水电厂干式变压器温度控制系统应用研究

周 佳，肖贵银，丁泽涛

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都610051）

0 前言

干式变压器特性优良，其安全运行和使用寿命很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器运行温度的监测及其报警控制、跳闸保护是十分重要的。

1 应用现状

1.1 基于温控仪式的温度控制系统

干式变压器常用温控设备——温控仪，其结构简单、体形较小。一般采用单片机技术，利用预埋在干式变压器三相绕组中的Pt100铂热电阻来检测及显示变压器绕组的温升，并具有相应的报警及控制功能，能够自动启停冷却风机对绕组进行强迫风冷，以保证变压器运行在安全状态。

Pt100铂热电阻工作原理为，当PT100在0℃环境温度下，其阻值为100Ω，它的阻值会随着温度上升而呈近似匀速的增长。Pt100铂热电阻分度表计算如下。

Rt=R0×（1+A×t+B×t2）（0 ℃≤t＜850 ℃）

其中Rt为温度是t时的电阻值，R0为温度是0℃时的阻值；A，B为常系数，其中A=3.9083E-3，B=-5.775E-7。

温控仪的可靠性，基本依靠Pt100铂热电阻。铂电阻采集温度信号传输至温控仪，温控仪将采集的温度值进行一定的校准和抗干扰处理，再传递给模数转换回路（A/D转换），将模拟量信号转换成数字信号，即将非电信号的温度值，经过采样、保持、量化、编码等步骤处理，变成数字信号。数字信号经过温控仪的核心部件单片机处理回路，将电信号进行有效的多路处理，一路传输至显示模块，用于现地显示实时温度，一路传输至控制模块，用于报警、跳闸等输出控制。同时该电路能有效地判别系统开路等故障信号，发出告警。温控仪的逻辑结构如图1所示。

图1 温控仪系统逻辑结构图

常规的温控仪可以同时采集3个RTD信号，通过特定的RTD线缆，借助D25插头与温控仪对接，可以三相巡回测量并显示测量值。设备能对自身状态进行监视并输出故障告警，兼有超温报警、超温跳闸显示并输出的控制作用，同时与干式变压器的冷却风机配合使用，根据温度定值启停风机，调节变压器的内部温度。

干式变压器的温度监视点一般是三相均要监视，且每相均要监视前部、后部绕组，每台干式变压器可以配置2套温控仪，1套监视三相前部温度，1套监视三相后部温度。配置有风机的变压器，则与温控仪搭配使用。温控系统自身告警、超温报警、超温跳闸的信号则送至计算机监控系统或者发变组保护系统，用于监视报警或者控制。同时，干式变压器会单独增设同型号、同数量、同监测点配置的Pt100铂热电阻，直接将温度量送至计算机监控系统，用于变压器温度的实时显示。

部分温控仪会有一些新功能，例如具备电信号输出功能，在接收到Pt100铂热电阻信号后，经内部处理输出4～20mA的标准电流信号，通过D9插头送出，或者经内部处理输出通信信号，通过RS485通信送出，也用于变压器温度的实时显示。

1.2 基于温控箱式的温度控制系统

干式变压器的温度控制系统，除了使用温控仪外，应用较多的则是温控箱。所谓的温控箱，首先其结构与温控仪不相同，设备大小不相同，其次其核心部件是温度监视器，再者其现地测控元件是PTC热敏电阻。

PTC热敏电阻也叫正温度系数热敏电阻器，是敏感元件的一类，特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值，其电阻值随着本体温度的升高呈现出阶跃性的增加，温度越高，电阻值越大。热敏电阻的电阻—温度特性可用以下公式表示。

Rt=Rt0expBp（t-t0）

其中Rt为温度是t时的电阻值，Rt0为温度是t0时的电阻值，Bp为制作热敏电阻材料的原料常数。水电厂干式变压器选取的热敏电阻，常规情况下其温度与阻值定值如表1所示，或者根据实际情况进行定制，设定符合现场实际情况。

表1 热敏电阻定值参考表

温度监视器，主要接收位于变压器高/低压侧线圈内的热敏电阻信号，输出各种信号，与中间继电器搭配，开出超温报警、超温跳闸、风机启停的动作命令。温控箱的控制原理如2所示，K表示控制回路电源开关，RW、RT为测量点的热敏电阻，其中RW代表超温报警，RT代表超温跳闸，W、T为温度监视器内与其对应的辅助接点，温度低于跳变点时，接点为断开状态，当高于跳变点时，则接点闭合，导通回路。J1、J2为中间继电器，J1代表输出的超温报警继电器，J2代表输出的超温跳闸继电器，H1～H3为状态指示灯，H1代表温控箱电源正常，H2代表超温报警，H3代表超温跳闸。热敏电阻的监测点根据现场实际需求进行布置，一般会监测干式变压器的低压侧三相温度，三相超温报警电阻串联，三相超温跳闸电阻串联，任一相出现异常，均会触发报警或跳闸信号。

同理，除了使用温控箱外，一般也会单独增设同数量、同监测点配置的Pt100铂热电阻，直接将温度量送至计算机监控系统，用于变压器温度的实时显示。

图2 温控箱控制原理图

2 研究分析

现在市面上、行业内使用的温控系统，均采用温控箱式结构、温控仪式功能的新产品——温控器，其核心仍然是温控仪。不管是温控仪，还是温控箱，二者在运行、维护过程中都有一些不足之处。

根据NB/T35010-2013《水力发电厂继电保护设计规范》中部分内容要求，干式变压器绕组温度保护分为温度升高和温度过高两级，温度升高动作于信号，温度过高动作于断开变压器各侧断路器。由此可见，水电厂干式变压器的温控系统是很重要，且是非常必要的，必须采取保护联动逻辑。但是在落实这项规程规范前，我们必须结合实际情况研究分析以下几个问题。

2.1 温控仪输出接点的匹配性

水电厂常用的温控仪，其输出信号自身告警、风机控制、超温报警、超温跳闸，均是继电器触点输出，触点容量大部分为交流220V电压等级、直流24V电压等级，例如3A/250VAC或7A/24VDC。实现温度升高动作于信号，基本可以满足需求，温控仪的超温报警信号可以接入计算机监控系统现地控制单元，其开关量输入模块为24VDC电压等级。至于超温跳闸信号，也可以送入计算机监控系统，再由监控系统开出断开变压器各侧断路器命令。但是在水电厂中，继电保护的稳定可靠性能高于计算机监控系统，尤其在逻辑保护方面。然而继电保护系统其控制回路为220VDC电压等级，可能存在与超温跳闸辅助触点容量不匹配问题，则需要综合考虑其匹配性，确保设备运行稳定。

2.2 温控箱温控功能的局限性

温控仪具备现地巡屏显示变压器温度的功能，但是温控箱则暂不具备该功能，虽然它与温控仪一样单独配置了Pt100铂热电阻，直接将温度量上送远方监视，但只有逻辑报警与保护的功能。温控箱虽然有热敏电阻与温度监视器、中间继电器配合使用，稳定性能方面毋庸置疑，但是与温控仪对比，就会存在一定局限性，缺少现地显示功能。同时，配合使用的中间继电器，也是采取同温控仪类似的继电器触点输出，也会存在触点容量与控制回路电压等级匹配问题。所以在使用温控箱时，要充分考虑其局限性。

2.3 温控系统保护源的单一性

如前文所说的，落实NB/T 35010-2013《水力发电厂继电保护设计规范》的要求，不管是温控仪、还是温控箱，普遍性的做法是将输出的超温报警信号上送监控系统，用于报警监视，将输出的超温跳闸信号上送至继电保护系统，动作于断开变压器各侧断路器。二者都可以将变压器所有监测点的超温报警、超温跳闸信号串联或者并联输出，确保每一相不遗漏或者避免某一相误动作。但是这样的做法，其可靠性完全是依靠温控仪或者温控箱自身性能，没有选取第三方来监视对比，仅仅是用Pt100铂热电阻做为实时量监视。

2.4 温控系统优化改进方案

针对上述所提出的一些问题，可以对干式变压器温控系统优化改进。计算机监控系统的兼容性特别强大，智能化的水电厂利用监控系统实现对全厂设备的监视、调节与控制，这就为本规划建议提供了支撑平台。功能原理配置如图3所示，每套干式变压器配置1套温控仪（带Pt100铂热电阻）、1套温控箱（带PTC热敏电阻）、1组Pt100铂热电阻，所有开关量、模拟量信号全部上送计算机监控系统，既避免了辅助触点容量匹配性问题，也避免了整体功能局限性问题。运用计算机监控系统的内部运算逻辑，同时判断三路来源信号，即温控仪超温报警、温控箱超温报警、温度量定值越限报警（温度高），则输出变压器温度高报警信号，实现变压器温度高报警信号预警。同理超温跳闸信号，同时判断三路来源信号，即温控仪超温跳闸、温控箱超温跳闸、温度量定值越限报警（温度过高）触发后，既实现变压器温度过高报警信号预警，也要将跳闸输出送至继电保护，由继电保护出口，完成温度过高动作于断开变压器各侧断路器，保护变压器不会因温度过高而受损。

图3 温控系统优化配置图

3 结语

干式变压器温控系统的可靠性直接关系到变压器的安全稳定运行，性能稳定，功能全面，是其最基本也是最突出的特点。同时也要不断优化其扩展功能，联动发变组保护系统、计算机监控系统，构成整套完善的控制逻辑，能同时对变压器的三相绕组进行实时温度测量、监视、告警、调节、跳闸保护等，为水电厂的安全生产奠定坚实的基础。