电力变压器油温智能控制系统设计

2022-07-22张春丽王伟奇穆家祥

现代制造技术与装备 2022年5期

张春丽王伟奇穆家祥刘潇

（湖北三峡职业技术学院，宜昌 443199）

社会发展日新月异，对电能的需求剧增。输电方面要求高压输电，以降低电压和功率损耗，需要升压变压器。用电方面要求低压用电，以求安全和低成本，需要降压变压器。升压变压器和降压变压器都是电力变压器，它们在输配电系统中应用广泛。电力变压器运行中必然有损耗，这些损耗以热能形式散发出来，会使变压器温度升高。一旦变压器温升超过允许值，就会损害绕组的绝缘，使变压器油劣化而降低使用寿命，甚至威胁电网的安全运行[1]。

1 散热温控系统

早期的电力变压器的风冷装置主要由继电器和接触器等构成，利用简单的逻辑来改变冷却器的运行状态与运行数量，缺陷明显。比如，温度在一个值内浮动会使控制系统频繁开断，速度过快时甚至产生火花，而相连接的电机也会因接触器开断而不断启停，严重影响设备的使用性能[2]。该风冷装置由复杂的逻辑线路与附件组成，运行过程很容易因为线路复杂而产生错误操作，导致系统运行出现故障。随着现代建设进入新时期，企业生产对供配电系统的要求不断提高。严把变压器油温控制关，已经内化为供配电系统未来发展的主流[3]。

如今的风冷却散热方式主要是改变散热器装置的速度来变动空气流动速度，使变压器运行产生的热量快速散去，确保热量不会被设备吸收，且温度上升慢，易于控制变压器的油温。

2 温控系统设计

2.1 系统总体设计

温控系统由变压器负荷信号、油面温度、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、上位PC 机、固态继电器、潜油泵、变频器及冷却风机组成[4]。本设计围绕PLC 编程体系开展，用高性能、通信功能强大的PLC 替代传统的接触器，消除了接触器频繁开断所导致的故障，并为每一台冷却风机配置对应的变频器以控制冷却风机的转速，利用变频器的保护功能提高冷却器的效率，保证电网的稳定运行。PLC 总体接线如图1 所示。通过冷却风机分组控制，合理转换电机，以降低全负荷运行时间与能耗。当油温下降时，变频器控制电机低速运行；当油温升高时，电机加速运行[5]。PLC 采集器油面温度与负荷电流是控制系统的主要输入信号。油面温度通过温度计采集数据，利用互感器记录负荷电流。PLC 处理信号后，通过程序算法将输出信号发送给继电器与变频器，使之进行投切与调速，分别控制潜油泵与冷却风机。此外，可以在组态王中进行监控。

2.2 硬件设备选择

变压器油面温度由油面温度计测量，利用温度变化改变风机的速度，强迫油导向循环风冷系统上限油温不超过80 ℃，选择温度计应超过100 ℃。可选BWY-804J（TH）的油面温度计，测温范围为0 ～150 ℃，防护功能良好，适用于变压器的检测。根据规定，变压器的冷却器必须有独立的两路电源供电，当一路工作状态出现问题时，开关自行切换，快速投入另一路电源恢复供电[6]。因此，选择本身的运行能够提供信号监测冷却器电源的DTQ6 型开关。传统温控系统通常使用三相接触器作为控制潜油泵的启停。运行环节，接触器通断会产生火花而毁坏触头[3]。具体操作中电压过低会导致触头吸附不了而烧毁，引发安全事故。固态继电器可以弥补传统接触器的缺陷，因此选择SA3-4080D 型号固态继电器，24 V 直流。变压器冷却系统需要监测潜油泵的故障情况，选择TM101 电机保护潜油泵。因为TM101 电机能精准测量电流与电压等数据，具备极高的稳定性、可靠性、完善的保护功能和通信功能，启动方式多达6 种。变频器能够调节电机的速度和功率，以减少损耗，此处选择西门子变频器MM440 系列。该系列有两个模拟输入端和输出端，可以选择通过外界信息或内部信息改动频率，为电机提供良好的保护。该设备具备RS-485 通信端口，能够直接通过西门子PLC S7-200 控制变频器传输与下载参数。人机交换界面是变压器油温智能控制系统的重要组成部分，选择组态王实现对现场的控制，以画面、数据来模拟实物，具备仿真运行功能[7]。

2.3 系统冷却的软件设计

当变压器处于正常运行状态时，元器件不断摩擦动作产生热量。变压器油吸收这些热量后，高温油浮在顶层。潜油泵可以将上层热油吸收到冷却器中冷却，将冷却好的油送上去，再将吸进来的热油冷却，完成强迫油循环。冷风机通过加快空气流动带走变压器油的热量，加快变压器油的冷却，以降低油温。由于油温变化比负荷变化滞后，负荷变化后油温开始明显变化，而风机散热反应不及时。通过潜油泵的配合可减少温度的变化，正常情况下只需要一台潜油泵即可保证油流的正常[8]。变频控制中PID 控制器使用最多且是闭环系统，因此也被称为PID 调节。温控系统的控制能够减少设备的不必要故障，最大限度提高变压器的使用寿命。

2.4 控制系统功能设计

控制系统软件架构完成后，合理设计上位智能控制系统和底层运动控制系统。在人机交互界面加入冷却系统监控，实现温度与负荷监控、温度实时控制与智能优化，合理设计用户登录界面。用户通过人机交互界面监控变压器冷却系统，交互界面与主控程序之间的信息交换协议需要根据数据属性来定义[9]。此外，变频运动控制模块将信号传输给变频器，变频器驱动系统运动。PLC 借助通信协议接入实现系统控制，实时掌控变频器启停与故障监测。

2.5 智能模糊设计

借助PLC 主控程序将控制信号传输给变频器，在变频器的驱动下制动系统。系统为散热设置2 组电动机组，每组4 台冷却风扇，能够实现可变频运行和恒速运行控制，并设计成变频循环运行方式以起到节能等效果。系统下发指令后，先启动一台冷却风扇作变速冷却风扇来冷却变压器油温[10]。当变频器输出频率达到50 Hz 后，检查散热情况。倘若系统自动散热不能满足需要，则退出变频状态，系统进入人工频运行模式，启动另一台冷却风扇变频运行循环，形成一拖四运行散热模式[11]。模糊控制有温差较大（PT）、温差适中（ZT）、温差较小（NT）、负荷较大（PT）、负荷适中（ZT）和负荷较小（NT）。

根据模糊控制规则，使用Mamdani 算法，综合算法取最大，得到模糊控制查询结果，如图2 所示。基于数据查询表，结合PLC 控制系统，设计PLC 的模糊控制查询表完成程序设计。