電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉瑞龍

性能良好且功能更加健全的電子變壓器可以為現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行提供良好的保障。電子變壓器運行時，會釋放出一定熱量，當(dāng)熱量高于一定限值時，則會影響電子變壓器的正常運行，進而對整個電力系統(tǒng)的運行造成干擾。所以，需要針對電子變壓器的運行需求，設(shè)計出相配套的冷卻調(diào)控系統(tǒng)，用于電子變壓器內(nèi)部溫度的調(diào)控。基于此目的，本文通過對電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)的概述，進而對電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計；之后以此為基礎(chǔ)，通過仿真實驗的方式，對該調(diào)控系統(tǒng)予以驗證，為電子變壓器更好地運行提供技術(shù)支持。

電子變壓器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中非常重要的一部分，其性能、功能的好壞，直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的運行情況。在此背景下，為了保證電子變壓器及整個電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，電力部門開始對電子變壓器控制系統(tǒng)進行升級改造，其中包括冷卻調(diào)控系統(tǒng)，以根據(jù)變壓器運行情況，對其進行合理有效控制，使其處于最佳狀態(tài)。對現(xiàn)有電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)來說，其中依然存在一些缺陷，受到這些缺陷的影響，可能使電子變壓器內(nèi)部溫度無法處于最佳狀態(tài)，影響電子變壓器的運行。所以，需要設(shè)計出一款性能更加良好，功能更加健全的冷卻調(diào)控系統(tǒng)，以加強對電子變壓器內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)效果。

1 電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)概述

1.1 主要類型

電子變壓器由諸多模塊構(gòu)成，冷卻調(diào)控系統(tǒng)是其中較為重要的部分，針對其結(jié)構(gòu)特點，可將其劃分成兩個部分，一是內(nèi)部冷卻模塊。當(dāng)電子變壓器運行時，繞組、鐵芯會產(chǎn)生一定熱量，在內(nèi)部冷卻模塊的作用下，可將這些熱量導(dǎo)入至周圍介質(zhì)內(nèi)，從而達到調(diào)溫的作用；二是外部冷卻模塊。其用于將介質(zhì)內(nèi)的熱量傳輸?shù)皆O(shè)備外，使整個設(shè)備溫度處于最佳狀態(tài)。在設(shè)計電子變壓器時，針對容量大小、介質(zhì)類型及循環(huán)原理等方面的差異，可選擇不同的冷卻方式，具體來說，主要包括以下幾種。

（1）油浸自冷式系統(tǒng)

該類型冷卻調(diào)控系統(tǒng)的代號為ONAN，在整個系統(tǒng)內(nèi)部未安裝特殊的冷卻裝置，鐵芯與繞組產(chǎn)生釋放出的熱量會通過油液的自動循環(huán)，逐漸將熱量傳輸給散熱箱，從而達到冷卻的目的。根據(jù)變壓器容量的不同，又能夠?qū)⑵鋭澐殖扇N類型，一是平滑箱壁型，通常應(yīng)用在容量低的變壓器內(nèi)，對于箱體的外殼來說，利用鋼板制，外壁非常的平滑，可較快地將內(nèi)部熱量向外界傳輸。二是散熱筋箱壁型，是在第一種設(shè)備類型基礎(chǔ)上而開發(fā)出來的一種冷卻設(shè)備，即在箱壁的外部固定適當(dāng)?shù)纳峤?，通過增加箱體與空氣的接觸面積，從而提升設(shè)備的散熱效果，一般應(yīng)用在容量較大的變壓器中。三是散熱管型，應(yīng)用在大容量的變壓器內(nèi)，在油箱的外部固定適當(dāng)數(shù)量的散熱器，以擴大油箱的冷卻表面。對于散熱器來說，是通過上下聯(lián)箱組合而成的散熱管，利用法蘭的方式將其固定到油箱上，因而可根據(jù)實際需求隨意拆卸。

（2）油浸分冷式系統(tǒng)

該系統(tǒng)代號為ONAF，又叫做有自然循環(huán)式冷卻系統(tǒng)。在變壓器油箱的散熱器旁固定適當(dāng)數(shù)量的風(fēng)扇，在風(fēng)扇的作用下，對空氣進行對流調(diào)節(jié)，使其成為強制對流，進而提升散熱器的散熱能力。相對于自冷式系統(tǒng)來說，該類型系統(tǒng)的冷卻能力更強，是前者的2倍左右，可使變壓器輸出能力增加30%。在負載較小的情況下，可自動將風(fēng)扇關(guān)閉，使該系統(tǒng)變成自冷式系統(tǒng)以減少能源的消耗；而當(dāng)負載超過限值后（如70%額定負載時），則會自動將風(fēng)扇啟動，使風(fēng)扇進入到內(nèi)部溫度調(diào)控工作當(dāng)中。其常用于10000kVA以上的中容量變壓器內(nèi)。

（3）強迫油循環(huán)風(fēng)冷式系統(tǒng)

強迫油循環(huán)風(fēng)冷式系統(tǒng)通常應(yīng)用在大容量變壓器內(nèi)。該類型冷卻系統(tǒng)的代號為OFAF，是在油浸風(fēng)冷式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在油箱主殼體與帶風(fēng)扇散熱器（冷卻器）的連接管道上固定潛油泵。在油泵運行過程中，會對油箱提供一定的向上抽力使得油液由上端流出，并進入到散熱器內(nèi)，之后通過變壓器的下端，再次導(dǎo)入至油箱中，完成一個強迫油循環(huán)。通過該裝置為變壓器降溫時，油循環(huán)速度的設(shè)置情況，直接影響到冷卻效果，速度越快，冷卻效果越好。

（4）強迫油循環(huán)水冷式系統(tǒng)

該類型系統(tǒng)的代碼為OFWF，包括潛油泵、冷油泵等元件。在運行過程中，在油泵的作用下將油液從變壓器的上端吸出，并將壓力適當(dāng)增大后，迫使其進入到冷油器，通過其中冷卻水吸收油液中的熱量，使得油液的溫度大幅度下降。在該系統(tǒng)內(nèi)，鐵芯與繞組釋放出熱量后，先傳輸至油液內(nèi)，之后被冷卻水吸收，因而具有非常良好的冷卻效果。但需要注意的是，對于該冷卻系統(tǒng)來說，對變壓器的密封性具有較高的要求，且在冷卻時，油壓應(yīng)大于水壓。

1.2 傳統(tǒng)冷卻調(diào)控系統(tǒng)存在的缺陷

隨著社會生產(chǎn)的不斷加強，使得電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，逐漸提升了電力設(shè)備的輸出能力，帶給變壓器更大的運行負擔(dān)。所以，為了確保電子變壓器能夠穩(wěn)定運行，需要精確對其內(nèi)部溫度進行調(diào)節(jié)。在低負荷工況下，若局部溫度快速上升，可產(chǎn)生電流對抗性放電的現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器內(nèi)部出現(xiàn)損傷，從而降低變壓器的應(yīng)用時間。與此同時，在常規(guī)電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)，通常由諸多元件構(gòu)成，如散熱器、空氣開關(guān)等，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，也會對整個調(diào)控系統(tǒng)造成一定干擾。具體來說，主要體現(xiàn)在下述幾個方面：（1）由于元件數(shù)量增多，需要利用大量線路將這些元件連接到一起，這些線路與元件運行時，也會產(chǎn)生一定的熱量，從而干擾系統(tǒng)對變壓器溫度信息的采集分析結(jié)果；（2）常規(guī)調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)，采用了被動式感知反饋邏輯，智能化水平不高，精確度較低；（3）在對溫度進行調(diào)節(jié)時，采用了機械式定制邏輯降溫法，難以將溫度控制在最精確的條件下；（4）元件較多，需要內(nèi)部空間較大的箱體來進行固定，使得系統(tǒng)的占地面積大，造成土地資源的浪費。所以，開發(fā)出一款更加良好的電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)具有重要意義。

2 電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

由上述介紹可知，常規(guī)電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)在運行時，很容易出現(xiàn)各種問題，在一定程度上影響電子變壓器的穩(wěn)定性。所以，本次研究當(dāng)中，以解決上述分析的缺陷、問題為目的，提出了一種全新的融合方法，即硬件+算法的方式，以期從根本上解決這些問題與缺陷。對于常規(guī)電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)來說，最主要的問題為元件較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，針對這一問題，需要對常規(guī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在系統(tǒng)內(nèi)部安裝包含嵌入式單片機的PLC控制芯片作為系統(tǒng)的控制模塊，與此同時，設(shè)計出相應(yīng)的控制點骨架，以對各路傳感器、繼電器進行控制。針對繁雜的線路，通過集成處理使線路更加簡化，并密封到同一絕緣體內(nèi)，從而減少線路運行時所釋放出來的熱量，提升整個系統(tǒng)檢測、調(diào)控的精確性。此外，該系統(tǒng)調(diào)控的效果不僅受到硬件的影響，而且還與軟件算法邏輯有關(guān)，因而在確定好硬件結(jié)構(gòu)后，還應(yīng)選擇最佳算法邏輯。在本次研究中采用了電子變量算法，在該算法的作用下，能夠使電子變壓器反饋數(shù)據(jù)通過變量邏輯陣列計算，直觀展示出各數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，以得到更加精準(zhǔn)的調(diào)控效果。具體來說，該冷卻調(diào)控系統(tǒng)如結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC智能調(diào)控模塊設(shè)計

本次設(shè)計的電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)，PLC芯片是核心元件，其主要是完成數(shù)據(jù)的分析和指令的發(fā)布工作，這一元件選擇得好壞，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的應(yīng)用效果。為了保證調(diào)控系統(tǒng)的性能，本文選擇了型號為STM8S003F3P6的智能PLC芯片，并以此為基礎(chǔ)，通過對其他元件集成處理后，共同固定到電路板上。其中，在輸入端，一個端口與高精度傳感器相連，用于獲取電子變壓器的模擬量數(shù)據(jù)；另一個端口與溫度感應(yīng)器相連，用于電子變壓器內(nèi)部溫度信息的采集。在輸出端，一個端口與16組中間電子繼電器相連，型號為JQC-3FF-S-H，用于對整個集成電路的控制；另一個端口與3組多路電子相連，用于調(diào)控冷卻系統(tǒng)的關(guān)閉與啟動。

在硬件設(shè)計時，選取型號為RS485的通信接口，當(dāng)做系統(tǒng)的傳輸元件，以保證數(shù)據(jù)傳輸效率，提升控制效果精確性。在PLC智能調(diào)控模塊方面，應(yīng)符合多模組合平臺對接的特點，能夠針對電子變壓器的運行情況隨意調(diào)節(jié)硬件模塊的具體數(shù)目，在保證冷卻調(diào)控效果的同時，減少能源的使用，以便降低成本。常規(guī)調(diào)控系統(tǒng)運行時，信號傳輸通常存在一定的滯后性，針對這一問題，主要選擇了高精度傳感器，其可感應(yīng)到非常微弱的信號，從而為電子變壓器具體情況的分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 電子變量算法設(shè)計

在硬件模塊所設(shè)計中，采用了較多性能先進的數(shù)據(jù)采集、分析與控制元件，可提升數(shù)據(jù)采集的精確性，優(yōu)化了常規(guī)調(diào)控系統(tǒng)存在的滯后性問題。但對數(shù)據(jù)進行分析時，也可能產(chǎn)生較大的誤差，影響PLC芯片發(fā)布出最佳的控制指令，從而降低冷卻調(diào)控的精確性。對于這一問題來說，最根本的原因就是缺少科學(xué)的算法邏輯。所以，在設(shè)計出硬件平臺后，還應(yīng)選擇最佳的算法邏輯。在本次研究當(dāng)中，采用了電子變量算法，通過對采集數(shù)據(jù)信息的分析與處理，推導(dǎo)出精準(zhǔn)動態(tài)峰值，從而產(chǎn)生更加精確的控制指令。

3 仿真實驗分析

為了驗證本次設(shè)計出來的電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)性能是否達到要求，展開了相應(yīng)的仿真實驗分析。通過實驗分析后，可以得到如表1所示結(jié)果。通過該表的觀察可以發(fā)現(xiàn)，相對于常規(guī)系統(tǒng)來說，本系統(tǒng)的各項性能均更優(yōu)一些，表明該系統(tǒng)可應(yīng)用到實際當(dāng)中。

表1 仿真實驗分析結(jié)果表

總結(jié)：綜上所述，本文主要利用PLC芯片為核心，設(shè)計出有一款性能更加健全、功能更加良好的電子變壓器冷卻調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為精簡，自身運行對檢測結(jié)果的干擾并不是很大，且各項檢測結(jié)果均優(yōu)于常規(guī)調(diào)控系統(tǒng)，可將其應(yīng)用到實際當(dāng)中。