大型变压器强迫油循环风冷自动控制系统设计 精品

河北工业大学
硕士学位论文
大型变压器强迫油循环风冷自动控制系统设计
姓名：李冬梅
申请学位级别：硕士
专业：电气工程
指导教师：毛一之
2010-12
河北工业大学硕士学位论文
大型变压器强迫油循环风冷自动控制系统设计
摘要
电力变压器作为电力系统和广大企业用户广泛应用的电气设备，在联络电网，电力的输送、分配和使用过程中发挥着核心关键作用，而变压器风冷控制系统则是保证其安全正常运行的重要部分。

传统的变压器风冷装置，由于控制系统主要由机械触点逻辑电路实现，安全隐患多，自动化程度低，不能适应当今无人值守变电站的需要，因此新的控制系统的设计方案势在必行。

本文针对传统变压器风冷控制系统存在的控制回路复杂、可靠性低、风机的保护方式简单、控制误差大、故障率高、维护工作量大、无法实现远程通讯等问题，经过多方面的技术分析和调研，设计开发了以单片机为核心的变压器风冷控制系统，该系统充分利用软件资源，在保证控制系统可靠性的基础上尽量简化装置的硬件电路，彻底摒弃继电器逻辑处理方式，完善了变压器风冷控制系统的功能。

系统以变压器顶层油温及负荷等参数作为被控量，采用具有延迟裕度的投、切温度阈值的控制策略和按风机累计运行时间自动均衡投切风机的控制方法来实现风机的自动控制。

另外，主回路选用无触点交流固态继电器代替交流接触器控制风冷装置的投切。

固态继电器关断速度快，避免因触点烧坏而导致风机停运。

该系统可克服传统变压器风冷控制系统逻辑控制功能低下、不便扩展、易发生接触不良等弊端，其功能完善、易于扩展、便于维护、运行安全可靠，实现了风冷控制系统的自动化控制，是传统变压器风冷控制系统的理想替代产品，具有工程应用价值。

关键词: 变压器，单片机，风冷系统，自动控制
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大型变压器强迫油循环风冷自动控制系统设计
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DESIGN ON AIR COOLING CONTROL SYSTEM OF LARGE FORCED-OIL TRANSFORMER
ABSTRACT
As electrical equipment, power transformer is widely used in power systems and enterprise
users. It contacts network, converts the power supply network voltage to voltage that electrical equipments or devices can use directly and plays a key role in power transmission, distribution and use process. Transformer cooling control system is an important part to ensure its safety of normal operation. The traditional transformer cooling control system, due to the control system consisting of logic circuit of mechanical contacts,high security hidden hazards, low automatization, cannot adapt to the needs of today's unattended substation, so the new control system design is imperative. For the existing transformer cooling control system has many shortcomings, such as the complicated system control circuit, the low reliability, protection methods of fan being so simple, large control error, high fault rate, massive maintenance work and no method to realize remote communication, this paper develops a novel intelligent transformer cooling control system based on the center of microprocessor through all-round technology analysis and research. This system has full use of software resources, while ensuring the reliability of control system based on the hardware circuit as simply device , completely abandon the relay logic approach, improved the function transformer cooling control system. Transformer top oil temperature and system load and other parameters as the amount charged, by a margin of the vote delay, cutting the temperature threshold of the control strategies and the cumulative time fan automatically balanced by switching the fans control method to achieve automatic control of fans.
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In addition, the main circuit uses non-contract AC solid-state relay (SSR) to control fans’ input and cut off instead of A.C. contactor. SSR has high switching off speed avoiding contract burned to shut down fans. This system can overcome the defects of traditional transformer cooling control system, such as logic control dysfunction, inconvenience expansion, poor contact and so prone to abuse. As its comprehensive functions, easy expansion, easy maintenance, safe and reliable operation, it achieves automatic control of air cooling system. So it is the ideal alternative of traditional transformer cooling control system with engineering applications value.
KEY WORDS: transformer, single-chip microcomputer, air-cooled system, automatic control
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第一章 绪论
§1-1选题的背景及其意义
电力变压器作为电力系统和广大企业用户广泛应用的电气设备，在联络电网，电力的输送、分配和使用过程中发挥着核心关键作用；电力变压器在能量转换过程中的效率非常高，现在运行的电力变压器效率一般都在99%以上，但由于它应用于国计民生的各个领域，遍布城乡各个角落，数量巨多，容量巨大，本身又不是做功和能量消耗的主体，只是变化电能的参数，因此运行过程中能量损耗也就非常可观。

目前不管是安装在发电厂还是运行在变电站的大型变压器，其运行中所带负荷随时都在发生变化，尤其是发电厂的升压变压器在调峰运行时，每日所带负荷都在50%～100%之间多次变化，这使得变压器的损耗也随之发生变化，从而造成油温的不断变化；另外，不管是一年四季环境气温的变化，还是每天昼夜气温的变化，也都造成了油温的变化，变压器油温的频繁和大幅度变化，将对其安全、经济运行和使用寿命产生较大的影响，因此要给大型变压器配备强迫油循环风冷设备。

风冷设备的投切控制与保护一直是变压器制造厂和用户共同关注的问题。

目前我国大型电力变压器的风冷装置配置情况是：根据容量的大小，配置数组风冷装置，每组风冷装置由一台油泵和三到四台风机组成。

运行时一般要求一台备用(风机故障时可自动投入运行)，一台辅助(负荷电流大于70 Ie，或上层油温高于某一定值时自动投入运行)，其余所有冷却器在变压器投入运行时全部投入[1,3]。

此配置不能根据油温的变化实时调整冷却器投入组数，有不足之处。

目前国内对大型变压器强迫油循环风冷设备的控制与保护仍采用的是机电逻辑方式回路实现的，由于其逻辑电路是由各种接触器、热继电器及保险丝等器件组成的，所以在其运行过程中存在很多缺陷，如：潜油泵及冷却器风机的主回路驱动采用的是接触器，因而机械触点多，电路组成复杂，故障率高；电动机的保护方式是保险丝加热继电器，仅能对电动机提供短路及过载（缺相）保护，无法进行故障预测；控制系统采用继电器逻辑控制，自动化程度低。

基于这些原因，使得变压器在运行中可靠性降低，运行维护工作量加大。

随着电网近年来的快速发展，智能化程度的提高，无人值守变电站正在不断增多，又由于大型变压器本身价值较高，损坏后造成的影响较大，因而要求变压器风冷系统的可靠性提高并能对温度进行远距离监视，实现智能化控制[2]，而传统的风冷控制系统是不能完成的；为了克服这些缺点和不足，保证电网的安全稳定运行，保证重要设备的安全及广大用户的可靠用电，对大型变压器传统风冷控制系统进行改进是非常迫切和必要的[4-6]。

单片机又称单片微型计算机，最早应用于工业控制领域，具有适应性强、可靠性高、抗干扰能力
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大型变压器强迫油循环风冷自动控制系统设计
强、功能强大、智能化、在线时间长、编程简单等优点。

采用单片机技术来控制变压器风冷系统，可以实现对变压器油温的精确控制；完善对冷却机组的保护和控制，提高了它的可靠性和工作寿命；通过编程实现冷却机组控制功能，极大的简化了系统接线，减少设备接口，有效地提高了系统本身的可靠性；此外还可以通过单片机与上位机之间的通信功能实现对冷却系统运行状况的实时监视[7，8]。

随着对电网安全可靠运行要求的不断提高，本文提出的在大型变压器风冷控制系统改造中应用单片机控制技术，对变压器可靠运行及节省电能有着十分重要的意义和实用价值。

§1-2国内外研究现状
传统的变压器风冷控制系统主要存在以下缺陷：
(1) 由于控制系统是靠机械触点逻辑电路实现，电路的组成复杂，故障率高，在其运行过程中不可避
免地会出现因接触器的触点长时间接触造成的触点烧毁等许多缺点和不足[5]。

(2) 风机的保护方式是保险丝加热继电器，所以仅能对电动机提供短路、过载、缺相保护，无法进行
故障预测，一旦风机扇叶脱落，电机轻载运行就无法判别。

(3) 主变压器油温的测量主要是靠变压器上配有的信号温度计来测量，测量精度很低。

而风冷机箱主
要也是靠信号温度计来控制的，其测控精度低误差大，所以整个系统会出现控制精度差的问题。

无法实现远程通讯。

(4) 保护可靠性低。

目前风冷机箱的短路及过载保护，主要是靠空气开关及热继电器来完成的，这就
存在着严重的烧毁风机的隐患。

(5) 故障率高，维护工作量大。

由于风冷控制机箱的机电逻辑电路是由各种继电器来完成的，而继电
器常会出现线圈烧毁或接点烧死等故障 [9]。

针对这些缺陷，许多专家学者从不同的方面、运用了多种方式提出了自己独特的观点和理论，为变压器冷却系统控制的研究做出了贡献。

一部分专家学者分析了我国大容量变压器冷却系统配置情况、运行特点，以及电网负荷波动和环境温度变化造成的大型变压器运行中温度变动等方面对变压器运行的影响，从变压器自身结构特点上提出了一些意见和建议[10]。

还有一部分专家针对变压器冷却装置控制回路的一些缺点，进行了一系列有意义的研究。

主要方法是摒弃传统继电器逻辑处理方式，采用无触点固态继电器，替代传统控制系统中的交流接触开关、热继电器等电磁元件，它具有关断速度快、避免触点烧坏、导致风机停运等特点。

在冷却系统电源自动控制回路方面，一些专家分析并针对缺陷提出了具体的改造措施，为冷却装置的可靠供电提供了保2
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障，他们提出的利用单负载双电源切换控制及缺相保护控制电路和双负载双电源切换控制电路的原理和实现方法，对将来冷却系统电源调度部分的设计提供了依据。

当前国内外最流行的观点就是用可编程控制器PLC、单片机或变频器等元件实现变压器冷却系统的自动控制，并且实现了一些新功能，诸如：按照一定的周期变换冷却机组的运行方式，使冷却机组风机组轮流工作、平衡使用；与变电站综合自动化监控系统进行通信，实现远程监控。

在控制方案方面，有专家提出了更为合理、优化的控制思路，如用油温及温度变化率预测负荷、用温度并结合温度变化率再联系变电站实际情况进行自动控制投切冷却机组、根据变压器负荷和油温变化综合投切冷却器组等，既能使变压器油温满足了变压器运行的要求，又能达到良好的节能效果[4]。

§1-3 本文的主要研究工作
本课题着重研究250MV A/500KV强迫油循环变压器的风冷自动控制系统。

随着微机式工业控制技术理论的不断成熟与完善及电子元器件制造工艺的不断提高，使得其控制可靠性大幅度提高，因此，本文选用单片机作为变压器风冷控制系统的核心，对所有的输出输入量进行逻辑处理和运算处理，充分利用软件资源，在保证控制系统可靠性的基础上尽量简化装置的硬件电路；在控制电路上，采用无触点固态继电器驱动，彻底摒弃传统的继电器逻辑处理方式；另外，在保证传统装置功能实现的基础上，增加一些新颖实用的新功能。

综上所述，本课题主要包括以下几个方面的研究内容：
(1) 根据传统风冷系统运行的实际情况，以系统设计经济性、扩展性、安全性、可靠性和易维护性
为目标，分析风冷控制系统应遵循的设计原则和应实现的新功能。

(2) 结合变压器运行风冷系统需求的实际情况提出以单片机作为核心控制器的风冷控制系统的设
计原则，提出可实现的风冷控制系统设计方案。

(3) 依据设计方案对基于单片机的变压器风冷控制系统的硬件电路进行设计，在分析不同元器件优
缺点的基础上确定各模块所需元件的选择。

(4) 对风冷控制系统的软件进行设计，分别设计各模块相应的程序，实现对变压器风冷控制系统的
控制功能。

为使系统更加完善，还设计了通信程序以及短路处理程序，最后完成系统调试。

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大型变压器强迫油循环风冷自动控制系统设计
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第二章 大型变压器风冷控制系统的设计方案
§2-1强迫油循环风冷装置的结构和工作原理
由于大型变压器采用自然油循环风冷系统不能满足散热要求，故采用强迫油循环风冷系统。

强油
循环风冷却机组的主要部件有：冷却机组本体、潜油泵、风扇、过滤器、净油器、油流继电器。

其中，冷却机组本体是由一束冷却管与上、下集油室焊接而成的整体；潜油泵是一种特制的电动机型离心泵，电动机的定子和转子浸在油中使油系统构成密闭循环系统，潜油泵转动时带动变压器油一起转动，强迫变压器油在变压器本体及冷却系统间形成密闭循环，提高冷却效率；风机由轴式单级三叶轮与三相异步电动机两部分构成，风机吹风，加速冷却管内变压器油的冷却；风冷却机组上的净油器是充满吸附剂（活性氧化铝）的容器，它位于冷却机组下面，与下集油室相连，经过冷却管簇的变压器油流经净油器时与吸附剂接触，使油中所带的水分、游离酸和过氧化合物都被吸收，变压器油得到净化；油流继电器是监视强油循环风冷却器中的油泵是否反转、阈门是否打开和油流是否正常的保护装置。

风冷却器的总体结构如图2.1所示。

强迫油循环风冷却机组的工作流程是：潜油泵将变压器顶层高温油送入冷却管内经过几次折流后，热量就传给冷却管壁，再由管壁向空气释放热量；与此同时，在空气侧，由风扇对冷却管吹风，冷空气带走冷却管壁放出的热量，从而使热油加速冷却。

冷却后的油从冷却机组下端再进入变压器油箱内。

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图2.1 强迫油循环变压器风冷却器结构示意图
Fig.2.1 The structure sketch of forced oil transformer’s air cooler
§2-2变压器风冷控制系统设计应遵循的原则
本设计在对变压器风冷控制系统设计时，严格按照电力变压器运行规则(DL/T572-95)中电力变压器冷却装置及运行的规定进行，其相关规定如下：
1. 变压器的冷却系统应符合的要求
(l) 油浸式变压器本体的冷却装置应符合GB6451的要求；
(2) 按制造厂的规定安装全部冷却装置；
(3) 强迫油循环的冷却系统必须有两个独立的工作电源并能自动切换，当工作电源发生故障时，
应自动投入备用电源并发出音响及灯光信号；
(4) 强迫油循环变压器，当切除故障冷却器时应发出信号，并自动投入备用冷却器；
(5) 风扇及油泵的附属电动机应有过负荷、短路及断相保护，应有监视油泵电机旋转方向的装置；
(6) 强迫油循环冷却的变压器，应按温度和(或)负载控制冷却器的投切[9]。

2. 油浸式变压器顶层油温规定
油浸式变压器顶层油温一般不应超过表2.1的规定（有规定的按制造规定)，当冷却介质温度较低时，顶层油温应相应降低。

表2.1 油浸式变压器顶层油温一般限值表
Table 2.1 The generally top oil temperature limits of oil-immersed transformer
3. 强迫油循环风冷变压器冷却装置的运行条件
(l) 强迫油循环风冷变压器的冷却器在发电机并入前一小时应投入运行，采用逐台投入的方式；空载和轻载时不应投入过多的冷却器(空载状态下允许短时不投)；风冷却器投切的自动控制装置应保持正常。

(2) 强迫油循环风冷变压器，当冷却系统发生故障切除全部冷却器时，允许带额定负载运行20分
钟；在上层油温不超过75℃时可以运行1小时；如果冷却器电源和各组冷却器能够短时间内恢复正常运行（20min内），冷却器全停保护应改至信号位置，此时应严密监视温升速度和上层油温，若二者之一上升较快，应减少变压器负荷直至上升速度和上层油温缓慢上升为止；冷却器全停运行时间达到1小时，即使油温未达到75℃，也应立即停止变压器运行[10,11]。

§2-3大型变压器风冷控制系统的工作原理 针对传统变压器风冷控制系统存在控制回路复杂、可靠性低、故障率高、维护量大等缺陷，本文研究设计了以单片机为核心的变压器风冷控制系统，在风机主回路中采用无触点固态继电器JG-2FD/25A替代原继电器，从根本上消除因触点损坏、线圈引发的故障。

系统的总体结构框图如图2.2所示。

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图2.2 系统总体结构框图
Fig.2.2 The general structure of the system
2-3-1变压器风冷控制系统主要功能模块的实现方法和作用简介
1. 电源模块
风机自动控制系统与风冷却器组采用分别供电的方式。

单片机和温度传感器所需的+5V电压由市电经过电源适配器转换成+5V后提供，固态继电器所需的+12V电压也由市电经过电源适配器转换成+12V后提供，保证供电可靠性及减少干扰。

2. 风冷装置投切模块
该模块采用交流固态继电器代替交流接触器控制风冷装置的投切，固态继电器无触点，关断速度快，使用寿命长，避免了因触点烧坏而导致风机停运的情况。

3. 现场控制和显示模块
在控制装置中，有四组独立开关，可以手动实现风机组的任意起停；变压器顶层油温通过LCD1602液晶显示屏在现场显示。

4. 通讯模块
通信协议采用支持远距离传输的RS-485协议，通过MAX485通信芯片与RS-232/485转换器实现不同信号之间的电平转换，完成单片机与上位机之间的通信。

5. 上位机监控模块
上位机监控系统采用VB语言编写的监控软件，能够接收下位机传来的数据，显示变压器风冷系统运行状况，并能发送命令给下位机，实现对下位机的远程监控。

2-3-2变压器风冷控制系统的主要功能
通过对强油循环变压器发热及冷却原理的分析，结合电力变压器运行规程的要求和电力系统自动化设备的发展趋势，本论文设计完成的变压器风冷控制系统可实现如下功能：
(1) 为风机组提供二路独立电源供电，可由开关选择一路电源为常用电源，一路为备用电源。

当常用
电源故障时，风冷系统会发出电源故障信号并及时投入备用电源，以保证控制系统供电的可靠性。

(2) 系统可根据变压器负荷及油温的变化自动循环投入或退出风冷装置，使变压器油温能保持在设定
的温度范围内。

(3) 投切风机时采用有延迟裕度的温度投切阈值的投切原则，即：投入风机时的温度值与切除时的温
度值之间有一定的裕度，避免油温在某一温度波动时造成风机的频繁投切问题。

(4) 系统投入运行后，程序自动计时风冷装置的累计运行时间和累计停止时间，并存储在EEPROM存
储器中，在变压器顶层油温高于油温上限时依次投入累计停止时间最长的风冷装置，在变压器顶层油温低于油温下限时依次切除累计运行时间最长的风冷装置，使风冷装置均衡工作，提高了风冷装置的工作可靠性和使用寿命。

(5) 系统故障切除全部风冷装置时，能发出报警信号，并允许带额定负载运行20分钟，如20分钟后
变压器顶层油温尚未达到75℃，则允许上升到75℃，但这种状态下运行时间超过1小时后，将变压器高、中、低三侧开关跳闸，变压器停运。

(6) 具备无人值守的通信功能。

单片机与上位机之间通过RS485协议进行通信，将变压器运行状况实
时上传到上位机；同时，上位机可以向单片机发送命令，单片机根据收到的命令执行相应的动作。

(7) 应急功能。

在单片机出现大的故障，系统瘫痪时，能维持风机运行电路。

2-3-3 变压器风冷系统的风机分组设计方案
本文以500KV三相变压器为例，变压器的风冷系统共8个风机，将其分成4组，为使不同的风机组同时吹风效率达到最高，因此在分组时需要考虑冷却器的风向优化问题，本文在对风机的风向选择上做了定性探讨，从而得出背向变压器的风向优于正向变压器的风向的结论[12]。

在对变压器冷却器分组时，考虑风向的选择。

对YF型风冷却器的风向选择有两种，一种是风从外界通过冷却器中的风扇吹向冷却管和变压器本体，如图 2.3(b)所示。

这种冷却风向把外界的低温空气通过风扇吹向冷却管，进而到达冷却器与变压器本体之间。

由于外界低温空气经过冷却管时吸收了其热量而有一定温升，它与变压器本体的温差已经很小，即这部分空气只能吸收少量的变压器本体散发出的热量。

这种冷却风向对冷却管散热好，但对变压器本体的散热效果却不太好。

若考虑变压器本体周围所有冷却器的话，由于风扇是吹向变压器的，所以外界空气通过冷却管到达变压器本体周围，8
而在变压器本体侧面环境中，外界空气几乎是接近不了的，这使已经升温了的空气包围变压器本体，结果不但是变压器本体的散热效果降低，变压器内油温也会升高。

这部分升温的油由潜油泵循环到冷却管，冷却管的温度也升高，这样循环，以至冷却器与变压器本体之间的空气温度不断升高，冷却效果降低。

另一种是风从变压器本体周围流向冷却器中的冷却管，通过风扇吹向外界，如图2.3(a)所示。

对于一个冷却器来说，这种冷却风向使外界的低温空气通过对流作用大量的流向变压器周围环境。

由于吸收变压器本体所散发出来的热量，使这部分低温空气也有一部分温升，但比起第一种情况却低得多[13]。

(a) (b)
图2.3 变压器冷却器风向示意图
Fig.2.3 The sketch of wind direction of transformer cooler
§2-4 变压器风冷系统控制策略的研究
控制策略的研究是变压器风冷控制系统设计开发中的重要部分，它是变压器风冷控制系统设计的前提，系统硬件连接和程序设计都是依据控制策略而展开的。

采用合理的控制策略才能完成控制系统的设计功能，同时控制策略的优劣将直接影响控制系统的性能。

变压器风冷控制系统的核心功能就是根据变压器油温及负荷等参数实现风机的自动投切，使变压器油温保持在一个稳定的范围内，满足变压器运行对温度的要求。

在风冷控制系统中结合变压器风冷装置的运行特点，本文采用了有延迟裕度的投切温度阈值的控制策略和按累计运行时间投切风冷装置的控制方法，有效的解决了风冷装置频繁投切和不均衡工作等问题。

2-4-1变压器油温自动控制的控制方法
在对变压器风冷装置的工作特性进行分析后，本文在控制系统的设计中采用了一种断续负反馈控制模型搭建了变压器风冷自动控制系统，实现对变压器油温的控制。

变压器油温自动控制系统框图如图2.4所示。