感生电的电磁感应原理改变电压（同时改变电流，电压与电流成反比，即电压升高，则电流降低），在其余绕组上以同一频率、不同电压（电流）传输出交流电能。由于在电生磁、磁生电的过程中存在漏磁、涡流、磁滞等损耗，它们共同组成了变压器的空载损耗和负载损耗。

所有损耗最终均转换为热能，使变压器的铁心和绕组发热，导致变压器的温度升高。因此变压器如果靠自身散热，无法将多余的热量排除出去，就会导致变压器的温度长时间超过允许值，则变压器的绝缘迅速老化，绝缘容易损坏，有数据表明，变压器的温度每升高6℃，变压器绝缘的寿命将降低一半。即使绝缘还没有损坏，温度愈高，在电动力的作用下，绝缘越容易破裂，绝缘的性能越差，很容易被高电压击穿而造成故障。因此，变压器正常运行时，不能超过绝缘的允许温度，也就要求变压器的冷却系统运行可靠，这样才能保证变压器的正常运行。在大型电力变压器中，由于损耗很大，自身冷却（ONAN）不能满足其运行要求，所以目前大型变压器的冷却一般采用强迫风冷（ONAF）或强迫油循环风冷（OFAF）的方式，部分水质较好的水电站采用强迫水冷（ODWF）的方式进行冷却。除了采用自冷方式（ONAN）的变压器不需要风冷控制系统，其他如采用ONAF，OFAF还是ODAF的变压器都需要冷却控制系统来实现对冷却系统的控制。

根据行业标准《电力变压器运行规程》（DL/T-572-2010）的要求，变压器的冷却控制系统必须具备以下功能。

（1）冷却系统必须有两组独立的工作电源互为备用，并具有电气触电互锁功能。

（2）自动启动冷却系统的接点信号。

（3）按负荷或温度控制冷却系统的工作与停止。

（4）具有故障报警功能。

（5）具有手动控制功能，并且能在控制器失效情况下，手动控制冷却系统的功能。

控制系统大多由传统的低压元件如断路器、继电器或PLC（可编程逻辑控制器）等组成。在冷却控制系统中属于大脑，能够分析并提供信号来控制冷却设备。信号系统则提供信号采集、输出等功能，将信息提供给控制系统；风机和油泵则是冷却系统的执行者，接受控制系统的信号，通过工作和停止来达到控制冷却系统的目的。

传统的变压器冷却控制系统由诸多的接触器、中间继电器、空开等组成，以国家电网天津某变电站使用的SFSZ11-240000/220变压器的冷却控制系统为例。其控制系统采用的是传统的电器元件来实现，其控制系统中仅开关、继电器、断路器和接触器的数量就有69件。其控制系统有以下缺点。

（1）电器件多且复杂，相对故障率高，接线复杂，接点多。当任一元件发生故障时，均有可能导致变压器的冷却系统部分或全部停运，严重时会导致主变停运，造成重大的停电事故。

（2）自动化程度低，不够智能化。目前国网大力推广智能电网，国内新建220kV及以上电站大多为无人值守电站，对于变压器及其附件的智能化要求较高，当冷却系统出现故障时，不能提供故障的详细信息。

（3）功能单一，适用性不强。对于变压器的油温和负载电力等信号系统提供的参数的设定和修改都由硬件实现，参数的设定和修改不便，不能在线设定和修改。

（4）体积庞大，结构复杂。大都只能落地式安装，不能采用壁挂式安装在变压器上，导致对于控制系统壳体的防护等级、耐腐蚀性等要求提高。

近几年来，随着一些进口电器件的普遍采用和国产电器件的技术、工艺、生产水平的提高，由硬件质量问题引起的冷却控制系统故障在逐渐降低，但控制回路一直没有本质的改变。随着国网对于电力变压器，尤其是超高压电力变压器的冷却控制系统智能化的要求逐渐提高，传统的冷却控制系统的回路将进一步复杂，更加不利于检修人员的运行维护。

采用PLC的智能冷却控制系统除了含有CPU外，还配置了模拟量输入模块、模拟量输出模块、继电器类输入模块、继电器类输出模块和与上位机通讯用的RS485接口。PLC可编程控制器为整个智能冷却控制系统的核心。

相比于传统的变压器冷却控制系统，采用PLC的智能变压器冷却控制系统的优势十分明显。除了能够满足《电力变压器运行规程》中对于冷却控制系统的要求外，还能够实现以下功能。

（1）体积小，占地面积小，可采用壁挂式，内部结构简单，接线少，维护检修较为轻松。

（2）功能强大能够实现许多传统的变压器冷却控制系统所无法实现的功能。如逐一启动冷却设备，对于冷却设备进行定期轮换工作，将冷却系统的故障和运行状态传输给控制中心，能够接收非电量的信号，如0～20mA或4～20mA的电流信号。

（3）因为能够实现冷却设备的逐一启动和关停，避免了大量冷却设备的集中启动或关停对供电系统电网的冲击。

（4）更换状态灵活。基于PLC的风冷控制系统，如果需要对整个冷却控制系统进行更改，只需要重新编程输入PLC即可，无须对整个风冷控制系统进行拆解、安装、断电等。整个主变也可以在不断电的情况下更改，提高了电网的稳定性。

（5）全寿命成本低。即在整个变压器和冷却系统的全部使用寿命期间，其具有成本低于传统冷却系统的优势。

2 采用智能冷却控制系统的经济性分析

变压器的智能冷却控制系统较传统的冷却控制系统每套约贵2万元人民币左右，但是对于变压器的全寿命期间的成本计算，则智能冷却控制系统的经济性优势十分明显。

由于电网负荷在随时变化，其负荷的变化一般有以下几种：季节性负荷变化；冬夏两季制冷制热设备使用，农村夏季灌溉；日夜负荷变化；居民区夜间用电量的变化；工业区、商业区的日夜负荷变化；突发事件用电变化；大型活动用电变化；应急救灾；远期负荷变化；近期使用量小，远期大。在变压器维持低负荷运行时，发热量较少，此时相比于满负荷时，可以少开甚至不开冷却设备。而传统的冷却控制系统只能对冷却设备分组启动。无法根据负荷的变化，根据需要来启动相应数量的冷却设备。

以河南某500kV变电站3台单相ODFPSZ-250000/500变压器的负荷为例，有数据显示，其夜间负荷最低时仅为负荷高峰时的1/4。2011年上海某钢铁公司SFZ-63000/110变压器因短路引发燃烧，导致外部设备几乎全部损坏。其冷却控制系统由江苏某变压器公司设计生产，为采用传统的电器件控制，变压器采用ONAN/ONAF冷却方式，即自冷加风冷模式。由于此处事故中控制箱也烧毁，与该公司相关技术人员沟通后，采用智能冷却控制系统来控制。自2011年4月投运以来，与历年数据对比，平均节电29．5%，由此推算，风机的实际使用率约为70%。

3 使用前景

随着两网公司（国家电网公司和南方电网公司）大力推广智能、坚强电网的需要，在具备良好的全寿命经济性的优势的情况下，智能冷却控制系统的使用前景一片光明。2012年年初，国网下属的电力科学研究院就发布通知，开始进行智能变压器的检测与验证，其中智能冷却控制系统就是其中必须进行检测的内容。有数据显示，近两年国家电网和南方电网进行的集中招标采购的220kV及以上电力变压器中，智能冷却控制系统有逐步增多的趋势。

4 结语

智能冷却控制系统的发展趋势不可逆转，其使用上预计也将大规模的普及，相比于传统的控制系统优势明显。但是其使用中也有一定的局限性，如对于运行维护人员的素质要求更高，由于PLC及触控屏的存在，整个系统对于防护等级、环境条件的要求也更高。因此，合理的使用智能冷却系统才能为企业带来良好的经济效益。