【正文】 大型電力變壓器冷卻裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 緒論 1 電力變壓器冷卻裝置設(shè)計(jì)的意義 1 電力變壓器冷卻裝置的發(fā)展 3 傳統(tǒng)的電力變壓器冷卻裝置 3 現(xiàn)有的電力變壓器冷卻裝置 5 繼電式電力變壓器冷卻裝置的缺陷 6 本次設(shè)計(jì)主要完成內(nèi)容 7第2章 變壓器冷卻控制裝置原理 8 冷卻裝置的組成部件和作用 8 冷卻裝置應(yīng)滿足的要求 9 變壓器運(yùn)行允許溫度 10 變壓器運(yùn)行允許溫升 11 變壓器溫度限值 11 對變壓器的冷卻裝置的要求 12 冷卻裝置二次接線應(yīng)滿足的要求 12 變壓器冷卻裝置設(shè)計(jì)原理 13第3章 變壓器冷卻控制裝置的硬件設(shè)計(jì) 14 硬件總體設(shè)計(jì) 15 硬件系統(tǒng)部件設(shè)計(jì) 16 單片機(jī)的選擇 16 溫度采集電路 22 外圍設(shè)備保護(hù)電路 27 A/D轉(zhuǎn)換電路 29 輸出控制電路 32 通訊電路 35 鍵盤和顯示電路 37 電源電路 40 光電隔離技術(shù) 41 冷卻裝置風(fēng)扇控制的實(shí)現(xiàn) 43第4章 軟件設(shè)計(jì) 45 系統(tǒng)流程圖 45 綜合投切模塊 47 按鍵模塊 48 通訊模塊 49 LCD1602顯示模塊 50第5章 硬件電路仿真 51結(jié) 論 56致 謝 57參考文獻(xiàn) 58附 錄 60CONTENTSABSTRACT IABSTRACT IIChapter 1 Introduction 1 The meaning of power transformer cooling device design 1 The development of power tranformer cooling device 3 The traditional power transformer cooling device 3 The existing power transformer cooling device 5 Relay type power transformer cooling device defects 6 The design mainly plete content 7Chapter 2 Transformer cooling control principle 8 Components and function of the cooling unit 8 Cooling unit shall meet the requirements 9 Transformer operation allows the temperature 10 Transformer operation allows the temperature rise 11 Transformer temperature limit 11 Requirements for transformer cooling device 12 Cooling device for secondary wiring shall meet the requirements 12 Transformer cooling device design principle 13Chapter 3 Hardware design of the transformer cooling control mechanism 15 The hardware system design 15 Hardware system ponents design 16 The choice of MCU 16 Temperature acquisition circuit 22 Peripheral protection circuit 27 A/D conversion circuit 30 Output control switch circuit 32 Communication circuit 35 The keyboard and display circuit 37 Power circuit 40 Photoelectric is olation technology 41 The realization of the cooling fan control 43Chapter 4 Software design 45 System flowchart 45 Comprehensive cutting module 47 Key scan module 48 Communication module 49 LCD 1602 display module 50Chapter 5 Hardware circuit simulation 51Conclusion 56Thanks 57References 58Appendix 60IV第1章 緒論在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電力的重要性日益突出。人們的生活、工業(yè)的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)的需要都離不開電，而電力變壓器作為供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，它的性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。它對電能的經(jīng)濟(jì)傳輸、靈活分配和安全使用具有重要的意義。因此，更加安全的使用電力變壓器就顯得十分重要，尤其是保證變壓器維持低的油溫是電力變壓器安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，所以配備功能齊全的冷卻裝置更加重要。目前對變壓器冷卻裝置的研究比較多，本文將提出我的設(shè)計(jì)方案，希望對電力系統(tǒng)的用電可靠性有所幫助。 電力變壓器冷卻裝置設(shè)計(jì)的意義由于變壓器冷卻裝置介于變電一次設(shè)備與二次設(shè)備之間，變壓器制造廠家的研發(fā)重點(diǎn)在于變壓器的結(jié)構(gòu)，一般不會考慮冷卻裝置的問題，而二次設(shè)備生產(chǎn)廠家只注重繼電保護(hù)、變電站直流系統(tǒng)等電網(wǎng)主設(shè)備，根本不會涉及到變壓器的冷卻裝置，從而造成變壓器冷卻裝置的研發(fā)比較滯后于其他技術(shù)。[1]電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)部件是由鐵心、繞組和絕緣所組成。變壓器是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的裝置，轉(zhuǎn)換過程中必然有能量損失，損失的能量大部分表現(xiàn)為熱能。具體來說變壓器有負(fù)載損耗，包括直流損耗和渦流損耗。變壓器運(yùn)行時(shí)其鐵耗、銅耗和附加損耗都轉(zhuǎn)變成熱量，使鐵芯、繞組等部件溫度升高。因此為了保證電力變壓器的安全運(yùn)行，需要裝設(shè)油箱、冷卻裝置和保護(hù)裝置來對變壓器進(jìn)行冷卻降溫。其中，油箱是油浸式變壓器的外殼，變壓器主體放在油箱中，箱內(nèi)充滿變壓器油。鐵心是磁力線的通路，起集中和加強(qiáng)磁通的作用，同時(shí)以支持繞組；繞組是電流的通路，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在油枕和油箱的聯(lián)管上裝有瓦斯繼電器，來反應(yīng)變壓器的內(nèi)部故障。冷卻裝置是將變壓器運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去的設(shè)備，同時(shí)也是本文主要研究的內(nèi)容。傳統(tǒng)的繼電式冷卻裝置的優(yōu)點(diǎn)在于裝置造價(jià)低廉，但缺陷是控制器件，邏輯控制功能低下，無通訊和保護(hù)功能；維護(hù)難度大，自動化水平低，安全運(yùn)行水平低。如何克服原有變壓器冷卻裝置的缺陷，尤其是提高變壓器冷卻裝置的自動化水平，使變壓器冷卻裝置能夠很好的集成，是電力部門急待解決的問題。新的變壓器冷卻裝置正是為了克服傳統(tǒng)冷卻方式而應(yīng)運(yùn)而生的。油浸式變壓器的散熱過程是：先由熱傳導(dǎo)將鐵心、繞組內(nèi)部的熱量傳到其表面，然后傳到油，再通過油的自然對流不斷的將熱量帶到油箱、散熱器油管的內(nèi)壁，再通過熱傳導(dǎo)把熱量傳到油箱、散熱器油管的外表面，之后再通過輻射和對流將熱量散發(fā)到周圍的空氣中。而強(qiáng)迫油循環(huán)變壓器的散熱過程則是：用潛油泵將油上送入鐵心中或繞組間的油道中，使其中的熱量直接由具有一定流速的冷油帶走，而變壓器上層的熱油用潛油泵抽出，經(jīng)冷卻器冷卻后再送入變壓器油箱底部，強(qiáng)迫變壓器油進(jìn)行油循環(huán)冷卻，從而實(shí)現(xiàn)變壓器冷卻的目的，使變壓器在安全的溫度下運(yùn)行。一般情況下，各種冷卻裝置的配置情況一般由變壓器的電壓等級來決定。35kV以下的電力變壓器冷卻裝置采用不吹風(fēng)散熱器的自然冷卻裝置；110kV變壓器的冷卻裝置一般采用吹風(fēng)散熱器；而220kV及以上的電力變壓器冷卻裝置采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷或水冷的冷卻裝置。[2]因?yàn)楸疚氖菍?20KV大型電力變壓器進(jìn)行冷卻控制，所以基于上述的文字?jǐn)⑹?，我們選擇強(qiáng)迫油風(fēng)扇冷卻的控制方式來設(shè)計(jì)冷卻裝置。 電力變壓器冷卻裝置的發(fā)展隨著電力變壓器容量與電壓等級的不斷提高，以前普及的常規(guī)冷卻裝置開始不斷暴露出許多缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)成為大型電力變壓器發(fā)展的障礙。因此，開發(fā)更多新型的冷卻裝置迫在眉睫。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力變壓器冷卻裝置從空氣冷卻、變壓器油冷卻直到蒸發(fā)冷卻都在不斷的發(fā)生變化中，新的冷卻裝置也在不斷的孕育中。 傳統(tǒng)的電力變壓器冷卻裝置世界上最早的變壓器冷卻方式是十九世紀(jì)后期出現(xiàn)的以空氣作為冷卻和絕緣介質(zhì)的變壓器，1876年世界第一臺以空氣冷卻的變壓器誕生了。1885年匈牙利成功制造了具有閉合磁路的電力變壓器，采用的也是空氣冷卻。但是當(dāng)時(shí)變壓器的電壓等級和絕緣水平都很低，其容量也小。直到1965年，以空氣為冷卻方式的變壓器有了質(zhì)的飛躍。環(huán)氧樹脂是一種不燃的固體絕緣材料，其絕緣強(qiáng)度高，運(yùn)行噪音小，無需保養(yǎng)維修，關(guān)鍵是其耐熱性高，適應(yīng)高污穢、高溫、潮濕的環(huán)境。從80年代開始，以日本為首的科學(xué)家開始研究生產(chǎn)以蒸發(fā)冷卻為主的變壓器。由于加工技術(shù)的限制以及缺乏合適的絕緣材料，這種變壓器很難向大型發(fā)展。為了有效的冷卻變壓器，采用油代替了空氣，變壓器油的耐電強(qiáng)度、傳熱性能比空氣的要好的多，熱容量也相對于空氣大得多，這樣可以在不改變變壓器體積的同時(shí)增大它的容量。油浸式變壓器由于冷卻能力大，繞組、鐵心溫度分布均勻，是變壓器的主要發(fā)展方向?，F(xiàn)代大型電力變壓器冷卻裝置的發(fā)展方向主要分冷卻劑的革新和冷卻方式的革新，冷卻方式的革新以冷卻劑的革新為前提。目前已開發(fā)生產(chǎn)的每一種冷卻劑都有缺點(diǎn)，絕緣效果好的散熱效果差，散熱效果好的絕緣效果差。因此，在沒有發(fā)現(xiàn)更好的冷卻劑之前，冷卻方式的革新非常重要。我國早期生產(chǎn)的水冷卻器和風(fēng)冷卻器是60年代末至90年代初較為廣泛應(yīng)用的。當(dāng)時(shí)的水冷卻器銅管與管座采用漲管技術(shù)，從制造技術(shù)到運(yùn)行應(yīng)用水平都不高，給變壓器安全運(yùn)行帶來一定的影響，發(fā)生了冷卻器凍壞、冷卻器差壓繼電器彈性膜漏水、冷卻器水管滲漏等一系列問題。經(jīng)過制造部門和運(yùn)行部門共同努力，這些問題逐一得到解決，運(yùn)行也逐步穩(wěn)定。但水冷卻器的水漏入油中的問題難以從根本上解決。因此，80年代初，用風(fēng)冷卻方式代替水冷卻方式的改造在不少變壓器上得以實(shí)施，這一改造收到了安全可靠、維護(hù)工作量小的效果。 油浸式變壓器根據(jù)油的循環(huán)方式的不同可以分為：自然循環(huán)式、強(qiáng)迫循環(huán)式和強(qiáng)油導(dǎo)向式；根據(jù)散熱器冷卻方式的不同可分為：自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫水冷等，這幾種油循環(huán)和冷卻方式之間可形成多種組合。小容量變壓器一般采用自然風(fēng)冷卻方式，變電所的大容量變壓器一般采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻。在電廠里如果水源充足，強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻和強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻都有使用。傳統(tǒng)的變壓器冷卻裝置多由繼電開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動控制，此處拿自動控制強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷裝置來舉例子。（1）電源數(shù)量為兩套，兩套互相協(xié)助。其中一套為備用電源，防止另一套故障影響整個(gè)裝置的運(yùn)行。（2）裝置的啟停是利用轉(zhuǎn)換開關(guān)與繼電器連鎖動作實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“工作”擋，繼電器線圈通電合閘，潛油泵和風(fēng)扇開始動作。反之，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“停止”擋，繼電器線圈失電分閘，潛油泵和風(fēng)扇相應(yīng)停止工作。（3）輔助散熱器的投入與停止也與上面相同，將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“輔助”擋，散熱器的投入與停止就是由變壓器的負(fù)荷和溫度變化來自動控制。（4）相同的原理，備用散熱器的投入與停止也是這樣。就看轉(zhuǎn)換開關(guān)如何動作，相應(yīng)的接觸器線圈得電與失電控制潛油泵和風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）發(fā)生故障時(shí)，信號指示燈發(fā)出直流燈光信號。[3] 現(xiàn)有的電力變壓器冷卻裝置 目前，國內(nèi)變壓器主力廠沈陽、保定、西安及合資廠ABB、西門子等，其變壓器出廠時(shí)配置的強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻控制裝置的工作原理、邏輯回路、主要元器件的選配大致類似，差異很小。其主要部件采用常規(guī)的電磁式交流繼電器、常規(guī)模擬式溫控器、組合開關(guān)、交流接觸器、熱偶等，將強(qiáng)迫油循環(huán)的油泵和強(qiáng)風(fēng)冷卻的風(fēng)機(jī)按組劃分為運(yùn)行、輔助與備用三種狀態(tài)，正常時(shí)起動運(yùn)行機(jī)組，變壓器溫度高時(shí)起動輔助機(jī)組，運(yùn)行機(jī)組或輔助機(jī)組故障時(shí)起動備用機(jī)組；采用兩路獨(dú)立交流主供電源，互為備用。這種傳統(tǒng)的繼電式控制裝置的突出優(yōu)點(diǎn)在于控制裝置造價(jià)低廉。突出缺陷是控制器件、邏輯控制功能低下，無通訊和保護(hù)功能；執(zhí)行元件觸點(diǎn)多，接觸不良，交流接觸器、熱偶等損壞率較高；電機(jī)保護(hù)問題一直未根本解決，尤其是缺相保護(hù)幾乎起不到作用。1998年河南一家公司開發(fā)研制了利用集成電路和晶閘管構(gòu)成的變壓器冷卻裝置，它將數(shù)字集成電路作為控制部件代替常規(guī)的繼電器邏輯控制回路，用晶閘管代替了交流接觸器，溫度控制仍采用常規(guī)模擬溫控器，完成冷卻機(jī)組的邏輯控制和保護(hù)。此種裝置邏輯復(fù)雜，使用元件多，維護(hù)困難；風(fēng)冷控制裝置安裝在室外，工作環(huán)境惡劣，電子元件的抗干擾能力差，故障率高，控制裝置幾乎不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，國內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)冷控制裝置仍以傳統(tǒng)的繼電式控制裝置占絕大多數(shù)，類似河南公司的冷卻裝置仍在研發(fā)階段，投入正常使用的基本沒有。國外變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻裝置的研究與國內(nèi)沒有太大差異，目前還沒有查閱到更先進(jìn)的強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻裝置。[4] 繼電式電力變壓器冷卻裝置的缺陷 目前國內(nèi)的大型電力變壓器冷卻裝置大部分仍沿襲傳統(tǒng)的繼電式控制模式，這種裝置存在的主要弊端是：（1）冷卻裝置控制回路存在一定的設(shè)計(jì)缺陷；（2）因溫度硬觸點(diǎn)控制引起冷卻裝置組頻繁啟動和停止；（3）熱繼電器對冷卻裝置組的保護(hù)功能不全；（4）冷卻裝置組設(shè)定為運(yùn)行、輔助、備用、停止四種固定狀態(tài)，不能隨時(shí)在線調(diào)整；（5）繼電式開關(guān)故障率高；（6）無法與調(diào)度自動化通訊，