主变压器辅助位冷却器控制方式分析及改进

主变压器辅助位冷却器控制方式分析及改进
摘要：在电力系统中，变压器是最重要的设备。

变压器冷却器的设计功能是确
保大型变压器设备在适宜的环境下安全可靠的工作，是变压器设备运行过程中降
低油温的一项重要手段。

本文中作者介绍了主变压器辅助位冷却器的设计及控制
异常情况，分析了控制异常的原因和带来的影响，并提出了改进方案。

关键词：主变压器；辅助位冷却器；控制方式及改进
引言
随着我国电网的快速发展，变压器的容量也在不断增加，对于枢纽变电站而言，变压器是电网的核心设备，其冷却系统能否正常工作直接关系到变压器的安
全稳定运行及使用寿命。

冷却系统的故障分为机械故障和电气故障，机械故障包
括风扇电机和潜油泵本体的轴承绕组的损坏、风扇叶片的变形等；电气故障有电
源消失、控制回路的元件损坏、接点接触不良、接触器线圈烧毁等。

接触器长期
通电运行，极易导致接触器线圈烧毁从而使控制回路短路，造成控制回路的跳闸，这也是变压器冷却系统常见故障之一。

1.变压器冷却器控制系统
传统的变压器冷却器控制系统主要采用继电器和接触器方式来实现，导致接
线复杂、可靠性低、不便维护。

随着计算机和通信技术的发展，PLC 编程简单、
维护方便、运行可靠等优点，其在工业自动控制领域的应用越来越广泛。

PLC 应
用在变压器的冷却器控制系统，取代了传统的继电器简单逻辑控制，简化了二次
回路接线，能够实现更复杂灵活的控制方式。

PLC 依据变压器油面温度、绕组温度、负载率进行相应冷却器组数的投切，其原理如图 1 所示。

图1 PLC 冷却器控制系统
PLC 主要由输入模块、CPU、输出模块组成；当油面或绕组温度计达到相应的
温度时，POP1 的 11—14 或 PW1 的 21—24 接点闭合，CPU 按照相应的接点输入
和测得的负荷电流进行逻辑运算，输出部分接入冷却器控制回路，实现对冷却器
的控制；K01为油流继电器的辅助触点，当冷却器运行时，油流速度达到设定值，接点 11—14 闭合；PLC 电源作为PLC 的工作电源，一般为直流 24V，负载电源由
负载回路所需的电源提供。

2.主变压器辅助位冷却器设计及控制异常
2.1 辅助位冷却器启动设计方案
福清核电 1、2 号机组主变 " 辅助 " 位冷却器有三种启动方式：第一种是按油
面温度启动，启动定值为油面温度第二上限整定值 60℃；第二种是按绕组温度启动，绕组温度达到第二上限整定值 90℃；第三种是按变压器负荷电流启动，定值
为 60% 额定电流。

2.2辅助位冷却器控制异常
目前主变压器冷却器运行经常出现以下情况：当油面温度未达到辅助位冷却
器启动定值，而负荷电流已经达到启动值，辅助位冷却器自动启动，之后油面温
度下降，最终稳定在一个较低的温度值（45℃左右），冬季则更低，1、2 号机组
主变压器设备在一些特殊运行工况下，主变压器油温均出现低于历史值的情况，
此时需要人为干预，将自动启动的 " 辅助 "位冷却器切换到备用，将辅助位冷却
器停运，之后变压器油温会上涨并稳定在正常区间。

若此后变压器负荷进一步增加、油温持续升高（高于 60℃），还需要人为干预，将 " 备用 " 位冷却器切换到
辅助，启动冷却器。

特别是在机组上行、下行、调峰期间和天气温度变化时对冷却器的干预最为频繁。

在油温下降到辅助位冷却器停运值时仍不能使辅助位的冷却器停运，且辅助位冷却器长期投用触发主控室报警信号，通过油温、绕组温度和负荷电流值控制辅助位冷却器启停的功能存在一定的缺陷，辅助位冷却器未达到设计的良好效果。

3.辅助位冷却器控制异常原因分析
变压器的温度过高或过低，对变压器的安全运行都不利。

温度过高，发生过热故障：例如，绕组温度超过 140℃，可能引起绝缘损坏；温度过低，可能引起绝缘隐性受潮，导致在正常工作电压下突发绝缘事故。

针对以上情况的分析，辅助位冷却器控制异常主要的后果就是使变压器阶段性处于较低温度区间运行，故分别对按顶层油温、绕组温度和负荷电流控制三方面进行分析。

3.1顶层油温控制方式分析
对于采用 ODAF 强迫油循环导向冷却的变压器，顶层油温度见计算见公式（2）。

（1）
式中 T s —顶层油温升，KK —进口油温，℃P o —空载损耗，kW，P k —额定满容量时负载损耗，kW，f —负荷率N —投入运行的冷却器数量P c —每只冷却器的额定冷却容量，kW，T o = T s + T w（2）式中 T o —顶层油温度，℃T w —环境温度，℃根据以上公式可以得出变压器的运行温度取决于三个主要因素：一是冷却装置的冷却能力（N、Pc），二是负载产生的电能损耗，可等同机组功率变化（Po、Pk、f），三是环境温度 Tw。

3.1.1 冷却装置冷却能力与油温的关系
冷却器配置 4 组冷却器，其中一组备用，产品设计阶段考虑 105% 额定电压及额定电流下连续工作，在风机选型阶段又按照最大风量选择，这样一来，产品设计人员都是按照最大输入来设计冷却器的配置，势必造成冷却装置冷却能力过大，使得变压器油温降低过多。

3.1.2环境温度与油温的关系
油浸式变压器内部的冷却介质为矿物油，外部冷却介质为空气，风冷却器的设计功能是确保大型变压器设备在适宜的环境下工作。

其工作原理是当油泵把变压器顶层高温油送入冷却管，热量就传给冷却管，再由管壁及翅片向空气中放出热量。

与此同时，在空气侧，由风扇强制吹风，冷却空气带走放出的热量，从而使热油加速冷却。

冷却后的油从冷却器下端再进入变压器油箱内。

3.2绕组温度控制方式分析
绕组温度是变压器顶层油温使仪表内弹性波纹管产生对应的角位移量，叠加仪表内发热元件产生的角位移量，从而指示变压器绕组温度。

发热元件是通过匹配器及变压器 CT 二次侧负载情况变化而补偿不同的铜油温差。

绕组温度计采用 " 热模拟 " 方法来测量变压器绕组温度，采用模拟测量方法来间接地测得绕组热点温度，即绕组温度 T 1 为变压器顶层油温 T 2 与变压器铜油温差Δ T 之和，T 1 =T 2 +Δ T。

结合前期缺陷情况反馈分析，绕组温度控制方式不影响辅助位冷却器正常启停。

4.优化方案
变压器内的含水量限值必须严格执行，温度促使水分均匀分布，是变压器运行时唯一可以利用的自适应功能。

为了避免隐性受潮并预防 " 过冷却 " 的弊端，在顶层油温不超过 105℃的条件下，变压器的运行温度宜高不宜低。

故障防御系
统不仅仅是预防过热，而且需要预防过冷，结合负载和环境温度，基于实现最佳
的可靠性和经济性，合理控制变压器的运行温度。

为实现主变压器温度自动调控，优化主变压器设备运行状态的目的，需对辅助位冷却器的控制方式进行修改。

主
变压器辅助位冷却器不管是按照顶层油温启动还是按负荷电流启动，其原理可转
化为对温度的计算，两者都是以温度作为标的，实现对辅助位冷却器的控制，故
可以简化控制运行方式。

结合现场实际情况及变更实施的可行性，优化主变压器
辅助位控制方式，可以采用将负荷电流定值调整至额定电流值，使得主变压器冷
却器辅助位的启停以顶层油温值作为主控制策略，取消主控室辅助位投入报警信号，改为在变压器运行状态显示“投入” 或“退出”，控制逻辑简单，变更范围最小，实施便利，能有效达到变压器油温在适宜的区间运行的目标。

5.结束语
本文改进回路简单可靠，当有接触器线圈烧毁导致冷却器停止运行时，改进
回路能自动切换至备用冷却器而不会出现冷却器全停，冷却器控制回路故障时至
少有一组冷却器仍能正常运行，同时也为运维人员查找处理故障提供了足够的时间，保证了变压器的安全稳定运行。

参考文献
[1] 刘赟，万勋，段建家，等 . 油浸式电力变压器冷却器效率评估计算 [J]. 变
压器，2016，53（10）：33-36.
[2] 高敏华，董爽丽 . 采用冷却器的 OFAF 与 ODAF 变压器热特性的对比 [J]. 变
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