【正文】 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 1 畢業(yè)論文 基于 PLC大型電力變壓器冷卻控制的研究 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 2 第一章 引言 電力變壓器是發(fā)電廠和變電所的最重要設備之一。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和電壓等級的提高，在電能輸送過程中，電壓轉換層次有增多的趨勢，要求系統(tǒng)中的變壓器總量己由過去的 5— 7 倍發(fā)電總容量，增加到 9— 10 倍發(fā)電總容量。因此，變壓器能否正常運行對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著至關重要的作用。 變壓器的效率雖然很高，但系統(tǒng)中每年變壓器總的電能耗仍然是一個相當大的數(shù)目。變壓器的損耗主要是銅耗和鐵耗，而這些損耗最終均轉化為熱量，從而使變壓器的油 溫和鐵心溫度升高。變壓器的銅耗和鐵耗產生的熱量主要以傳導和對流的方式向外擴散，變壓器運行時，各部分的溫度分布極不均勻。分析與測試均表明，變壓器產生的熱量 80%以上集中于繞組和鐵心，它直接影響著變壓器的出力。通過計算以及運行實踐證明，變壓器最熱點溫度維持在 98℃以下時，變壓器能獲得正常使用年限 (20— 30 年 )。根據(jù)研究，變壓器繞組每升高 6℃，使用年限將縮短一半，此即所謂的絕緣老化 6℃規(guī)則 [1] ?？梢姡瑴囟葘ψ儔浩鞯氖褂脡勖兄陵P重要的影響。分析與計算表明，變壓器損耗的增加與其額定容量的 3/4 次方成比例，而冷卻表面的增加只與額定容量的 1/2 次方成比例。可見，變壓器的容量越大，其散熱問題就越突出。因此，如何使變壓器最大限度地散熱，是變壓器生產廠家的重要課題，也是電力部門在生產運行中需要特別關注的問題。因此要對變壓器進行冷卻控制 [3]。 論文的背景和意義 在輸變電系統(tǒng)中，變壓器是實現(xiàn)電能轉換的最基本、最重要的設備，對供電可靠性有著重大的影響。變壓器在運行中是有損耗的，一種是空載損耗，它與負荷大小無關 。另一種是負載損耗，與負載電流的平方成正比。變壓器運行中產生的損耗將轉換為熱量散發(fā)出來，使變壓器繞組、 鐵芯和變壓器油溫上升。變壓器的溫升影響它的帶負荷能力，同時會加速變壓器繞組和鐵芯所采用絕緣材料的老化，影響它的使用壽命。 變壓器運行中所帶負荷隨時都在發(fā)生變化，這將使變壓器的損耗也隨之發(fā)生變化，從而造成變壓器油溫的變化；同時不管是一年四季環(huán)境氣溫的變化，還是每天晝夜氣溫的變化，也都造成了變壓器油溫的變化。為了保證變壓器安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟的運行，要隨時檢測變壓器的油溫并由冷卻控制裝置控制冷卻器組運行來控制變壓器油溫的變化，使其油溫維持在一個固定的范圍內。但目前大型電力變壓器的冷卻控制仍然主要采用傳統(tǒng)的繼電式控制 方式，這種控制方式存在許多弊端：控制回路接線復雜、可靠性差、故障率較高、維護工作量大，造成冷卻器運行不均衡，影響冷卻器組使用壽命，同時不利于節(jié)能；變壓器負荷波動較大造成變壓器油溫變化時，因采用溫度硬觸點控制，造成冷卻器組頻繁啟停，降低了冷卻器組的河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 3 使用壽命 ,同時加重了油流帶電現(xiàn)象；不能對冷卻器風扇、油泵電動機提供完善的保護。繼電式控制裝置因控制系統(tǒng)故障而使變壓器冷卻系統(tǒng)帶病運行，嚴重地影響了變壓器的可靠運行，已不適應于現(xiàn)如今電網(wǎng)的發(fā)展。本課題針對存在的問題提出并研制了基于 PLC 的大型變壓器冷卻控制裝置 [4]。 PLC 具有可靠性高、抗干擾能力強、功能強大、智能化等優(yōu)點，采用 PLC 實現(xiàn)變壓器冷卻裝置的控制，可以實現(xiàn)對變壓器油溫的精確控制；控制功能通過編程實現(xiàn)，極大的簡化了系統(tǒng)接線，提高了裝置本身的可靠性；完善了對冷卻器的保護和控制，提高了它的可靠性和工作壽命；此外還可以通過通信實現(xiàn)遠方監(jiān)視冷卻系統(tǒng)運行。隨著對電網(wǎng)安全可靠運行要求的不斷提高，本文提出的基于 PLC 的大型變壓器冷卻控制裝置的研制，對變壓器及電網(wǎng)安全、可靠運行有重要意義和實用價值 [26]。 冷卻控制裝置研究現(xiàn)狀 目前國內運行的電力變壓器冷卻及其 控制裝置現(xiàn)狀的分析和研究。文獻分析了我國大型電力變壓器冷卻裝置配置情況、運行特點和對變壓器運行的影響，電力負荷變化和環(huán)境氣溫變化造成的變壓器運行中溫度變化和對變壓器運行影響的分析。強迫油循環(huán)風冷變壓器電源自投切換回路運行的分析，并針對缺陷提出了具體的改造措施，為冷卻裝置的可靠供電提供了保障。有文獻提出了單負載雙電源切換控制及缺相保護控制電路和雙負載雙電源切換控制電路的原理和實現(xiàn)方法，對冷卻控制裝置電源控制部分的設計提供了借鑒。強迫油循環(huán)風冷變壓器油流帶電問題的研究 [9]。從試驗的角度對變壓器局部放電現(xiàn)象進行 相關試驗并測量結果，從試驗結果上對油流帶電現(xiàn)象進行了分析和探討，并提出了一些預防及改善油流帶電現(xiàn)象的措施。從理論角度分析變壓器油流帶電產生的原理，并對影響油流帶電的因素和產生條件進行了分析，同時也提出了一些預防及改善油流帶電現(xiàn)象的措施。針對繼電式控制裝置存在的問題和設計上存在的缺陷很多文獻針對具體故障分析故障原因，提出了具體的改造措施和方案，在運行中取得了一定的效果。由于繼電設備自身的局限問題，改造不能大幅度提高控制裝置的安全可靠性和實現(xiàn)先進的功能和控制策略，但文獻提出的冷卻控制裝置的問題和改造思路、方案對 設計開發(fā)具有指導意義 [10]。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 4 第二章 變壓器的冷卻方式 及控制系統(tǒng)運行分析 變壓器風冷控制策略 變壓器的使用壽命主要取決于其絕緣介質的絕緣強度，而絕緣介質的絕緣強度在長期運行過程中受物理和化學作用的影響會出現(xiàn)絕緣老化。這種絕緣老化受溫度、濕度、氧氣和油中劣化物的影響，其中溫度是促成絕緣老化的直接和主要原因，變壓器運行溫度越高，則絕 緣老化速度就越快 [8]。研究表明，對于采用 A 級絕緣的變壓器，當最熱點溫度為 98℃時，變壓器能獲得正常預期壽命 20— 30 年，而溫度每升高 6℃，則變壓器壽命縮短一半， 此即所謂的絕緣老化 6℃規(guī)則。根據(jù)絕緣老化 6℃規(guī)則，如維持變壓器繞組熱點溫度在 98℃，可以獲得正常預期壽命。實際上繞組溫度受氣溫和負荷波動的影響，變化范圍很大，如果將繞組最高允許溫度規(guī)定為 98℃，則大部分時間內，繞組溫度達不到此值，亦即變壓器的負荷能力未得到充分利用。反之，如果不規(guī)定變壓器的最高容許溫度，或者將該值規(guī)定過高，則變壓器又可能達不到正常的預期壽命。工程上是利用等值老化原則來解決這一問題的，即在一部分運行時間內，根據(jù)運行要求，允許繞組溫度大于 98℃，而在另一部分時間內使繞組溫度小于 98℃。只要使變壓 器在溫度較高的時間內所多損失的壽命，與變壓器在溫度較低時間內所少損失的壽命相互補償，則變壓器的預期壽命可以和恒溫 98℃運行時的壽命等值。變壓器運行時，其發(fā)熱部分為繞組和鐵芯，因而在變壓器各部分中，繞組和鐵芯溫度是最高的。鐵芯溫度高于繞組溫度，而在高度方向的 50%以上，繞組溫度高于鐵芯溫度，且繞組最熱點溫度高于鐵芯最熱點溫度，因此，變壓器運行規(guī)程上規(guī)定繞組最熱點溫度不得越限。國標 GB109471中規(guī)定 A級絕緣的變壓器其繞組對空氣的溫升是 65℃，而最高環(huán)境溫度為 40℃，則繞組最熱點的溫度限值為 65+40=105℃。如果繞組溫度保持在 105℃，則根據(jù) 6℃規(guī)則其使用壽命將降低一倍還多。但這是變壓器的極限溫度，由于環(huán)境溫度一般小于 40℃，所以變壓器工作在105℃的時間是很少的，根據(jù)等值老化原則，這時不應當限負荷。通過上述分析可知，變壓器的散熱問題直接影響到變壓器的負荷能力和使用壽命，如何有效地對變壓器實施風冷控制，以保證繞組熱點溫度不超過規(guī)定值是一個非常重要的問題。對于自然油循環(huán)風冷變壓器而言，繞組散熱是借助于變壓器油的循環(huán)而實現(xiàn)的，從溫度測量方面看，繞組溫度不易測量，工程上都是采用測量油溫的方法，因此，根據(jù)油溫進行 風冷控制是一個很自然的思路，即當油溫較高時，控制冷卻風扇開啟，而當油溫較低時，控制冷卻風扇退出 [7]。 變壓器的冷卻方式 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 5 主要有自然油循環(huán)自冷、自然油循環(huán)風冷、強迫油循環(huán)風冷和強迫油循環(huán)水冷四種散熱方式 [8]。第一種冷卻方式主要是小型配電變壓器采用，不涉及風冷控制問題。第四種冷卻方式只在個別大型變壓器上采用，目前包頭供電局尚無此種冷卻方式的變壓器。第二、三種冷卻方式是變電站廣泛采用的散熱方式。自然油循環(huán)風冷散熱方式是利用變壓器繞組及鐵心發(fā)熱后，本體內的油形成對流，油流經(jīng)散熱器后，由冷卻風扇吹 出的風將熱量帶走，從而達到散熱的目的，這種冷卻方式主要用于中小型變壓器 。 強迫油循環(huán)風冷散熱方式通過油泵的作用，使變壓器內的油被迫快速循環(huán)，在油流經(jīng)散熱器時，由冷卻風扇吹出的風將熱量帶走，這種冷卻方式主要用于大中型變壓器， 它 是在油浸自冷式的基礎上，在油箱壁或散熱管上加裝風扇，利用吹風機幫助冷卻。加裝風冷后可使變壓器的容量增加 30%～ 35%。 強迫油循環(huán)冷卻方式，它是把變壓器中的油，利用油泵打入油冷卻器后再復回油箱。油冷卻器做成容易散熱的特殊形狀，利用風扇吹風或循環(huán)水作冷卻介質，把熱量帶走。這種方式若把油的循環(huán) 速度比自然對流時提高 3倍，則變壓器可增加容量30%,因此采用 強迫油循環(huán)冷卻方式 對大型電力變壓器進行冷卻控制。 強油循環(huán)風冷主變壓器 提出了一種以 AT89C51 單片機和固態(tài)繼電器 SSR 為主要控制器件的強油循環(huán)風冷變壓器冷卻系統(tǒng)自動控制裝置的原理和實現(xiàn)方法 [8]。裝置以變壓器負荷、油面溫度結合的控制策略，進行冷卻器的投切控制，以冷卻器組累積運行時間基本均衡為原則進行循環(huán)投切。介紹了自動投切功能模塊的軟件設計和通訊模塊軟件設計。裝置還具有保護、故障定位、信息顯示、通訊等功。能試驗運行表明，該裝置運行可 靠，控制準確，具有顯著節(jié)能、延長設備壽命效果 [40]。 強油循環(huán)風冷卻器及控制器的結構和工作原理 [9] 冷卻系統(tǒng)是變壓器的重要組成部分，它的工作保證了變壓器各部分的溫度保持在規(guī)定值以內。強迫油循環(huán)風冷卻系統(tǒng)由風冷卻器和風冷控制控制裝置兩部分組成，下面就對冷卻系統(tǒng)這兩部分的工作原理及我國運行大型變壓器冷卻裝置的配置和特點進行分析和介紹。 現(xiàn)行大型變壓器冷卻裝置的配置和缺陷 目前我國大型電力變壓器冷卻裝置的配置情況是：根據(jù)變壓器容量的大小，配置數(shù)組強油風冷卻器，每組風冷卻器由 1臺油泵和 3～ 4臺風扇組成。運行中為滿足變壓器的各種運行工況，一般要求冷卻器 1 臺備用（運行冷卻器故障時可自動投入運行）、 1臺輔助（變壓器負荷電流大于 70％額定電流或變壓器頂層油溫高于某一定值時自動投入運行）、其余所有冷卻器全部投入運行 [10]。 上述的冷卻裝置配置有其不盡人意的地方，在夏季高溫天氣時，變壓器滿負荷運行，變河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 6 壓器冷卻裝置全部投入，但其上層油溫仍高達 70℃左右。但在夜間尤其是在暴雨過后的夜間，因負荷和氣溫驟降，雖然已將變壓器輔助冷卻器停運，但變壓器油溫仍降至 30℃以下，也就是油溫的變化幅度超過了環(huán)境溫度的變化。 在冬季負荷較低或特別寒冷的季節(jié)，因油溫過低，不得不對其進行加油，這對變壓器的安全運行和壽命將十分不利，這些都對變壓器的運行和壽命產生不利影響，反映出現(xiàn)行配置的變壓器冷卻裝置存在的設計和使用上的缺陷 [10]。 風冷卻器控制線路存在的問題 現(xiàn)在運行的繼電式控制系統(tǒng)由于受所采用器件的約束、在設計和控制策略方面不夠完善，因此主變壓器經(jīng)常因風冷控制系統(tǒng)故障而帶病運行，嚴重地影響電網(wǎng)可靠運行。通過分析主要存在以下不足 [9]： 、接觸器和其他器件實現(xiàn)，控制裝置的線路復雜、接點接線較多，導致控制裝置可靠性低、故障率高，維護工作量大。 ，而繼電器常會出現(xiàn)線圈燒毀或接點燒死等故障，可靠性差，造成控制系統(tǒng)的可靠性不高。 。當主變負荷在某一范圍內波動時，測量主變負荷的電流繼電器或測量變壓器油溫的溫度繼電器會頻繁動作，將導致輔助冷卻器頻繁地啟停。如果輔助冷卻器的油泵、風扇電機啟動過于頻繁 ,還會進一步導致熱繼電器動作，從而使輔助冷卻器退出運行，這樣會縮短冷卻器電氣設備的使用壽命。同時，冷卻器 組的頻繁啟停還會加重變壓器油流帶電現(xiàn)象。 、輔助、備用和停止 4 種固定狀態(tài)不能在線調整。不能在線調整冷卻器組的狀態(tài)，將導致某些冷卻器組長期處于工作狀態(tài)，使冷卻器組尤其是油泵和風扇電機過疲勞運行，這對于冷卻器組的使用壽命和安全運行十分不利 [14]。 ，一方面造成啟動電流過大，另一方面多個潛油泵突然啟動