硕士学位论文-PLC控制在500kV电力变压器风冷系统中的应用.doc

天 津 大 学硕士学位论文论文题目：PLC控制在500kV电力变压器风冷系统中的应用英文题目：Application of PLC control in 500kV power transformer air cooling system姓名：学号：2513203109导师姓名：.二零一五年七月天津大学硕士学位论文摘 要论文针对500kV电力变压器风冷系统传统继电器控制存在的问题和缺陷，结合现代电网智能化，自动化的发展方向, 研究改进风冷系统控制方法，提出500kV电力变压器风冷系统PLC（PLC，Programmable logic controller）控制方案,并进行了系统的软硬件设计；本论文主要包括以下内容：（1）对500kV变电站现场实际发生的事故案例和相关运行数据进行分析，查找事故发生的原因和变压器风冷系统中存在的缺陷；分析变压器的发热、散热原理，研究传统变压器冷却系统的控制方法和工作原理。（2）通过分析传统变压器风冷系统的控制方法，对比继电器控制的缺陷，引入可编程控制器（PLC）控制技术，结合变压器的运行环境条件，制定相应的PLC控制方法和策略，确定控制思路。（3）根据变压器风冷控制系统的结构和功能以及所制定的控制策略，完成对风冷二次回路结构和功能的设计，并进行可编程控制器（PLC）和系统主要器件的选型，设计立足于PLC控制技术的变压器风冷控制回路的系统接线。通过在变压器风冷控制系统中引入PLC控制技术 ，可以减少变压器冷却系统中的分立元件、降低变压器冷却系统的故障几率、简化系统二次接线，方便故障查找和检修，减少系统的维护工作量，实现变压器冷却系统实时信息的自动采集和综合应用，提高电力变压器的安全性、可靠性和经济性。关键词：电力变压器；风冷系统；PLC控制；控制策略IAbstractFor 500kV power transformer cooling system of traditional relay control problems and shortcomings, combined with modern intelligent power grid. Automation development direction, to improve the study of air cooling system control method proposed 500kV power transformer cooling system PLC control scheme and the design of hardware and software of the system; this paper mainly includes the following content:(1) for 500 kV substation site actual accident cases and relevant operation data analysis, defects find accident causes and transformer cooling system; analysis of transformer of the heating and cooling principle, study of traditional transformer cooling system control method and the principle of work.(2) through the analysis of traditional transformer cooling system control method, relay control contrast of defects, the introduction of programmable controller (PLC) control technology, according to the running environment of transformer, formulate the corresponding PLC control methods and strategies, determine the control ideas.(3) according to the control strategy of the transformer wind cooling control system structure and function as well as the formulated, completion of air-cooled secondary circuit structure and function of the design and selection of the main parts of an apparatus of the programmable logical controller (PLC) and system, design based on PLC control of air cooled transformer secondary circuit wiring diagram.Through the transformer wind cooling control system using PLC control technology, can reduce the transformer cooling system of discrete components, reduce maintenance workload of the probability of failure, simplified system secondary wiring, troubleshooting and maintenance is convenient, reduce the system of transformer cooling system, realization of transformer cooling system the automatic acquisition of real-time information and comprehensive application and improve the safety and economic operation of transformer.Keyword：Power transformer; air cooling system; PLC control; control strategyII天津大学硕士学位论文目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1课题来源及研究意义11.2 电力变压器冷却系统发展现状31.3 论文的主要研究内容51.4本章小结5第二章 变压器风冷系统的控制原理62.1 电力变压器的发热和冷却过程62.1.1 变压器发热过程62.1.2 变压器冷却过程62.2变压器冷却方式的选取72.3电力变压器风冷控制的规定82.3.1对变压器的冷却系统的要求82.3.2变压器温度限值82.3.3 强迫油循环冷却变压器的运行条件92.4变压器强迫油循环风冷系统的工作原理92.4.1 强迫油循环风冷系统的结构92.4.2 强迫油循环风冷系统工作原理102.5本章小结12第三章 电力变压器风冷系统PLC控制方案及策略133.1变压器风冷系统的PLC控制流程133.1.1风冷控制系统的功能模块133.1.2冷却控制系统功能设定143.2 变压器油温自动检测方法153.3 PLC综合投/切控制策略163.3.1 控制策略原理173.3.2 控制参数的整定173.3.3冷却器按运行时间投/切策略183.4 PLC编程思路193.4.1软件总体设计203.4.2投/切判断和投/切处理213.5 本章小结22第四章 变压器风冷系统PLC控制原理及接线设计234.1 PLC器件的介绍及选用234.1.1 PLC简介234.1.2 PLC结构及工作原理254.1.3 PLC的输入输出284.2凝露温度监控器294.3电动机保护器304.4开关器件304.5控制系统电气接线304.5.1电源和凝露温度监控304.5.2冷却器电动机保护控制324.5.3 PLC的输入输出324.5.4通信连接364.6本章小结37第五章 结论与展望385.1 论文结论385.2 研究展望38参 考 文 献40致 谢43第一章 绪论1.1课题来源及研究意义目前的电力系统中，大型发电厂生产的电能须经过电力变压器升压后才可进入输电网络；交流输电网络中，为了有利于电能输送，提高或降低电压，实现电压等级的变换，都需要电力变压器的参与；可以说，电力变压器是电力系统中的核心设备。变压器的主要组成部件是绕组和铁心。当电流流经变压器绕组，线圈绕组中产生磁通，并在铁芯内流动，硅钢片做成的铁芯也是导电材料，铁芯切割绕组磁力线，其内部产生感应电动势，由于在铁芯的中可以形成闭合的回路，从而产生感应电流，我们称其为“涡流”。“涡流”增加变压器的损耗，使铁芯产生热量，温度升高。这部分由变压器“涡流”而形成的损耗就是 “铁损”。变压器的绕组由大量的铜线绕制而成，电流流过绕组，产生热量，造成一部分变压器损耗，这种损耗我们称之为“铜损”。铁损和铜损共同导致变压器的温度上升。当变压器温度过高，就会影响变压器的正常运行，久而久之会缩短变压器使用年限。因此，在变电站等工程现场中，需要采取适当、有效的措施，对大型变压器进行冷却，限制变压器这部分温升，如果变压器冷却系统出现故障，有可能在变电站现场引起重大事故。下面根据某500kV变电站实际发生过的变压器风冷电源故障导致主变压器故障跳闸的事故案例展开分析1-3。（1）事故经过：2010年4月11日23时04分28秒，某500kV变电站的2#主变风冷保护动作，全停，5012、5013、202、302断路器跳闸，2#主变停运。经过运行人员得现场检查，终于发现2#主变一、二次设备停运，2#主变的A、C相运转正常，B相风冷系统已停运，三侧开关处于分闸位置，2#主变非电量保护RCS974FG报冷控失电A相启动报告；故障录波器启动，测距0km；当时是阴天，气温为0，空气湿度为0.25、扬沙，风速为6m/s。通过事故原因调查，采取相应的安全技术措施，在4月14日23时50分2#主变返回正常运行。（2）现场检查情况：1）2#主变检验，结果正常；2）2#主变A、B、C风冷控制箱内继电器、接触器等设备检查，结果正常，时间继电器现场整定正确；3）风冷系统二次回路及其接线检查，接线均依照设计图纸，接线情况结果正常。 4） 当KMS1、KMS2失磁的时候做触点检查，常闭触点电阻接近0,常开触点电阻为无穷大；风冷系统全停跳闸回路绝缘良好。5）针对2#主变A、B、C三相，做工作电源的故障投/切试验，结果A、C两相I、II段交流电源能进行自动切换，而在II段工作电源故障投/切I段电源时B相投/切3次有1次I段的交流电源继电器没有吸合，投/切不成功；在现场没有任何改动情况下，10秒后再重复此试验，成功投/切。6） 现场对2#主变变压器模拟延时跳闸功能，动作均符合规定：当温度达到75，延时20min，风冷系统全停，60min后跳开变压器三侧开关。（3）原因分析:1) 22时07分主变C相接地，在站内形成较大的电压波动，380V交流电源I、II段母线出现顷刻间电压跌落，低于整定值，继电器动作，监控系统发出“2#主变风冷电源I故障动作”、“2#主变风冷电源II故障动作”的信号，此时2#主变风冷系统失电停运；在系统低压故障恢复的功能下， 152ms后2#主变风冷电源电压恢复，监控报“2#主变风冷电源I复归” 、“2#主变风冷电源II复归”，2#主变冷却系统恢复运行；22：15min，通过运行人员检查，证明了2#主变的冷却系统处于正常状态运行。2) 2#主变变压器风冷电源故障恢复57min后，23：04分2#主变保护C#冷控屏失电，2#主变A相三侧开关延时跳闸动作。这是由于： 22：07分，2#主变风冷电源I、II段同时瞬间故障，三相电源I、II段同时失电，监控报“风冷电源I、II段故障”信号，同时常闭接点KMS2接通（一般KMS2处于开启状态），时间继电器KT11和KT12起动；152ms后， 2#主变风冷电源I、II段电压恢复，风冷电源的A、B、C三相接触器闭合，回到正常状态，同时KMS2常闭接点开启， KT11和KT12计时停止并返回；此时：B、C相时间继电器正常，而由于KMS2常闭接点未打开，A相的跳闸时间继电器一直在计时，且由于系统设计的因素，由于主变变压器温度未达75度，信号不报监控系统，在延时1h后保护动作，导致2#主变跳闸。2#主变B相风冷停运的原因是继电器有质量问题，导致B相风冷系统在备用电源切换时没有可靠动作。通过对上述事故案例的分析，有效控制和适当改进电力变压器冷却系统的非常重要。本课题研究是以500kV变电站现场实际发生的事故案例为研究背景，结合现场实际问题，立足于理论研究与方案设计。通过分析500kV电力变压器的风冷二次回路的运行原理及特点，提出将PLC控制技术应用于风冷系统的控制方案，对风冷二次回路进行该进；并研究相应的控制方法和策略，设计系统控制原理和接线方式。研究方案和结论可为500kV电力变压器的生产和应用提供一定的参考。1.2 电力变压器冷却系统发展现状当前，国内外电力变压器冷却主要有以下5种方式：即自然油循环自冷、自然油循环风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷以及强迫导向油循环冷却。对于小容量配电变压器主要采用自然油循环自冷散热方式，依靠自然冷却，不需要采用风冷控制系统。采用强迫油循环水冷散热方式的前提是发电厂水源充足，这样可以缩小占地面积。随着变压器制造技术的不断进步，强迫导向油循环冷却方式逐步被应用4-6。而目前使用较为广泛的变压器散热方式是自然油循环风冷散热和强迫油循环风冷散热，通常运用于大容量变压器的冷却中7。110 kV及以上变电站的主变冷却方式多为自循环风冷或强油循环风(水)冷，传统主变的风冷控制系统多生产与上世纪 60 年代，主电路主要采用接触进行器控制，通过控制接触器的机械触点开合而实现风冷系统的启停控制。风机的短路保护、过载保护、缺相保护主要使用保险丝配合热继电器来完成。工作原理是：由胀管式电接点油温表检测变压器油温，根据设置的油温限值，给接触器机械触点发出指令。其控制器件有继电器、接触器逻辑电路控制，采用万能转换开关进行参数设定。这种控制方式主要存在以下问题：1. 逻辑控制复杂，可靠性不足。风冷控制系统主要包含以下几部分：主回路、控制回路、保护回路和通信回路，主要由继电器来完成。控制回路繁杂，逻辑条理不清晰，而且接触器经过长时间的运行，难免出现接触不灵敏，触点烧毁等现象，影响控制的可靠性。2. 油温测量精确度低。电力变压器油温的检测主要采用胀管式电接点油温表，采用变压器上配置的的信号温度计来测量油温，这样使得油温测量精确度大大下降。3. 风冷机保护不可靠。风冷机短路保护、过载保护依靠空开和热继电器来实现，很难做到对风冷机准确实时的保护。4. 控制回路故障率高。风冷系统的控制逻辑主要由继电器来完成，而继电器线圈和触点很容易被烧毁和烧结，尤其在风机短路等时，短路电流引起的发热容易是控制回路出现故障，增加维护的工作量。5. 远程通讯困难。例如山东菏泽供电公司一百多台变压器，每年需更换的热继电器、接触器就达 30 多次，基本带电更换，且在狭窄的风控箱中空间不便利，对设备的安全运行造成很大的隐患同时危及人身的安全，因此继电器式的风冷控制系统无益于主变的安全运行，对电网的可靠运行造成潜在的隐患。近年来，随着电力系统的快速发展，电力设备不断更新，数量也在逐年增加，各区域变电站以及变电设备几乎成倍增长，变电运行人员出现严重短缺的现象，促使国内无人值守变电站不断增多，同时，变电站的无人化、自动化、智能化也是变电站发展的方向。由于变压器本身价格昂贵，变电站建设成本高，变压器损坏带来的影响无法估量，因此，对变压器进行远程监视与保护是一项非常重要的工作，而主变的散热、冷却保护是其核心内容。综上所述，鉴于传统的继电器式风冷控制系统的多种弊端和不足，为了电力系统的可靠、稳定，保护电网重要设备以及电力用户的安全供电，对传统电力变压器风冷控制系统进行一定的改进和完善是当务之急8。电力变压器的生产大多集中在沈阳、保定、西安等城市；合资厂主要是ABB、西门子等。强迫油循环风冷系统大多数厂商生产变压器采用的普遍配置，这些系统冷却方式的工作原理、逻辑回路乃至主要元器件的选配基本接近。其风冷控制系统包括电磁式交流继电器、交流接触器、常规模拟式温控器、组合断路器、热偶等；强迫油循环风冷却的系统中，油泵和风机设定为为三种运行状态，即运行、辅助和备用三种状态。运行机组主要在正常运行时起动；当变压器油温度高时启动辅助机组；当运行机组或辅助机组出现故障时起动备用机组。成本低廉，应用广泛是传统继电式控制系统的主要优点；而其主要缺点是控制器件采用互为备用的两路独立交流主供电源，几乎没有逻辑控制功能，无法实现通讯和保护，触点接触不良现象时有发生，交流接触器和热偶等器件容易损坏9-10。通过分析目前的电力变压器风冷却控制系统存在的问题和缺陷，本课题提出将可编程逻辑控制器（PLC，Programmable logic controller）控制技术应用于电力变压器风冷控制回路。利用PLC高可靠性、强抗干扰能力、智能化的优越性，可以做到精确控制变压器油温；通过PLC编程实现系统控制功能，这样使得系统接线大为简化，增强了控制系统的可靠性；使冷却器的保护和控制更加完善，延长了设备工作寿命；同时还能利用通信手段远程监视变压器风冷系统运行状态。随着技术的不断进步，电网设备安全可靠运行的要求愈加迫切，设计基于PLC控制的的电力变压器风冷冷却系统，对变压器设备的安全以及电网运行可靠非常重要。1.3 论文的主要研究内容本论文针对500kV电力变压器传统风冷系统继电器控制存在的问题和缺陷，结合现有的自动控制技术以及现代电网智能化，自动化的发展方向，设计500kV电力变压器风冷系统PLC控制方案,对风冷控制系统的控制方案进行研究与设计；论文主要包括以下内容：（1）分析500kV变电站现场实际发生的事故案例和相关运行数据以及查找事故发生的原因，研究变压器的发热、散热原理以及工程实际中的常用的冷却方式，论证传统变压器风冷系统中存在的缺陷；研究和分析变压器强油风冷系统及的工作原理。（2）通过论文前述内容的研究分析，针对传统继电器控制的缺点，引入可编程控制器（PLC）控制技术；介绍了PLC控制的基本组成部分，并结合变压器的运行环境条件，制定基于PLC控制的变压器风冷系统控制策略以及总体控制思路。（3）详细介绍变压器风冷控制系统的中可编程控制器（PLC）以及其组成元件的功能和工作原理，根据控制系统的结构和功能，完成风冷系统主要器件和可编程控制器的选型，设计变压器风冷系统控制的PLC接线方式。通过在变压器风冷系统中引入PLC控制技术，可以在一定程度上减少变压器冷却系统中的其他元件，使得变压器冷却系统的故障率大大降低，同时简化二次接线，使故障查找和检修更加方便，减少维护工作量，实现变压器冷却系统实时信息的自动采集和综合应用，增强变压器运行安全性。1.4本章小结本章是论文开篇，作为文章的引入，首先主要阐述了本课题的研究来源与其实际意义；其次叙述了本课题的研究现状，作为论文工作的依据和参考；最后阐述了本论文重点研究的内容和所作的工作。第二章 变压器风冷系统的控制原理2.1 电力变压器的发热和冷却过程2.1.1 变压器发热过程电力变压器在运行过程中,在铁芯和线圈上形成损耗，产生的热量需要经过其所处介质散发到周围空气中,这个散热过程将引起变压器整体发热，导致变压器温度升高。为了保护变压器及其元器件，维持正常运行，必须对变压器采取一定的的措施限制变压器温升。变压器运行时线圈和铁芯温度升高,开始温度上升速度较快，随着温度升高到一定程度，线圈和铁芯与其周围的冷却介质形成温度差,热量将会传递给介质，介质吸收热量温度增高,线圈和铁芯的温升就会减缓,在这个过程中,线圈、铁芯的温升趋于稳定状态，形成动态的热平衡11-12。2.1.2 变压器冷却过程变压器的冷却需要经过多重热量的传递过程。热量从铁芯到表面变压器油，从变压器油到冷却器箱体内表面，冷却器箱体外表面到周围空气的传热3个阶段。热量从线圈和铁芯产生后,由铁芯内部传到铁芯外表面,再从铁芯传到表面周围介质，通过变压器油对流作用，热量在变压器油中散发开来,最终导致油温不断升高。油温升高以后,热油向上流动与油箱相接触将热量传到油箱外壁，散热后的变压器油再向下流动重新流入线圈,这就是变压器油的对流散热，经过这个过程，变压器油箱外壁吸收热量，温度升高。热量传到油箱内壁，再从壁的内侧传导到外侧(油箱壁的内外侧温差较小,= 3）和变压器周围空气产生温差,与空气形成对流以及热辐射,从而把热量传导到周围环境中13。对于变压器强迫油循环系统，冷却器中就是采用潜油泵产生压力加速变压器油的流动,加快热量对流过程。变压器油的热对流包括两种形式，即热传导和热辐射，两个过程是同时的。经过传导和辐射，箱内变压器油的热量到达冷却器，箱壁外侧获得热量后又以传导、辐射的形式从箱壁传到周围的空气。冷却器风扇的作用就是加快变压器箱壁周围的空气流动,把热量带走加快散热 14-15，如图2-1所示。图2-1 变压器散热过程图2.2变压器冷却方式的选取在我国，对于大型电力变压器通常依据变压器容量来配置强油风冷却器。一般一台潜油泵再加34台风扇组成一组风冷却器。根据变压器各种不同的运行工况，常选取1台冷却器作为备用，故障时这组备用冷却器可自动投入运行；还有1台辅助冷却器，当负荷电流超过额定电流的70或者顶层油温高于某一定值时辅助冷却器自动投入运行；其余所有冷却器全部投入运行。如此配备冷却系统也有其缺陷，如SFP7-240000/330型主变，其装有6台容量为250KW的风冷却器，夏天高温时，如果变压器满载运行时，即使冷却系统全部投入运行，其顶层油温依然高达70。在夏季暴雨过后的夜间，由于变压器负荷和周围气温突然下降，此时停运变压器辅助冷却器，变压器油温仍然低于30，这样使得变压器油温的变化幅度比环境温度变化还大。当冬季负荷较低或天气特别寒冷时，变压器油温过低则必须补充变压器油；这样的过程不利于安全运行，将会直接影响变压器的使用寿命16-18。目前常用的变压器的散热冷却主要以下几种：自然油循环自冷散热、自然油循环风冷散热、强迫油循环风冷散热和强迫油循环水冷散热。其中，自然油循环自冷散热主要用于小型配电变压器，不需要风冷系统的参与；强迫油循环水冷散热仅用在个别大型的变压器；自然油循环风冷散热和强迫油循环风冷散热是目前变电站主变变压器使用广泛的散热形式，自然油循环风冷散热即利用变压器绕组和铁心发热传导到变压器油，再经过对流，冷却风扇吹出的风将变压器油流过散热器后传递热量带走,从而起到散热的效果，自然油循环风冷散热主要使用在中小型的变压器场合。强迫油循环风冷散热就是采用油泵迫使变压器箱体内的油快速循环流动，由冷却风扇吹出的风把变压器油带到散热器的热量散发走,这种冷却方式主要用于大中型变压器。强迫油循环风冷却器(简称风冷却器)与自然油循环风冷却器的不同之处就是采用潜油泵强迫变压器油进行流动,使油流循环加快,加速冷却，提高效率19。2.3电力变压器风冷控制的规定主要参考电力变压器运行规程(DL/T 572-95)，在变压器冷却控制系统的设计中，做出关于电力变压器强迫油循环风冷却系统及其运行条件的有关规定20。2.3.1对变压器的冷却系统的要求（1）油浸式变压器冷却系统、其温度测量装置等应符合GB6451的要求。（2）按照出厂规定配置变压器冷却系统。（3）强迫油循环风冷却系统应该具有两个独立的工作电源且可以进行自动切换。当工作电源出现故障，可自动投入备用电源并发出音响或灯光信号。（4）强迫油循环风冷控制变压器，当切除故障冷却器时应发出音响或灯光信号，并自动投入备用冷却器(水冷系统手动投入)。（5）水泵、油泵和风扇的附属电动机应具有过负荷、短路及断相保护；应该具有装置可监视油泵电机旋转方向。（6）强迫油循环冷却控制的变压器，应温度和负载控制冷却器投/切。2.3.2变压器温度限值对于强迫油循环变压器，其顶层油温不应超过表2-1的规定或不超过制造厂的规定)。冷却介质温度低时，顶层油温也相应降低21。表2-1 油浸式变压器顶层油温一般限值冷却方式冷却介质最高温度（）最高顶层油温（）强迫油循环风冷40852.3.3 强迫油循环冷却变压器的运行条件（1）在强迫油循环冷却变压器运行时应该投入冷却器。当变压器处于轻载时可以投入少量的冷却器，空载允许投入少量的冷却器或短时不投。具体投入冷却器数量，按照厂家规定操作。（2）投入强迫油循环变压器的冷却器时应逐渐投入，而且应该根据负载的情况控制投入台数。（3）强迫油循环风冷变压器，当冷却器出现故障需要全部切除时，允许其保持额定负载运行，但不超过20分钟。且顶层油温允许上升到75，但这种状态下运行时长不得大于一小时。2.4变压器强迫油循环风冷系统的工作原理2.4.1 强迫油循环风冷系统的结构如图2-2是强迫油循环风冷系统变压器。通过潜油泵将处于变压器顶层的高温油送入冷却管，经过内部多次折流, 变压器油中的热量被冷却管壁所吸收，由于管壁与空气接触，可以向空气直接释放热量。此时,为了加快管壁热量的散发，在管壁空气侧使用风扇吹风，吹出的冷风将冷却管放出的热量带走, 加快高温油冷却，经过冷却后的变压器油从冷却器底端回流到变压器油箱。图2-2 现场变压器实物图风冷系统主要包括：冷却器本体、潜油泵、风扇、净油器、油温继电器等部件；冷却器本体由一簇冷却竹与上、下集油室焊接而成，潜油泵是一种特制的油内电动机型离心泵,把电动机的定子和转子全部浸入变压器油，这样使油系统构成密闭循环系统，潜油泵强迫变压器油循环，提高散热的效率；风扇主要有轴流式单级叶轮和二相异步电动机两部分，经过风扇的吹动，加速变压器油的冷却；冷却器下边安装有净油器，净油器是填满吸附剂活性氧化铝的容器，与下集油室相连，当变压器油流经冷却器通过净油器时，吸附剂将油中的水分、游离酸和过氧化合物吸收,从而净化变压器油。油温继电器是一种保护装置，它可以监视强迫油风冷系统中油泵的正反转，阀门开闭和油流是否正常22-24。如图2-3所示即变压器风冷系统的结构。图2-3 变压器总体结构剖面图2.4.2 强迫油循环风冷系统工作原理风冷控制系统主要由部分构成，即控制箱和总控制箱，控制箱内装设接触器、热继电器等；总控制箱装有主接触器、控制开关、继电器等的。继电器控制系统如图2-4所示。图2-4 继电器控制系统示意图风冷系统控制线路各部分的工作情况如下：（1）电源自动控制风冷控制系统一般具有2个独立电源，一个是工作电源，另一个作为备用，采用万能转换开关控制；如“I工作、II备用”，如果母线接于I电源不接电源。当I电源失压或断相时，系统将系统母线从I电源切出，再接通II电源整个过程需要经一定延时。“II工作、I备用”时线路工作情况与上述相同25。（2）冷却器控制在变压器投运之前，可以通过控制开关手柄选定风冷却器的工作状态：“工作”、“辅助”或“备用”；当油泵投运且油流速度达到某一值时，油温继电器的动合触点闭合，动断触点打开，信号灯点亮，此时说明冷却器处于正常运行；若冷却器内油流不正常，且规定值之下时，油温继电器的动合触点跳开，信号灯熄灭，此时说明冷却器出现问题；这时需要控制系统启用备用的冷却器组；当潜油泵、风扇的电机出现故障，由热继动作打开主触点，达到保护电机的效果，过一段时间后才可启用备用冷却器，提示故障信号26-28。可见，正常运行时不投运冷却器备用，负载低时不投运辅助冷却器；只有当变压器油温达到其规定值（如70、55）时，或负载电流达到70额定值时才会闭合温控器的触点，使线圈励磁、投运辅助冷却器。（3）故障回路通过现场的总控制箱，才能观察到故障回路的信号，主要包括如下4种：（1）当两个电源全部消失，冷却器全部停止运行时，经一定延时后，断路器跳闸从系统切除变压器，系统发出“冷却器全停”信号；（2）当电源发生故障时发出“故障”信号；（3）当工作、辅助冷却器出现故障而投入备用冷却器时，此时发出“故障”信号；（4）当备用冷却器投运后发生故障时，系统发出“故障”信号。2.5本章小结本章首先介绍了电力变压器的发热和冷却原理及其过程，进而分析了不同变压器冷却方式的选取原则；然后阐述了风冷却方式的的一般要求和规定；最后对大型电力变压器采用的强迫油循环风冷系统的工作原理和流程做了详细的分析论述，为论文的后续章节内容奠定了基础。第三章 电力变压器风冷系统PLC控制方案及策略本章将针对类似500kV的大型电力变压器的风冷控制系统，基于可编程控制器（PLC）技术，具体介绍PLC控制方法在大型电力变压器的风冷控制系统的应用，设计控制流程，制定电力变压器风冷系统PLC控制方案及其控制策略。3.1变压器风冷系统的PLC控制流程3.1.1风冷控制系统的功能模块在本论文中，PLC是500kV电力变压器风冷却控制装置的核心器件，通过可编程序控制器实现系统的基本功能，依据控制系统的功能设计，以PLC为控制核心，风冷控制系统主要包括6个功能模块29-33，如图3-1示。变压器风冷却控制系统包括：电源监视控制模块、冷却器投/切保护模块、凝露温度监控模块、就地控制与显示模块、通讯模块、上位计算机监视模块6个功能模块，下面介绍功能模块的具体实现方法和作用：（1）电源监视控制模块。系统主要采用电压继电器来监视为冷却系统供电的2路独立电源的工作状态，判别电源缺相与否，配置2台断路器控制两路电源的投/切；两路电源和断路器辅助节点产生工作状态信号送到可编程序控制器；最后通过PLC综合判断，并生成控制命令控制电源投/切，再由断路器执行电源投/切动作。图3-1 冷却控制装置功能模块框图（2）冷却器投/切保护模块。冷却器的投入或切除主要由交流接触器控制，空气开关与电动机保护器的相配合，完成风扇和潜油泵电动机的保护（包括：短路、过载、堵转和缺相）。系统采集变压器的温度、运行状态、冷却器油温、空开状态及接触器的状态等信号，送入到PLC，PLC根据这些送入的信号判断电机、油流和接触器故障定位，继而产生投/切冷却器的控制指令，给接触器执行这个投/切指令。（3）凝露温度监控模块。凝露温度监控器主要用来实时监控环境的温度、湿度等，若环境湿度达到给定值，凝露负载的输出导通，导通信号送达PLC，通过控制器判断是否投运全部风冷却器：若温度达到给定值，系统可以启动冷却控制箱体内的加热装置，为控制装置箱体除湿；当温度达到给定值，系统启动装置箱体内的风扇，给控制装置散热。（4）就地控制和显示模块。控制面板标有“手动”或“自动”投/切冷却器的标识，“手动”状态下，冷却器可以手动投/切，可以手动选择 “主”电源，可以手动将故障信号复位。同时显示电源和风冷却器的各种故障、投入状态的信息以及变压器过流、超温、风冷却器全停等信息。（5）通讯模块。PLC通过其RS485口经串口长线延长器可以与的上位计算机通信，通讯模块定期将变压器、冷却器和控制装置的运行、故障信息传送到上位计算机。（6）上位机监视模块。上位机采集主变、冷却器及其控制系统的运行、故障等信息，并且实现动态故障显示和报警。系统主要通过PLC采集电源、断路器状态以及变压器开关信号、温度信号、冷却器的油流和电动机状态信号、凝露温度及各种操作信号，再经过其综合判断生成控制决策、故障报警信号，连同各种运行信息、故障信息传到上位计算机，实现上位机监视变压器冷却系统的效果。3.1.2冷却控制系统功能设定按照电力变压器运行规程，结合目前电网自动化的发展要求，分析如500kV等大型变压器强迫油循环风冷控制系统，本章将完成变压器风冷控制系统的功能设计：（1）本系统由两路独立电源供电，其中一路为“主”电源 ，另一路为“辅”电源，通过万能转换开关控制选择。如果“主”电源发生故障，控制系统会发出电源故障信号，此时开关自动投入“辅”电源；如果两路电源都发生了故障，控制系统发出“系统失电”信号，风冷装置自动切出；这样保证了风冷控制系统的运行可靠性。（2）当变压器高、中、低三侧开关断开后，为了使变压器充分冷却，经过一段延时风冷系统自动停止运行；当变压器高、中、低三侧开关其中一侧闭合后，风冷系统将自动投入运行。（3）本设计的风冷控制系统包含8组风冷却器，与传统的固定运行工作模式不同的是，本系统可以按照变压器油温变化自动、依次投入相应数量的冷却器，这样无论所带负荷、变压器周围环境温度如何波动，其油温可以维持在一个稳定范围；将冷却器依次可控地投入，既可以防止冲击电流，同时可以预防或改善油流带电的现象。 （4）为避免冷却器组频繁投/切的现象，本论文设计的风冷系统在控制系统投/切决策时，引入了有差值裕度投/切阈值的控制策略。（5）风冷控制系统中，有选择性地投入冷却器组。利用计时器计算冷却器组投入后的持续运行时间或其累计运行时间，在选择投入冷却器时，自动投入运行时间最短的冷却器；在选择切出冷却器时，自动切出持续运行时间较长的冷却器组，这样可以平衡冷却器组的工作量，提高风冷系统的整体可靠性和使用寿命。（6）在湿热季节，为了避免冷却系统机械部分受潮腐蚀等情况，系统采用凝露温度监控器监视环境温度和湿度，根据环境的湿度情况以及湿度持续时间，选择投入冷却器组，以保证冷却器的正常投运。当温度或湿达到某一数值时，自动接通控制箱内的散热或加热装置，保证设备内部温度满足要求，防止装置箱体内产生凝露。（7）风冷控制系统中的保护装置，可以检测并保护冷却器风扇和潜油泵电动机发生的缺相、短路、堵转以及过载等故障。通过检测冷却器组的风扇和潜油泵电动机故障、油路故障及控制冷却器投/切的接触器故障，在故障时，控制保护装置将自动切除该冷却器组，并发出故障及报警信号；带故障消除后，可以手动将报警系统复位。（8）当风冷系统全部停运时，系统发出报警信号，并允许带额定负载运行20分钟，若20分钟后顶层油温未达到75，则允许继续运行一段时间（直到达到75），但运行时间不能超过1小时，否则将变压器停运。（9）风冷控制系统的远方监控功能。控制装置通过串行口与上位计算机通信，将变压器的部分运行、冷却及控制信息、故障信息传送到上位计算机，实现远方监控。系统通过控制面板显示控制装置的各种运行信息，包括电源运行和故障，风冷却器运行和故障，接触器故障；同时可以选择手动、自动操作，投/切冷却器组。3.2 变压器油温自动检测方法通过分析变压器风冷系统的工作特性，在本论文设计中引入了断续负反馈控制思路，自动控制变压器油温。将变压器顶层油温作为系统被控量，PLC作为控制器；交流接触器作为执行机构；冷却系统作为被控对象，温控继电器是变送器，变压器负荷和环境温度作为控制系统的外部扰动。油温自动控制系统如图3-2所示。图3-2 变压器油温自动控制系统鉴于被控对象变压器油温的特性，控制系统只能以按组投/切冷却器来对控制变压器油的温度，无法将变压器油温控制在某一衡定值，而是将其控制在一个温度范围内。区别于常见的恒值负反馈控制或随动负反馈控制，本系统设计采用的断续反馈控制的方法。断续负反馈控制即系统对被控对象的控制作用不连续，相应的外部扰动导致被控量变化经控制系统的作用，也不能使其保持在某一定值而是一个值的区间34-35。如图3-2中的控制逻辑，由变压器所带的负荷或周围环境温度波动将导致变压器油箱内油温发生变化，温度继电器采集油温变化信号送到PLC，PLC根据所制定的控制策略，产生控制决策指令，通过接触器从而控制冷却器组的投/切，由于增加或减少冷却器组的投运，达到控制变压器油温的变化的目的，这就是本设计变压器油温断续负反馈控制过程。3.3 PLC综合投/切控制策略研究基于PLC的冷却器组综合投/切控制策略是本章电力变压器风冷控制系统设计中的主要内容，是变压器风冷系统元件选择及接线设计的理论基础。控制方法及其策略的合理性将决定控制系统的设计效果，同时将决定控制系统的运行性能。传统的继电器控制通常设定固定的温度阈值，变压器顶层油温超过阈值继电器动作，投入“辅助”冷却器；油温低于设定阈值将切出已投入的“辅助”冷却器。这种控制方法的缺点是，当变压器油温在温度阈值上下波动时，冷却器组需要频繁地投入和切出，而且动作的灵敏性不足。论文变压器风冷控制系统基本设计思路如下：采用变压器油温的变化，系统自动决策投/切冷却器组，最终使得油温维持在一个稳定的范围，满足变压器的正常运行要求。在冷却器控制系统中引入了三种控制思路：一是断续负反馈控制的方法；二是有差值裕度的投/切控制策略；三是按累计运行时间投/切冷却器的控制思想。从而解决了频繁投/切冷却器和冷却器工作量不平衡的难题。3.3.1 控制策略原理为有效的避免系统冷却器组的频繁投/切，提出了有差值裕度的投/切温度阈值综合投/切控制策略36-39，如图3-3所示。图3-3 按温度投/切冷却器过程图3-3中， 表示变压器顶层油温，其中 是冷却器切除的温度阈值，冷却器投入的温度阈值为。-即为差值裕度，如式（3.1）所示。 （3.1）式中：差值裕度冷却器投入温度阈值冷却器切出温度阈值冷却器的投/切过程如下：变压器上层油温上升且超过时，投入冷却器；变压器的油温下降且低于时，切出一部分冷却器；当变压器油温处于之间时，控制系统不做投/切动作；收到投/切指令时，具体投入或切除哪一组冷却器，结合运行时间投/切冷却器的控制思想进行决策。3.3.2 控制参数的整定在有差值裕度的投/切温度阈值的控制策略中，参数的整定是重要的环节，通常在实际控制中根据厂商规定或运行规程要求确定投入温度阈值。这样差值裕度的选取就变得较为重要，直接影响到系统控制功能，由和互相确定。参数必须合理选取，当变压器负荷稳定且顶层油温大于且在附近时，投入一组风冷却器且随后变压器油温将会下降；此时，若选择太小，将使得油温迅速降低，直到小于，则又要切出一组冷却器，而当冷却器的退出后，将会导致变压器油温立刻回升且高于，随之产生投入冷却器的需求；如此恶性循环往复必将导致冷却器的频繁投/切。而若选取太大，后果是变压器油温波动范围过大动40。因此，差值裕度的选取方法如下： （3.2）式中：差值裕度冷却器投入温度阈值投入一组冷却器且稳定后的变压器油温（阈值为时）为温度裕度参数可以由变压器厂商通过试验获取，或者由现场人员根据变压器运行经验具体选取整定。3.3.3冷却器按运行时间投/切策略区别于传统的继电器采用“辅助”冷却器控制方法，温度负反馈控制的变压器油温自动控制系统中没有 “工作”、“辅助”、“备用” 固定的运行方式，利用有差值裕度的投/切控制策略或按持续和累积运行时间的投/切控制，作出冷却器的具体投/切控制决策。冷却器持续运行时间是指冷却器投入运行的时长，冷却器组投入运行时开始计时，退出运行时清零，冷却器再次投运后重新计时。冷却器累计运行时间是指冷却器投入运行的累计持续运行计时，如果处于“手动”操作模式时冷却器投入运行，此时也需要计入累计运行时间。变压器油温自动控制系统按照有差值裕度的投/切温度阈值控制和按持续运行时间和累积运行时间投/切控制配合进行综合投/切控制决策，作出投/切冷却器组的控制指令，工作流程如图3-4所示：有差值裕度投/切阈值的控制策略产生是否投/切的控制指令，再判定是否允许投/切。如果冷却器刚结束投/切动作，则需要经过一段时间延时，直到变压器油温趋于稳定，再判断是否投/切，这样可以避免短时间内会投/切冷却器太多，造成冷却器组的频繁投/切。若系统允许投/切，则进入投/切动作；若系统禁止投/切，则判断是否有冷却器组持续运行时间超时；如果有冷却器超时，将其切出；若无，进入有差值裕度投/切阀值的投/切控制决策。如图3-4，投/切冷却器决策流程。图3-4 投/切冷却器决策流程图（1）首先，保证系统所投入的冷却器是未投入的冷却器组中累积运行时间最短的一组，对其控制交流接触器发出投入指令，待冷却器投入后，开始计算其持续运行时间。（2）其次，所要切除的冷却器组，必须是从已投入冷却器队列中持续运行时间最长那一组，控制其退出，同时将本次投运的持续运行时间计入其累计运行时间。（3）本论文所设计的控制系统，主要采用PLC编程的方法选择最短和最长持续运行时间冷却器。3.4 PLC编程思路通过分析PLC的控制程序流程，介绍PLC程序编制的基本思路。3.4.1软件总体设计如图3-5所示，即可编程控制器（PLC）的程序控制流程图：图3-5 可编程序控制器流程图程序具体流程如下：首先是程序初始化， PLC每次在第一个运行周期做一次初始化；其中，PLC的通讯设置、清零计数器、定时器、故障标志位、持续和累积运行时间存储区，置位或复位程序辅助标志位等等均在初始化阶段完成。其次是电源操作，目的是为冷却系统选取一路电源供电，若无电源投入，控制系统置位到停止状态。根据“主” “辅”电源的选取标志，以及电源状态和电源投入状态综合判断，将相应的输出置位。当有电源输入时，下面对变压器的开关进行处理。PLC通过判断变压器三侧开关的状态输入；如果三侧开