智能冷却控制系统在超高压变压器中的应用

楚修楠 张晗

【摘  要】传统的变压器冷却控制装置存在较多安全隐患，自动化水平低，无法满足无人值守变电站的需求。基于此，有必要深入研究基于可编程控制器PLC的电力变压器冷却控制装置，提出一种新型变压器风冷控制装置设计方案。

【关键词】智能冷却控制系统;变压器;应用

前言

变压器冷却技术的发展是加快变压器容量增长的关键环节。大量的研究数据表明，变压器的运行温度在很大程度上影响着负载损耗，降低变压器的运行温度可以有效地减少负载损耗。当变压器的运行温度下降20K时，负载损耗将降低10%左右。除此以外，降低变压器运行温度不仅可以延长其使用寿命，还可以使得变压器的过载能力得到提高。

1变压器冷却方式分类

1.1干式冷却

1.1.1空气冷却

世界首台干式变压器出现于1885年，当时的变压器主要是以空气作为制冷剂。这种冷却方式最大的缺点是对绝缘空隙和绝缘材料的要求较高。1886年，匈牙利研制出闭合磁路变压器，也是将空气作为绝缘材料和制冷剂。由于当时的加工工艺比较落后，这种冷却方式限制了变压器的大型化发展。1935年，西屋公司加强了绕组的绝缘性，使得工作电压提升至15kV。随后，西屋公司于1941年推出了全封闭式干式变压器。这种变压器的適用范围大大增加，但它的局限性也不可忽视。1966年，联邦德国首次研制出绝缘材料为环氧树脂的变压器，大大减小了空冷式变压器的体积，对于变压器的发展具有重要意义。

1.1.2SF6气体冷却

1982年，MOORECL首次提出了以SF6气体作为变压器的绝缘材料和制冷剂。1990年，这种变压器进入了中国香港市场。SF6气体的安全性高，价格低廉。相比于空气，它的绝缘性能更好，热容仅为0.64kJ/（kg·K）。SF6气体冷却变压器的容量较低，在城市居民生活区内使用较多。由于SF6气体的换热能力不强，故在大型变压器的冷却系统中很少应用。为了增强SF6变压器的散热能力，有些公司会在冷却器内接通冷却水来强化换热，但这种冷却效果很有限。SF6气体的热容低是其致命的缺点。为了增强换热效果，一般会增大箱体内的风扇功率。这不仅会增加箱体造价成本，还会带来更大的噪声。在我国，干式变压器的适用范围广泛，具有结构简单等优点。

1.2液体冷却

1.2.1水冷却

水冷却是一种局部冷却方式，其原理是在变压器上配置水冷器，并将水冷器安装在线圈外部，通过水循环来实现冷却。因此，其只能冷却变压器的表面温度，内部无法降温，且冷却装置与热源的热交换面积较小，散热效果有限。另外，其冷却液对绝缘性能要求较高，成本较为昂贵。

1.2.2油冷却

油冷式变压器出现于20世纪初期，由于液体相比于气体具有更高的换热系数，而在各种液体制冷剂中，油的电绝缘性较高，所以大多数电力公司选择油冷式变压器。在油冷式变压器运行过程中，冷却油吸收铁心和绕组线圈中产生的热量，流动到散热器内，通过对流和辐射的换热方式将热量散到外界环境，从而起到冷却变压器的作用[10]。油冷变压器可以根据是否配有液泵、风机等动力装置来分类，可分为油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式等。

1.3蒸发冷却

目前，蒸发冷却变压器的制冷工质可分为3类：一是全蒸发制冷剂，其沸点较低，常压下蒸发过程可以在很短的时间内完成，变压器内部容易形成较大的温度梯度;二是固体填料式制冷剂，是在蒸发剂中添加固体填料，来实现控制相变速度的目的;三是混流式制冷剂，是在蒸发剂中加入液体介质，使得混合液体的绝缘性和换热能力增强。根据工作原理的不同，蒸发冷却变压器可以大致划分为喷淋式、隔离式、浸渍式3类。蒸发冷却对制冷剂的要求较高，制冷剂的沸点需要与变压器的运行工况相匹配，有较高的汽化潜热和良好的传热性;同时还要求化学性能稳定、无毒无腐蚀、不易燃、绝缘性好。

2基于PLC的智能冷却控制系统设计

针对传统变压器冷却调控系统存在的问题，在提出的系统设计中，采用硬件+算法的融合方式进行针对性解决。首先，针对变压器特性，摒弃传统多接触器件拼装的硬件架构。采用基于嵌入式单片机工艺的PCL控制芯片作为智能控制核心芯片，同时配合电子继电器，电子温控感应器、高精度传感器与多路电子空开构建控制点骨架，内部传统控制连接线，采用集成电路工艺进行集成化封装处理，达到简化线路，降低线路自身热量对变压器温度检测的影响。

2.1PLC智能调控平台创建设计

系统在硬件部分采用嵌入式PCL单片机STM8S003F3P6智能芯片，作为硬件控制核心CPU芯片。通过集成电路板集成电路，连接负责对变压器模拟量数据采集的高精度传感器，接入负责变压器温度采集的DS18B20Z温度感应器，接入16组JQC-3FF-S-H中间电子继电器，在硬件电路输出点接入3组A9N19823 C120H多路电子空开。1）在硬件设计中，采用上位机RS485通信接口作为数据传输接口，保证了变压器数据的实时同步接收处理。同时，PLC智能调控平台还满足多模组平台对接的特点，可根据变压器工作电压大小，自定义硬件平台数量，最大限度的节省硬件架设空间与成本。针对传统调控系统硬件对变压器状态信号感应滞后的问题，设计的硬件平台中采用高精度传感器对弱项非电信号，如 0～21 mA或5～21 mA的弱流信号，为后续算法优化提供更为精准的数据。至此，PLC智能调控平台创建完毕。

2.2引入电子变量算法

通过上述硬件平台的创建，在数据采集检测方面解决了传统冷却调控系统纯机械接触元件自身不足造成的数据采集反馈滞后的问题。

结束语

基于嵌入式单片机的变压器智能冷却系统，能够有效解决调控精准度低的问题。具有较高的可行性，满足设计需要，为变压器冷却调控研究提供了新的设计思路。

参考文献：

[1]唐志平，史建平.一种新型变压器冷却系统智能监控装置的研究[J].变压器，2017，44（3）：67–69.

[2]杜璞良，杜欣慧.钢铁企业中变压器投切控制节能策略研究[J].计算机仿真，2017，34（10）：78–82+295.

（作者单位：国网新疆电力有限公司检修公司）