基于輸出容量與發(fā)熱量關(guān)系的磁控電抗器智能溫度控制系統(tǒng)

張近勝，覃劍永，覃江英，袁 劍，朱添安

（1．廣西電網(wǎng)公司河池供電局，廣西 河池547000；2．武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢430072）

0 引 言

磁控電抗器是一種基于鐵芯磁飽和工作原理的電氣設(shè)備，通常情況下通過并聯(lián)的方式接在電網(wǎng)中。承受電網(wǎng)電壓的磁控電抗器可平滑改變阻抗從而達到補償和控制的目的。

磁控電抗器外觀上和變壓器類似，都有風冷散熱的溫度控制系統(tǒng)。變壓器［1］的勵磁電流為空載電流，相對較小，而磁控電抗器運行時的電流與勵磁電流約為無功電流，容量越大勵磁電流越大，相應的磁滯損耗和附加損耗等問題加劇，從而造成較大的發(fā)熱。

磁控電抗器的溫度控制方法與變壓器相似，均是強迫油循環(huán)風冷散熱。傳統(tǒng)的油浸式變壓器的溫度控制系統(tǒng)［2，3］是以接觸器為主的簡單邏輯控制回路，僅通過溫度傳感器測量油表面溫度的情況來決定風扇的投運。磁控電抗器的結(jié)構(gòu)和工作方式與變壓器不同，采用傳統(tǒng)散熱控制方法的有效性和經(jīng)濟性有待觀察和研究，風扇控制方法不恰當可能會導致設(shè)備部分過熱。

針對電力系統(tǒng)中油浸式磁控電抗器的溫度監(jiān)測和控制，文中提出了一種基于輸出容量與發(fā)熱量關(guān)系的磁控電抗器智能溫度控制裝置。根據(jù)輸出容量的變動來控制風機的啟停和調(diào)速，對風機運行進行優(yōu)化控制。在此基礎(chǔ)上給出了控制裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計以及控制思路，分析了實際運行的效果。

1 磁控電抗器溫升特性分析

熱量多為有功損耗引起，并導致溫度的升高，在電力變壓器中，損耗主要產(chǎn)生于鐵芯和繞組。繞組上的有功損耗稱為銅損，它隨負載而變化；勵磁所造成的鐵芯損耗與負載的變化無關(guān)。鐵芯損耗由兩部分組成：磁滯損耗和渦流損耗；前者在工頻交流電中取決于磁滯回線面積；后者相同的情況下取決于材料的厚度。磁控電抗器和變壓器結(jié)構(gòu)類似，但在具體構(gòu)造和運行方式上卻有不同之處。由于鐵芯結(jié)構(gòu)的特殊性，當工作在大容量輸出狀態(tài)時，其鐵芯中的損耗因勵磁曲線的變化發(fā)生了顯著的增加，磁控電抗器中絕緣材料的溫度隨之升高，進而影響其使用壽命。磁控電抗器中絕緣材料在高溫下的老化速度相對常溫時發(fā)生成倍的增長。設(shè)置98℃的老化速度為絕緣材料參考值，其它溫度下的相對老化速度與之相比溫度越高老化速度增長越快。所以有效的散熱可以降低磁控電抗器的溫度進而延長其使用壽命，從而提高了設(shè)備運行的安全可靠性。

傳統(tǒng)磁控電抗器的溫度控制機構(gòu)是采用以傳感器和接觸器為主的分散元件進行邏輯搭接形成的控制回路，以實現(xiàn)當固定測量點的溫度高于設(shè)定溫度時，相應投入或退出冷卻風扇。其成本較小、控制簡易，但也具有判斷和控制方法單一且接線復雜等問題。磁控電抗器由于工作時電流主要經(jīng)過勵磁支路且該支路承受著電網(wǎng)的額定電壓，又因為其輸出容量按照補償?shù)男枨蟛粩嗟卣{(diào)整變動，工作狀態(tài)變化較大較快，由此導致工作時發(fā)熱量變化大。在這樣的情況下，傳統(tǒng)風扇控制方式下具體散熱的有效性還有待進一步探討，有必要對風扇控制方式進行研究和改進。

為了改進磁控電抗器的散熱，需要針對繞組等熱點進行溫度估計來研究磁控電抗器繞組發(fā)熱的情況。參考變壓器處理方法［4，5］，熱模擬法間接測量最熱點溫度被廣泛采用，其原理為：利用一個電熱元件，當流經(jīng)該元件的加熱電流I所產(chǎn)生的附加溫升I2R與△Two相等，即附加溫升I2R在數(shù)值上完全等同于繞組與變壓器油溫差△Two時，通過將△Two與頂部油溫To相迭加即可間接推算出主變壓器繞組最熱溫度Tw，該方法同樣也適用于磁控電抗器。

根據(jù)上述實驗方法對磁控電抗器進行溫度模擬試驗，實測結(jié)果表明當磁控電抗器處于輸出容量的75%以內(nèi)變化時，僅引入風機的傳統(tǒng)控制方法不會發(fā)生繞組和鐵芯的熱點過熱現(xiàn)象；而輸出容量大于75%時，如果風扇的投入沒有及時跟上容量的突然變大就會發(fā)生局部過熱。針對這樣的情況，在基于測量油溫的傳統(tǒng)變壓器風扇控制基礎(chǔ)上，引入基于電抗器的輸出容量下的風扇智能控制機制，根據(jù)測量工作時的電流來及時投切對應的風扇，用這樣的方法可以有效地避免磁控電抗器熱點過熱的問題。

利用對磁控電抗器輸出容量的檢測來實時控制溫度不僅具有計算準確響應快速的優(yōu)點，而且是改造傳統(tǒng)風扇控制系統(tǒng)較為經(jīng)濟有效的手段，在原有監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入輸出容量的計算與控制即可達到目的。

2 電抗器散熱智能控制及溫度保護

對某變電站中實際運行的磁控電抗器的風冷控制系統(tǒng)進行了設(shè)計、安裝與測試，該系統(tǒng)根據(jù)負荷變化動態(tài)投切風機，在保證磁控電抗器正常工作的前提下，減少了風機的能耗，提高風機的使用壽命。DL／T572－1995《電力變壓器運行規(guī)程》國家標準規(guī)定的油浸式變壓器在連續(xù)額定容量下變壓器溫升限值如表1所示。以變壓器作為參考，在進行磁控電抗器的溫度控制時，結(jié)合國標和實際運行測試制定了相關(guān)的參數(shù)。

表1 油浸式電力變壓器在連續(xù)額定容量下的溫升限值

該油浸式可控電抗器智能溫度控制裝置由以下幾個部分組成：可控電抗器容量檢測單元、溫度檢測單元、控制單元、顯示單元和風機；檢測單元、控制單元和輸出顯示單元按順序排布依次相聯(lián)。風扇分為“運行”、“輔助”和“備用”三組，每一個風扇只能從屬于其中的一組。在該裝置中，以傳感器為主要組成的可控電抗器容量檢測單元和溫度檢測單元將測量的信號輸入給以可編程邏輯控制器為主要組成的控制單元，控制單元根據(jù)預先編寫好的控制程序?qū)⒖刂菩盘杺鬏斀o風扇和狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示單元，完成整個控制過程。

風機的啟動和停止的邏輯控制原理如圖1所示。當傳感器檢測到負荷容量為建議用額定容量的33%以下時，只保持 “運行”組的風扇運轉(zhuǎn)；當負荷容量為額定容量的33%～66%時，投入“輔助”組風扇；當該比例為66%以上時，“備用”組的風扇也投入運行；為了避免負荷變化引起風機不停的投切，風機的控制滯后于監(jiān)測到負荷容量的變化1 min。另外，作為容量監(jiān)測控制的補充，對溫度的測量值進行了監(jiān)測、判斷和干預控制；只有“運行”組風扇投入時，當油面溫度高于55℃時或繞組溫度達到78℃以上投入“輔助”組風扇，當兩組風扇投入5 min后油溫和繞組溫度仍未低于限值以下時“備用”組風扇投入；當有“運行”和“輔助”兩組風扇投入運行時，如果油面溫度和繞組溫度超過55℃和78℃的限值則“備用”組風扇投入。

圖1 智能溫度控制流程圖

同時，針對風扇需要故障處理機制，當運行中有任何一組風扇發(fā)生故障時，如熱繼電器動作、斷路器動作等，處于備用狀態(tài)的風扇將投入運行，且送出“風扇運轉(zhuǎn)故障”信號。經(jīng)?？臻e的“備用”和“輔助”組風扇會自動定時投運，以防止長期不用導致?lián)p壞。風扇實行輪換控制運行：經(jīng)過長時間的運行后原先編組為“運行”的風扇換位編組為“輔助”或“備用”，而把原先閑置的某組編組為“運行”。風機的運行均使用電機軟啟動技術(shù)和根據(jù)溫度的調(diào)速。

3 試驗結(jié)果

智能溫度控制系統(tǒng)針對不同電流下磁控電抗器的繞組和油面溫度進行了測量。先在零輸出容量下記錄穩(wěn)定時的溫度值；再升高輸出容量到下一測量值，等待2 h至溫度變化完全穩(wěn)定后測量；如此按照順序依次測量至滿容量，共得到7組數(shù)據(jù)。整理測量結(jié)果并繪制出磁控電抗器一定輸出容量長期工作時溫度傳感器和工作電流關(guān)系的曲線。由實測試驗結(jié)果可以看出：該控制系統(tǒng)較好地控制了磁控電抗器在各種運行情況下的溫升。

4 結(jié)束語

本文在保障安全運行的前提下，將油浸式磁控電抗器運行中產(chǎn)生的能耗與采取的冷卻方式綜合考慮，提出了一種基于輸出容量與發(fā)熱量關(guān)系的溫度控制方法，該方法能夠在溫度控制中起到有力的補充和保障作用，使得磁控電抗器運行時的溫度符合長期運行要求。從已在某變電站中運行的控制裝置的情況來看，本文的控制方法達到了預期效果。

［1］ 馬 丁，J希思特科．變壓器實用技術(shù)大全［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2004．

［2］ 周 淼．主變壓器溫度控制與改進［J］．科技向?qū)В?012，（3）：339－340．