【正文】 工作原理和配置進(jìn)行分析和介紹。另外，裝置還設(shè)有按鍵與顯示。此種冷卻裝置不僅克服了現(xiàn)有冷卻裝置的弊端，而且運(yùn)行可靠、控制準(zhǔn)確，對變壓器的冷卻有相當(dāng)顯著的作用。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)。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。（4）相同的原理，備用散熱器的投入與停止也是這樣。（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。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。但水冷卻器的水漏入油中的問題難以從根本上解決。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。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。直到1965年，以空氣為冷卻方式的變壓器有了質(zhì)的飛躍。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。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。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。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。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。 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)。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。[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。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。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。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。[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。 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。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。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。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。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。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。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。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)。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。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。[5] 本次設(shè)計(jì)主要完成內(nèi)容本次設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)作為控制器件，溫度傳感器對變壓器溫度進(jìn)行檢測，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對檢測到的信號進(jìn)行處理后發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過程序中的判斷語句判斷需要投入冷卻的風(fēng)扇數(shù)。對風(fēng)扇工作的溫度限值可以隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行修改，而顯示就是讓溫度隨時(shí)反應(yīng)在LCD顯示屏上，以便工作人員的監(jiān)測與調(diào)控。 冷卻裝置的組成部件和作用目前我國大型電力變壓器的冷卻裝置配置情況是：根據(jù)變壓器容量的大小，配置數(shù)組風(fēng)冷油循環(huán)冷卻裝置，每組風(fēng)機(jī)油循環(huán)冷卻裝置由1臺潛油泵和1臺風(fēng)扇組成。強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻裝置（簡稱風(fēng)冷卻器）與油自然循環(huán)風(fēng)冷卻裝置的主要區(qū)別是采用潛油泵強(qiáng)迫油進(jìn)行循環(huán)，這樣油流速度加快，冷卻效率自然提高。 油流繼電器：它主要是用來監(jiān)測冷卻裝置中的潛油泵是否反轉(zhuǎn)、閥門是否打開和油流速度是否正常的保護(hù)裝置。 主控制箱：它是變壓器冷卻裝置的控制中樞，裝有主接觸、繼電開關(guān)和繼電器等。 變壓器運(yùn)行允許溫度 變壓器在運(yùn)行中要產(chǎn)生銅損和鐵損，這兩部分損耗最后全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使變壓器的鐵心和繞組發(fā)熱，變壓器的溫度升高。若變壓器的溫度長時(shí)間超過允許值，則變壓器的絕緣容易損壞。因此，變壓器正常運(yùn)行時(shí)，不允許超過絕緣的允許溫度。采用A極絕緣的變壓器，在正常運(yùn)行中，當(dāng)最高周圍空氣溫度在＋40℃時(shí)，變壓器繞組的極限工作溫度為105℃。當(dāng)變壓器絕緣的工作溫度超過允許值后，每升高8℃，其使用期限便減少一半，這就是8℃規(guī)則。因此，需要對變壓器的額定負(fù)荷時(shí)各部分的溫升作出規(guī)定，這就是變壓器的允許溫升。這是因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部的散熱能力不與周圍空氣溫度的變化成正比，變壓器內(nèi)部本地的散熱能力不能相應(yīng)地提高的緣故。當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度較低時(shí)，頂層油溫也相應(yīng)降低。（4） 強(qiáng)油循環(huán)變壓器，當(dāng)切除故障冷卻器時(shí)應(yīng)發(fā)出音響或燈光信號，并自動(水冷的可手動)投入備用冷卻器。（2）當(dāng)運(yùn)行中的變壓器頂層油溫或變壓器負(fù)荷達(dá)到規(guī)定值時(shí)，能使輔助冷卻器自動投入。（6）有變壓器風(fēng)扇和油泵的的保護(hù)裝置。（1）數(shù)據(jù)采集電路：數(shù)據(jù)采集主要應(yīng)用在溫度采集電路與保護(hù)電路這兩部分。（3）顯示電路：通過LCD屏幕顯示變壓器溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。介紹完了冷卻裝置的組成部分，接下來就是如何把它們總體的“組合”在一起，實(shí)現(xiàn)對變壓器的冷卻。單片機(jī)將系統(tǒng)的工作參數(shù)設(shè)置保存在存儲器中，在工作時(shí)可以隨時(shí)調(diào)用，而且可以長時(shí)間存儲。變壓器配備冷卻風(fēng)扇4組。溫度測量范圍為0—100℃，溫度采集精度為177。使用通訊實(shí)現(xiàn)變壓器冷卻控制裝置與遠(yuǎn)程控制室之間的數(shù)據(jù)通信。 單片機(jī)的選擇在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，使用單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，也設(shè)計(jì)了由硬件接線邏輯向存儲邏輯轉(zhuǎn)變的概念。今年來，PLC與單片機(jī)不斷更新發(fā)展，功能日益強(qiáng)大，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備。[9]單片機(jī)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性往往是用戶選擇控制裝置的首要條件。，應(yīng)用靈活由于產(chǎn)品均成系列化生產(chǎn)，品種齊全，多數(shù)采用模塊式的硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴(kuò)展方便，用戶可根據(jù)自己的需要靈活選用，以滿足系統(tǒng)大小不同及功能繁簡各異的控制要求。PIC系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)：（1）PIC單片機(jī)最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求。其中，PIC12C508單片機(jī)僅有8個(gè)引腳，是世界上最小的單片機(jī)。采用PIC的低價(jià)OTP型芯片，可使單片機(jī)在其應(yīng)用程序開發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市。（5）其引腳具有防瞬態(tài)能力。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。 單片機(jī)現(xiàn)階段的發(fā)展方向是以8位為主32位為輔，目標(biāo)是高性能、高可靠性、低電壓、低功耗、低噪聲和低成本。[10] PIC系列單片機(jī)的功能強(qiáng)大，但是軟件編程相對于51系列單片機(jī)比較難。 圖32 兩種單片機(jī)I/O口對比圖從上圖可以明顯看出兩種單片機(jī)I/O口分布的區(qū)別，從而也決定了它們功能的區(qū)別。圖33為單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖，在這里簡單介紹一些核心器件。通常如果買的小按鈕有問題，那就導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作了，用的時(shí)候要檢查清楚。溫度信號的采集在設(shè)計(jì)中是最重要的部分之一，其可以采用鉑電阻電橋組成的溫度檢測電路，也可以使用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。該傳感器由精密級鉑熱電阻元件和經(jīng)特殊工藝處理的防護(hù)套組成，并用四芯屏蔽信號電纜線從敏感元件引出用于測量，通?？梢圆捎盟木€測量法測量，以減少導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。由于鉑電阻的特性曲線是非線性的，標(biāo)準(zhǔn)的電阻與溫度關(guān)系是以分度表的形式給出的，同時(shí)用電阻—溫度多項(xiàng)式函數(shù)R（t）表示。鉑電阻傳感器有良好的長期穩(wěn)定性，典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)位：在400℃時(shí)持續(xù)300小時(shí)，0℃℃。除上述外，在使用鉑電阻溫度傳感器時(shí)，還應(yīng)注意感溫元件之間（雙支結(jié)構(gòu)）和感溫元件與大地之間應(yīng)各有良好的絕緣，不然會直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至?xí)绊懙絻x表的正常運(yùn)行。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過校準(zhǔn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對應(yīng)，使用極為方便。1/4℃的準(zhǔn)確率。目前，已有兩種型號的LM35可以提供使用。LM35的使用比較簡單，除了電源與接地端，剩下輸出端接A/D轉(zhuǎn)換的芯片即可。氣體繼電器可以做壓力控制、壓力報(bào)警、壓力保護(hù)等用途。當(dāng)聯(lián)管中油速到一定值時(shí)，擋板被沖動。所以監(jiān)控風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)，通過檢測風(fēng)扇的工作電流，通過判斷電流有無、大小以及方向可以判斷風(fēng)扇是否工作正常。在將來如果需要滿足更高的冷卻要求或者增加風(fēng)扇數(shù)量時(shí)，進(jìn)行適量的增加，這里只設(shè)計(jì)四個(gè)風(fēng)扇的。將模擬量或連續(xù)變化的量進(jìn)行量化（離散化），轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量的電路。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起到橋梁作用的電路—模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片中，已超出了單純的A/D轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。由于它體積小、兼容性強(qiáng)、性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者與企業(yè)歡迎，目前已經(jīng)有很高的普及率。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。[14] 輸出控制電路輸出電路控制7臺設(shè)備的通斷，這5臺設(shè)備主要是4臺冷卻風(fēng)扇、1臺備用風(fēng)扇、1臺斷路器和1臺潛油泵。由于4個(gè)工作風(fēng)扇接在單片機(jī)的P0口，所以還需要接上拉電阻，由于在部分電路圖中無法將上拉電阻組加入，所以圖38中還需要加入一個(gè)上拉電阻才算完整的輸出控制電路。 通訊電路由于需要將現(xiàn)場的溫度信號送入控制室，所以設(shè)計(jì)加入了通訊部分，以便于工作人員隨時(shí)掌握變壓器現(xiàn)場的運(yùn)行狀況。MAX48MAX48MAX490、MAX49MAX1487的驅(qū)動器擺率不受限制。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。它的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋最大4000英尺的傳輸距離，為了減小反射，傳輸線應(yīng)當(dāng)在其終端以特征阻抗端接，主干線以外的分支長度應(yīng)盡可能短。在單片機(jī)連接時(shí)只需要一個(gè)信號控制MAX487的接收和發(fā)送。確認(rèn)鍵就是對設(shè)定的結(jié)果進(jìn)行存儲的按鍵，設(shè)定成功后按下確認(rèn)鍵，裝置將把此溫度值保存下來，以后按照這個(gè)溫度值控制風(fēng)機(jī)。液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。指令1：清顯示，指令碼01H，光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置；指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H；指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置。S/C：高電平時(shí)移動顯示的文字，低電平時(shí)移動光標(biāo)；指令6：功能設(shè)置命令。 圖312 顯示電路 液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志位低電平，表示不忙，否則此指令無效。此外，它還可以和其他功率轉(zhuǎn)移器件一起構(gòu)成大電流的穩(wěn)壓電源。特性：無需外接元件、內(nèi)部熱過載保護(hù)、內(nèi)部短路電流限制、從2004年底開始，提供的各類封裝形式，均為無鉛封裝產(chǎn)品。圖313 電源電路經(jīng)變壓器變壓將220V交流電變?yōu)?V或9V的交流電，再經(jīng)過4個(gè)整流二極管整流變成脈動的直流，再經(jīng)過兩個(gè)電容濾波，然后通過7805穩(wěn)壓，最后通過后面兩個(gè)電容濾波即可得到﹢5V直流電。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的。光電耦合是70年代發(fā)展起來的新型電子元件，是以光為媒介傳輸信號的器件。由于光電耦合器不是將輸入、輸出側(cè)的電信號進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行間接耦合，具有較高的電氣隔離抗干擾能力。而光電耦合器的發(fā)光二極管只有通過一定的電流才發(fā)光。（4） 光電耦合器的光電耦合部分是在一個(gè)密封的管殼內(nèi)進(jìn)行的。由于變壓器繞組的溫度最高點(diǎn)難以測定，故常以平均溫升來衡量。由于繞組的平均溫度比油溫高10℃，為了防止變壓器油變質(zhì)，所以規(guī)定變壓器上層油溫最高不超過95℃；正常情況下，為使絕緣油不致過快氧化，上層油溫一般不超過85℃。這樣，就能使得變壓器的損耗功率小于散熱功率，兩條直線必有一個(gè)交點(diǎn)，即變壓器的損耗與散熱功率達(dá)到一種平衡狀態(tài)，就可保證變壓器的溫升不超標(biāo)。冷卻裝置中的風(fēng)扇采用梯階的方式進(jìn)行投入使用。在此控制裝置中，當(dāng)變壓器溫度介于一組風(fēng)扇停運(yùn)區(qū)間中的時(shí)候，只有第一組風(fēng)扇在運(yùn)行，考慮到這種情況下每組風(fēng)扇工作的時(shí)間不等，可能會使第一組風(fēng)扇老化的速度快于第二組風(fēng)扇，所以我們希