基于大PLC大型电力变压器冷却控制的研究毕业设计.docx

1、基于大PLC大型电力变压器冷却控制的研究毕业设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)基于PLC大型电力变压器冷却控制的研究第一章 引言电力变压器是发电厂和变电所的最重要设备之一。随着电力系统规模的不断扩大和电压等级的提高，在电能输送过程中，电压转换层次有增多的趋势，要求系统中的变压器总量己由过去的57倍发电总容量，增加到910倍发电总容量。因此，变压器能否正常运行对于电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。变压器的效率虽然很高，但系统中每年变压器总的电能耗仍然是一个相当大的数目。变压器的损耗主要是铜耗和铁耗，而这些损耗最终均转化为热量，从而使变压器的油温和铁心温度升高。变压器的

2、铜耗和铁耗产生的热量主要以传导和对流的方式向外扩散，变压器运行时，各部分的温度分布极不均匀。分析与测试均表明，变压器产生的热量80%以上集中于绕组和铁心，它直接影响着变压器的出力。通过计算以及运行实践证明，变压器最热点温度维持在98以下时，变压器能获得正常使用年限(2030年)。根据研究，变压器绕组每升高6，使用年限将缩短一半，此即所谓的绝缘老化6规则 1 。可见，温度对变压器的使用寿命有着至关重要的影响。分析与计算表明，变压器损耗的增加与其额定容量的34次方成比例，而冷却表面的增加只与额定容量的12次方成比例。可见，变压器的容量越大，其散热问题就越突出。因此，如何使变压器最大限度地散热，是变

3、压器生产厂家的重要课题，也是电力部门在生产运行中需要特别关注的问题。因此要对变压器进行冷却控制3。1.1 论文的背景和意义在输变电系统中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。变压器在运行中是有损耗的，一种是空载损耗，它与负荷大小无关;另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。变压器运行中产生的损耗将转换为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。变压器的温升影响它的带负荷能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，影响它的使用寿命。变压器运行中所带负荷随时都在发生变化，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；同时不管是一

4、年四季环境气温的变化，还是每天昼夜气温的变化，也都造成了变压器油温的变化。为了保证变压器安全，稳定，经济的运行，要随时检测变压器的油温并由冷却控制装置控制冷却器组运行来控制变压器油温的变化，使其油温维持在一个固定的范围内。但目前大型电力变压器的冷却控制仍然主要采用传统的继电式控制方式，这种控制方式存在许多弊端：控制回路接线复杂、可靠性差、故障率较高、维护工作量大，造成冷却器运行不均衡，影响冷却器组使用寿命，同时不利于节能；变压器负荷波动较大造成变压器油温变化时，因采用温度硬触点控制，造成冷却器组频繁启停，降低了冷却器组的使用寿命,同时加重了油流带电现象；不能对冷却器风扇、油泵电动机提供完善的保

5、护。继电式控制装置因控制系统故障而使变压器冷却系统带病运行，严重地影响了变压器的可靠运行，已不适应于现如今电网的发展。本课题针对存在的问题提出并研制了基于PLC的大型变压器冷却控制装置4。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、智能化等优点，采用PLC实现变压器冷却装置的控制，可以实现对变压器油温的精确控制；控制功能通过编程实现，极大的简化了系统接线，提高了装置本身的可靠性；完善了对冷却器的保护和控制，提高了它的可靠性和工作寿命；此外还可以通过通信实现远方监视冷却系统运行。随着对电网安全可靠运行要求的不断提高，本文提出的基于PLC的大型变压器冷却控制装置的研制，对变压器及电网安全、可靠运行

6、有重要意义和实用价值26。1.2 冷却控制装置研究现状目前国内运行的电力变压器冷却及其控制装置现状的分析和研究。文献分析了我国大型电力变压器冷却装置配置情况、运行特点和对变压器运行的影响，电力负荷变化和环境气温变化造成的变压器运行中温度变化和对变压器运行影响的分析。强迫油循环风冷变压器电源自投切换回路运行的分析，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障。有文献提出了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，对冷却控制装置电源控制部分的设计提供了借鉴。强迫油循环风冷变压器油流带电问题的研究9。从试验的角度对变压器局部放电现象进行相关试

7、验并测量结果，从试验结果上对油流带电现象进行了分析和探讨，并提出了一些预防及改善油流带电现象的措施。从理论角度分析变压器油流带电产生的原理，并对影响油流带电的因素和产生条件进行了分析，同时也提出了一些预防及改善油流带电现象的措施。针对继电式控制装置存在的问题和设计上存在的缺陷很多文献针对具体故障分析故障原因，提出了具体的改造措施和方案，在运行中取得了一定的效果。由于继电设备自身的局限问题，改造不能大幅度提高控制装置的安全可靠性和实现先进的功能和控制策略，但文献提出的冷却控制装置的问题和改造思路、方案对设计开发具有指导意义10。第二章 变压器的冷却方式及控制系统运行分析2.1 变压器风冷控制策略

8、变压器的使用寿命主要取决于其绝缘介质的绝缘强度，而绝缘介质的绝缘强度在长期运行过程中受物理和化学作用的影响会出现绝缘老化。这种绝缘老化受温度、湿度、氧气和油中劣化物的影响，其中温度是促成绝缘老化的直接和主要原因，变压器运行温度越高，则绝缘老化速度就越快8。研究表明，对于采用A级绝缘的变压器，当最热点温度为98时，变压器能获得正常预期寿命2030年，而温度每升高6，则变压器寿命缩短一半，此即所谓的绝缘老化6规则。根据绝缘老化6规则，如维持变压器绕组热点温度在98，可以获得正常预期寿命。实际上绕组温度受气温和负荷波动的影响，变化范围很大，如果将绕组最高允许温度规定为98，则大部分时间内，绕组温度达

9、不到此值，亦即变压器的负荷能力未得到充分利用。反之，如果不规定变压器的最高容许温度，或者将该值规定过高，则变压器又可能达不到正常的预期寿命。工程上是利用等值老化原则来解决这一问题的，即在一部分运行时间内，根据运行要求，允许绕组温度大于98，而在另一部分时间内使绕组温度小于98。只要使变压器在温度较高的时间内所多损失的寿命，与变压器在温度较低时间内所少损失的寿命相互补偿，则变压器的预期寿命可以和恒温98运行时的寿命等值。变压器运行时，其发热部分为绕组和铁芯，因而在变压器各部分中，绕组和铁芯温度是最高的。铁芯温度高于绕组温度，而在高度方向的50%以上，绕组温度高于铁芯温度，且绕组最热点温度中规定A

10、级绝缘的变压器其绕组对空气的温升是65，而最高环境温度为40，则绕组最热点的温度限值为65+40=105。如果绕组温度保持在105，则根据6规则其使用寿命将降低一倍还多。但这是变压器的极限温度，由于环境温度一般小于40，所以变压器工作在105的时间是很少的，根据等值老化原则，这时不应当限负荷。通过上述分析可知，变压器的散热问题直接影响到变压器的负荷能力和使用寿命，如何有效地对变压器实施风冷控制，以保证绕组热点温度不超过规定值是一个非常重要的问题。对于自然油循环风冷变压器而言，绕组散热是借助于变压器油的循环而实现的，从温度测量方面看，绕组温度不易测量，工程上都是采用测量油温的方法，因此，根据油温

11、进行风冷控制是一个很自然的思路，即当油温较高时，控制冷却风扇开启，而当油温较低时，控制冷却风扇退出7。2.2 变压器的冷却方式主要有自然油循环自冷、自然油循环风冷、强迫油循环风冷和强迫油循环水冷四种散热方式8。第一种冷却方式主要是小型配电变压器采用，不涉及风冷控制问题。第四种冷却方式只在个别大型变压器上采用，目前包头供电局尚无此种冷却方式的变压器。第二、三种冷却方式是变电站广泛采用的散热方式。自然油循环风冷散热方式是利用变压器绕组及铁心发热后，本体内的油形成对流，油流经散热器后，由冷却风扇吹出的风将热量带走，从而达到散热的目的，这种冷却方式主要用于中小型变压器。强迫油循环风冷散热方式通过油泵的

12、作用，使变压器内的油被迫快速循环，在油流经散热器时，由冷却风扇吹出的风将热量带走，这种冷却方式主要用于大中型变压器，它是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。加装风冷后可使变压器的容量增加30%35%。强迫油循环冷却方式，它是把变压器中的油，利用油泵打入油冷却器后再复回油箱。油冷却器做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹风或循环水作冷却介质，把热量带走。这种方式若把油的循环速度比自然对流时提高3倍，则变压器可增加容量30%,因此采用强迫油循环冷却方式对大型电力变压器进行冷却控制。2.2.1 强油循环风冷主变压器提出了一种以AT89C51单片机和固态继电器SSR为主要

13、控制器件的强油循环风冷变压器冷却系统自动控制装置的原理和实现方法8。装置以变压器负荷、油面温度结合的控制策略，进行冷却器的投切控制，以冷却器组累积运行时间基本均衡为原则进行循环投切。介绍了自动投切功能模块的软件设计和通讯模块软件设计。装置还具有保护、故障定位、信息显示、通讯等功。能试验运行表明，该装置运行可靠，控制准确，具有显著节能、延长设备寿命效果40。2.2.2 强油循环风冷却器及控制器的结构和工作原理9冷却系统是变压器的重要组成部分，它的工作保证了变压器各部分的温度保持在规定值以内。强迫油循环风冷却系统由风冷却器和风冷控制控制装置两部分组成，下面就对冷却系统这两部分的工作原理及我国运行大

14、型变压器冷却装置的配置和特点进行分析和介绍。2.3 现行大型变压器冷却装置的配置和缺陷目前我国大型电力变压器冷却装置的配置情况是：根据变压器容量的大小，配置数组强油风冷却器，每组风冷却器由1台油泵和34台风扇组成。运行中为满足变压器的各种运行工况，一般要求冷却器1台备用（运行冷却器故障时可自动投入运行）、1台辅助（变压器负荷电流大于70额定电流或变压器顶层油温高于某一定值时自动投入运行）、其余所有冷却器全部投入运行10。上述的冷却装置配置有其不尽人意的地方，在夏季高温天气时，变压器满负荷运行，变压器冷却装置全部投入，但其上层油温仍高达70左右。但在夜间尤其是在暴雨过后的夜间，因负荷和气温骤降，

15、虽然已将变压器辅助冷却器停运，但变压器油温仍降至30以下，也就是油温的变化幅度超过了环境温度的变化。在冬季负荷较低或特别寒冷的季节，因油温过低，不得不对其进行加油，这对变压器的安全运行和寿命将十分不利，这些都对变压器的运行和寿命产生不利影响，反映出现行配置的变压器冷却装置存在的设计和使用上的缺陷10。2.4 风冷却器控制线路存在的问题现在运行的继电式控制系统由于受所采用器件的约束、在设计和控制策略方面不够完善，因此主变压器经常因风冷控制系统故障而带病运行，严重地影响电网可靠运行。通过分析主要存在以下不足9：a.控制装置的控制功能通过接线连接各种继电器、接触器和其他器件实现，控制装置的线路复杂、

16、接点接线较多，导致控制装置可靠性低、故障率高，维护工作量大。b.控制装置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，可靠性差，造成控制系统的可靠性不高。c.变压器负荷波动引起辅助冷却器频繁启动。当主变负荷在某一范围内波动时，测量主变负荷的电流继电器或测量变压器油温的温度继电器会频繁动作，将导致辅助冷却器频繁地启停。如果辅助冷却器的油泵、风扇电机启动过于频繁,还会进一步导致热继电器动作，从而使辅助冷却器退出运行，这样会缩短冷却器电气设备的使用寿命。同时，冷却器组的频繁启停还会加重变压器油流带电现象。d.冷却器组设定的运行、辅助、备用和停止4种固定状态不能在线调

17、整。不能在线调整冷却器组的状态，将导致某些冷却器组长期处于工作状态，使冷却器组尤其是油泵和风扇电机过疲劳运行，这对于冷却器组的使用寿命和安全运行十分不利14。e.冷却器在投入时不能分时分批投入，一方面造成启动电流过大，另一方面多个潜油泵突然启动会加重变压器油流带电现象。f.装置的电动机缺相和过载保护由热继电器完成，保护功能不可靠，运行中因电动机过载和缺相而使电动机烧毁的情况经常发生。g.冷却器控制回路存在设计缺陷。有些文献提到的冷却控制装置运行中存在的设计缺陷：工作冷却器的空气开关跳开后不能启动备用冷却器；工作电源交流接触器失磁造成主变开关跳闸；更换接触器和空气开关时易造成短路等9。2.5 大

18、型油冷变压器发热和散热计算引起变压器运行中整体温度变化的原因主要有变压器的损耗和环境气温的影响。变压器投入运行后会产生损耗:一种是空载损耗、另一种是负载损耗，变压器的损耗转换为热量以对流、辐射的形式散发出来。本节对变压器损耗、散热进行计算、分析6。2.5.1 变压器损耗计算变压器损耗包括变压器的空载损耗和负载损耗。变压器空载损耗在变压器投运后就一直存在，不随变压器所带负载的大小变化；负载损耗则随变压器所带负荷的大小而改变，与负荷电流的平方成正比，变压器总损耗在不同负载时的计算公式为 （2-1）设变压器的额定负载电流为，则在额定负载电流下的变压器额定负载损耗的计算公式为： （2-2）空载损耗和额

19、定负载损耗在变压器铭牌中给出由公式（2-1）、（2-2）可得负载电流为时变压器损耗的计算公式为： （2-3）变压器损耗将转变为热量向外发散，从而引起变压器发热和变压器油温升高。随着变压器温度的升高，它们对周围介质就有一定的温度差，从而将一部分热量传结局围介质5。第三章 冷却控制装置的功能和控制方法3.1 电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定在变压器冷却控制装置的设计中参考了电力变压器运行规程（DLT 572-95）中关于强迫油循环电力变压器冷却装置及运行条件的规定，规定如下：3.1.1 对变压器的冷却装置的要求13a.要求油浸式变压器本体的冷却装置、温度测量装置等应符合GB6451的要求。b

20、.按制造厂的规定安装全部冷却装置。c.强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或灯光信号。d.强油循环变压器，当切除故障冷却器时应发出音响或灯光信号，并自动(水冷的可手动)投入备用冷却器。e.风扇、水泵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7。f.强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。3.1.2 变压器温度限值强迫油循环变压器顶层油温一般不应超过表3.1的规定(制造厂有规定的按制造厂规定)。当冷却介质温度较低时，顶层油温也相应降低30。表3.1油浸式变压器顶层油温一般限

21、值Table 3.1 The oil bath type transformer top layer tours the warm general limiting value冷却方式冷却介质最高温度最高顶层油温强迫油循环风40853.2 变压器冷却控制装置的功能设计通过对大型变压器强迫油循环风冷却控制系统的分析，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冷却控制装置可完成的功能如下13：1冷却控制装置能控制两路独立电源为冷却装置供电，可由开关选择一路电源为“主”电源，一路为“辅”电源。“主”电源故障后冷却控制装置能发出“电源故障”信号并投入“辅”电源，

22、保证了冷却装置供电的可靠性；两路电源都发生故障，能发出“装置失电”信号，并能够将全部风冷却器切除。2变压器高、中、低三侧开关全部断开，经过一段时间的延时使变压器完全冷却后所有风冷却器自动停运；变压器三侧开关任一侧开关闭合时，冷却控制装置按需要自动投运风冷却器。3冷却控制装置能控制8组风冷却器，取消了固定运行方式的工作模式，装置能按变压器油温自动、依次投入相应台数的冷却器，变压器负荷和环境温度变化，油温能始终维持在一个稳定的温度范围内；冷却器按温度依次投入,防止了冲击电流的产生，同时可以预防或改善油流带电现象。4冷却控制装置在产生投、切决策时采用有差值裕度投、切阀值的控制策略，可以有效的避免冷却

23、器组频繁投切的问题。5冷却控制装置投入后，计时冷却器投入工作后的持续运行时间并能自动累积冷却器的工作时间（持续工作时间的和）即累积运行时间，在需要投入时投入累积运行时间最短的冷却器，在需要切除时切除持续运行时间最长的冷却器，使冷却器组均衡工作，提高了冷却器组的工作可靠性和使用寿命。6湿热季节，由凝露温度监控器监视环境温度、湿度，并能根据湿度情况和湿度持续时间情况将全部风冷却器投入，避免冷却器机械部分受潮腐蚀，以保证需要时能正常投运。7冷却控制装置能检测冷却器的风扇和潜油泵电动机发生的缺相、堵转、短路、过载故障并提供保护。8冷却控制装置能检测每组冷却器的风扇和潜油泵电动机故障、油路故障及控制冷却

24、器投切的接触器故障，如有故障发生控制装置自动将该组冷却器切除，发出故障及报警信号；故障消除，可以手动复位故障信号。9风冷却器全停时，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。10冷却控制装置可以通过串行口与上位计算机通信，将变压器的部分运行信息、冷却及控制装置的运行信息、故障信息传送到上位机，实现远方监视功能。11冷却控制装置能在显示控制面板显示冷却及控制装置运行中的各种信息，包括电源运行、故障，风冷却器运行、故障，接触器故障信号；同时可以选择手动操作，以手动方

25、式投、切冷却器组。12当温度达到一定数值时，自动接通控制箱内的风扇散热装置，保证设备内部温度满足要求；湿度达到一定值时，启动控制箱内的加热装置，防止装置箱体内凝露的产生21。3.3 冷却控制装置功能模块设计20 本文设计的变压器冷却控制装置的核心是PLC，装置的大多数功能通过可编程序控制器来实现，根据冷却控制装置的功能设计，以PLC为核心，整个控制装置主要设计4个功能模块组成，如图3.2所示图3.2 冷却控制装置功能块框图Fig.3.2 Cooling control device function block diagram block diagram变压器冷却控制装置的控制功能通过电源监视

26、控制、冷却器投切保护、凝露温度监控、就地控制与显示、通讯、上位计算机监视六个功能模块实现，功能模块的实现方法和作用简要介绍如下22：1电源监视控制模块。模块通过小型电压继电器监视两路独立电源的状态（两路独立电源为冷却装置供电），判断电源是否缺相，由两个断路器控制电源的投切；将两路电源的故障信号和断路器辅助节点所反映的电源工作状态信号送入可编程序控制器，经可编程序控制器综合判断产生控制电源投切的控制命令，由断路器执行电源投切动作。2冷却器投切保护模块。模块采用交流接触器控制冷却器的投入和切除，自动空气开关和电动机保护器配合实现对风扇和潜油泵电动机的短路、过载、堵转和缺相保护。可编程序控制器采集变

27、压器温度信号、运行状态信号、油流继电器反映的冷却器油流状态信号、反映电动机故障状态的空气开关状态信号和交流接触器状态信号，由可编程序控制器根据送入的这些信号进行电动机、油流和接触器故障的判断和定位并产生投切冷却器的控制命令，由交流接触器执行投切动作。3凝露温度监控模块。模块采用凝露温度监控器对环境的温度、湿度进行实时监控，当湿度达到设定值后其凝露负载输出接通，信号送到可编程序控制器，由控制器决策定时投运全部风冷却器；同时湿度达到设定值时控制装置能启动冷却控制装置箱体内的加热装置，为控制装置箱体除湿；温度达到设定值时启动装置箱体内风扇，给控制装置散热。4通讯模块。通讯模块通过PLC上的RS485

28、口经串口长线延长器与远方的上位计算机通信，定期的将变压器、冷却器和冷却控制装置的运行信息、故障信息通过串口传送到上位计算机。第四章 冷却控制装置的硬件设计变压器冷却器控制装置要用到诸如可编程序控制器、凝露温度监控器、接触器等电气元件，本章我们介绍冷却控制装置设计中用到的主要电气元件及其在控制装置中的应用，装置的电气连接。4.1 电气元件及在装置中的应用4.1.1 电动机保护器变压器冷却控制装置采用GDH系列电动机保护器与自动空气开关组合实现对电动机的缺相、过负荷、堵转和短路保护。GDH系列电动机保护器集缺相、过流、堵转保护为一体，具有工作灵敏可靠、安装方便、故障率低等优点，是替代热继电器实现电

29、动机保护的理想换代产品28。4.1.2 凝露温度监控器凝露温度监控器是监视工作环境湿度、温度，当湿度、温度达到设定值能启动用户连接的凝露负载和控温负载的一种自动化工业仪器10。我们设计的冷却控制装置采用LWKD2（TH）型凝露温度监控器，它具有两个相对独立的工作单元：凝露控制单元一个，温度控制单元一个。可对环境的温度湿度进行实时控制，自动起动负载，保证温度指标符合工作标准，同时具有体积小、安全性高、外形美观、加热效率高、加热效果好、防潮、防凝露和低温加热性能优越的特点。电气连接如图4.1所示：图4.1 凝露温度监控器电气图Fig.4.1 Congeals the dew temperature

30、 monitor electricity chart安装方式：(1)基座式：将8芯继电器座固定在35mm导轨或通过安装螺孔直接固定在安装板上。(2)嵌入式：在安装面板上开具450.5450.5mm2孔，通过安装支架将控制器固定在面板上凝露温度监控器的端子1、2连接温度传感器，5、6连接凝露传感器，3、4连接控温负载，7、8连接凝露负载，11、12连接交流220V电源。LWKD2（TH）型凝露温度监控器的工作原理是：监控器通过凝露传感器和温度传感器对工作环境的湿度、温度等指标长期自动检测、采样；当工作环境有凝露产生的可能时，能自动判断并瞬间启动凝露负载；工作环境温度高于设定温度值时，相应的控温负

31、载也将开启；环境温湿度低于设定要求时才停止工作，重新进入监控状态，如此自动循环。在冷却控制装置中凝露温度监控器监视环境的温度、湿度，有凝露产生的可能时，启动装置箱体内的加热装置，同时将“凝露”信号送到PLC用于判断启动冷却器；当温度超过设定值，将装置箱内风扇启动，为控制装置散热。4.2 可编程序控制器在以可编程序控制器为核心的变压器冷却控制装置中，输入、输出通过可编程序控制器连接起来，构成完整的控制系统。输入为可编程序控制器提供完成控制功能所必须的数字量、模拟量；可编程序控制器采样输入，执行编制的程序，根据程序设计对所采集信息进行综合分析、判断并作出决策，产生数字量、模拟量输出，驱动执行器件，

32、完成控制功能。4.2.1 可编程序控制器的输入输出根据变压器冷却控制装置的功能设计和结构设计，同时结合冷却控制装置的设备选型，可以确定可编程序控制器输入输出的来源或者去向及输入输出的性质和数量，如表4.1所示。表4.1可编程序控制器的输入输出Table 4.1 Programmable controllers input output表4.1中给出了可编程序控制器的输入输出名称，输入来源和输出去向以及输入输出的性质及数量，从表可知可编程序控制器共有36路数字量输入和23路数字量输出。输入输出性质及点数的确定非常重要，成为可编程序控制器选型的一项重要指标，可编程序控制器连同其输入输出模块必须满足输入输出点数的要求34。4.2.2 可编程序控制器的选择35根据变压器冷却控制装置对可编程序控制器控制