基于PLC的电力变压器冷却控制装置的研究Word格式文档下载.docx
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第二章强迫油循环冷却及控制系统运行分析ﻩ５
2.1强油循环风冷却器及控制器的结构和工作原理5
2.２大型油冷变压器发热和散热计算8
第三章 冷却控制装置的功能和控制方法１2
３。
2变压器冷却控制装置的功能设计ﻩ１3
3。
３冷却控制装置功能模块设计１4
3．4控制方法和策略研究16
4。
１电气元件及在装置中的应用ﻩ2１
4.2可编程序控制器ﻩ23
4.3装置电气连接26
4通讯连接33
5.1可编程序控制器编程ﻩ35
5。
2上位机监视软件设计40
第六章结论和展望4５
参考文献ﻩ47
附录1英文文献翻译50
附录２ 英文文献原文６1
第一章绪论
1.1课题来源及研究目的与意义
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,例如漳州电业局角美变电站、莆美变电站和总山变电站的５台强迫油循环风冷变压器在２00１年至２00５年期间,共出现冷却控制系统的问题5６次,其中热耦继电器损坏1４条次,接触器的损坏26条次,元器件接头的发热7条次，其他缺陷９条次；
冷却器组设定的“工作”、“辅助”、“备用”3种运行方式不能进行在线调整,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。
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、可靠运行有重要意义和实用价值。
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．从试验的角度对变压器局部放电现象进行相关试验并测量结果,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。
有文献提出了用可编程控制器、单片机或变频器等元件实现变压器冷却控制,实现了一些新功能,诸如：
按月或按季度轮换冷却器的运行方式，使机组轮流工作,均衡使用;
与变电站工控机进行通信,实现远方的监视和控制。
在控制策略方面，有文献提出了更加优越的控制策略：
如根据变压器负荷和油温综合投切冷却器组；
用温度变化率预测负荷,用温度及温度变化率结合变电站及发电厂实际情况进行自动控制投切冷却器等,使变压器油温满足了变压器运行的要求。
在PLＣ与上位计算机通信设计方面,有文献分析了两种串行通信标准:
RS232C和RS４8５，并比较了RＳ23２Ｃ和RS４85应用于计算机通信系统时的优缺点，并给出了与通信相关的软件流程．有的文献设计了OＭＲＯN和SＩＭEＮS系列PLC与上位计算机机之间的通信方案,并通过编程实现将所设计的通信方案应用到实际的控制系统中。
１．3本毕业设计的具体工作
1.搜集相关资料,论述冷却控制装置的重要性及研究现状
2.收集现运行变压器冷却及控制系统的运行资料,分析大型变压器冷却器及其控制装置运行中存在的问题和不足,对大型变压器损耗和温升的计算分析
3.根据要求，完成电力变压器的冷却控制装置的功能设计和结构设计。
4．根据电力变压器冷却装置的控制策略和算法,对可编程序控制器编程实现控制策略和算法。
5.对大型电力变压器进行实例分析，将理论数据和实测数据进行比较分析，采取改进措施。
ﻬ第二章强迫油循环冷却及控制系统运行分析
2．１强油循环风冷却器及控制器的结构和工作原理
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现运行大型变压器冷却装置的配置和特点进行分析和介绍.
２。
１。
１风冷却器
变压器的风冷却器包括两部分:
内部冷却系统,它保证绕组、铁芯的热散入油中;
外部冷却系统,它保证油的热散人周围介质中。
由于大型变压器采用油自然循环冷却系统不能满足散热的要求，故采用强迫油循环的冷却系统．强迫油循环风冷却器（简称风冷却器）与油自然循环风冷却器的主要区别是采用潜油泵强迫油进行循环,这样油流速度加快，冷却效率得以提高。
风冷却器的总体结构如图所示:
风冷却器的工作过程是潜油泵把变压器顶层高温油送入冷却管内几次折流后,热量就传给冷却管壁，再由管壁向空气放出热量。
与此同时,在空气侧,由风扇强制吹风.冷空气带走放出的热量，从而使热油加速冷却。
冷却后的油从冷却器下端再进入变压器油箱内。
风冷却器主要部件有冷却器本体、潜油泵、风扇、净油器。
冷却器本体是由一簇冷却管与上、下集油室焊接而成的整体。
潜油泵是一种特制的油内电动机型离心泵,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。
潜油泵强迫油循环,提高冷却效率。
风扇由轴流式单级叶轮与三相异步电动机两部分构成。
风扇吹风,加速变压器油的冷却。
净油器，风冷却器上的净油器是充满吸附剂（活性氧化铝）的容器。
它安装在冷却器下面，与下集油室链接.经过冷却器管簇的变压器油的一部分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皆被吸收,变压器油得到净化。
图2.1风冷却器总体结构
2．１。
2风冷控制装置
风冷却器的控制装置由安装在每个冷却器下部，内装有接触器、热继电器的分控制箱和装有主接触器、控制开关、继电器等的总控制箱两部分组成。
典型继电式控制线路如图2．２所示，风冷却器控制线路各部分的工作情况简要介绍如下：
A．电源自动控制
整个冷却器系统接入两个独立电源，通过转换开关选定一个电源为工作电源,另一个电源为备用电源,如“I工作、Ⅱ备用＂,这时母线接通I电源,母线不接通Ⅱ电源.当Ｉ电源因某种原因电压消失或断相时，将I电源与系统母线断开,经一定延时母线接通Ⅱ电源。
“Ⅱ工作、I备用"
时线路工作情况与上述类似。
B．冷却器控制
变压器投入前，各冷却器可用控制开关手柄位置来选择风冷却器工作状态:
“工作”、“辅助”或“备用"
；
油泵投入运行后,当油流速达到一定值时,油流继电器的动合触点闭合,动断触点打开,点亮信号灯，表示冷却器投入正常运行；
当冷却器内油速度不正常而低于规定值时,油流继电器动合触点打开,信号灯熄灭,表示冷却器内部管路发生故障,同时控制电路启动备用冷却器；
当潜油泵或风扇电动机发生故障时,热继电器动作,使主触点打开从而保护电动机,经过一定延时启动备用冷却器,并发出故障信号.备用冷却器在正常情况下是不投入运行的。
辅助冷却器（在“辅助"
位置的冷却器）在负载较低时是不投入运行的,变压器绕组温度（如70℃）或顶层油温（如55℃）达到规定值时,温度控制器触点闭合，或负载电流达到额定值的70%时，使线圈励磁,从而使辅助冷却器投入运行。
Ｃ．故障回路
故障回路能在现场的总控制箱内观察到信号,它有如下4种：
（1）当两个电源都消失而使全部冷却器停止工作时,经适当延时，使断路器跳闸将变压器从网路上切除,发冷却器全停信号;
（2）当电源发生故障时发出故障信号;
（３）当工作、辅助冷却器发生故障，备用冷却器投入时,发出故障信号；
（4）当备用冷却器投入运行后产生故障时发出故障信号.
２.1。
３现行大型变压器冷却装置的配置和特点
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l台油泵和３~4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.上述的冷却装置配置有其不尽人意的地方,如ＳＦP７—２40000/330型主变压器装设有6台冷却容量250ＫＷ的风冷却器，在夏季高温季节，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,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。
以上情况都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,这些都对变压器的运行和寿命产生不利影响。
2.1.4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:
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、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．
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。
2。
2大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。
2．１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）
－-变压器的总损耗
——变压器的空载损耗
—-变压器在一定负载电流下的负载损耗
—-变压器的负载电流
——变压器绕组的等值电阻
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
和额定负载损耗
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。
2.２。
2变压器散热方式
变压器散热过程中常遇到的不是单一的传热方式,而是变压器油流过铁芯表面、变压器油流过冷却器箱体内表面、空气流过冷却器箱体外表面时发生的对流、热传导和热辐射联合作用的传热过程。
热传导是物体不发生相对移动,从高温物体到低温物体之间的热量传递，单纯的热传导现象只有在密实的固体中才能观察到。
热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递．只要绝对温度不为零度（0K），物体都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量,同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能,当物体向外界辐射的能量与从外界吸收的辐射能不相等时，该物体就与外界产生热量的传递。
这种传热方式称为热辐射.
变压器运行中绕组和铁芯产生的损耗转变为热量通过热对流、热传导和热辐射使变压器油温升高,变压器油上升进入散热器,形成变压器油的自然对流；
强迫油循环冷却器中潜油泵的作用就是加速变压器油的流动,强制变压器油对流,加速热对流，在变压器油对流给热过程中同时发生着热传导和热辐射。
变压器箱壁内侧热量从变压器油中以热对流、热传导和热辐射的形式传给冷却器.变压器箱壁外测热量从箱壁以热对流、热传导和热辐射的形式传给空气,同时风扇吹风强迫空气流动,加速热对流。
变压器散热如图2。
3所示:
图２.3变压器散热图
2.2。
3变压器散热计算
冷却控制系统中控制量为变压器顶层油温,所以只给出变压器油对空气的平均温升计算公式。
油对空气的平均温升由油和箱壁间、箱壁内及箱壁对周围介质之间的温差组成。
油与箱壁的温差较小，一般为3—６℃,箱壁内的温差小于1℃，可忽略不计。
箱壁和周围介质（空气）之间的温差一般要占（油—空气）总温差的９0%左右。
热量从油箱向周围介质中的散发主要是通过对流和辐射散热的方式进行。
1对流散热计算ﻩ
根据实验，单位对流散热系数可用下式表示:
瓦／
℃ （2.4）
—-箱壁与空气温差为l℃时，单位面积上因对流散入空气中的热量（与温差有关,温差大，散入空气中的热量就大）
－—箱壁表面温度与空气温度之差
--散热系数（经验系数）
——形状系数，与油箱外形有关
油箱表面因对流作用的散热量计算公式为:
瓦 （2。
5）
——对流表面积,即油箱平滑部分和油管等的展开表面积之和（
）
——单位面积上由于对流散入空气中的总热量（
2.2．3．2辐射散热计算
根据试验和辐射定律,借辐射散入空气中的热量和辐射体温度及周围物体（或空气）温度间的关系为:
℃ （2.6）
——为温度为ｌ℃时，辐射体单位表面积上辐射出的热量
、
—－辐射体及空气（周围物体）的绝对温度（K）
＝27３+
，
=２73+
C--常数，与辐射物体的表面情况有关
式（２.６）在很大范围内都是适用的。
为了计算方便,根据试验可将（2。
6）式简化为
℃ （2。
7）
——箱壁表面温度与空气温度之差
－—经验常数
从油箱全部表面辐射出的热量为:
瓦 （2.8）
——箱辐射表面积,当油箱是平滑油箱时为全部表面面积;
当油箱是管式油箱时为外周界。
变压器的总散热量为：
＋
瓦 （2.9）
第三章冷却控制装置的功能和控制方法
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（DL/T5７2—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:
1.1对变压器的冷却装置的要求
a．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．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。
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。
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。
表3。
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
40
８５
3．1.3强迫油循环冷却变压器的运行条件
a．强迫油循环冷却变压器运行时,必须投入冷却器。
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）。
各种负载下投入冷却器的相应台数，应按制造厂的规定.按温度和（或）负载投切冷却器的自动装置应保持正常.
ｂ.强迫油循环变压器投运时应逐台投入冷却器，并按负载情况控制投入冷却器的台数。
ｃ．强迫油循环风冷变压器,当冷却系统故障切除全部冷却器时，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℃，但这种状态下运行的最长时间不得超过1小时。
2变压器冷却控制装置的功能设计
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