摘要：本文对变压器冷却智能控制系统进行全面的分析，特别对变频控制模式进行深入分析，为变压器的安全稳定运行提供技术参考。
关键词：变压器；智能控制系统；变频技术；分析
1 风冷系统现存问题
500kV溯河站#1主变为强油风冷式（有导向式）冷却方式，控制系统采用的纯元件（电磁式继电器）控制模式。这样的控制方式运行中存在如下问题：
1）风机工频直接启动，启动电流是额定电流的5~7倍，造成部分电机绕组烧坏现象；
2）在工频额定负载下投切风机，由于感性负载的拉弧，引起控制空开热继电器跳闸损坏控制空开，增加检修人员的维护工作量；
3）变压器的噪声主要由风机运行产生的噪声、电磁噪声和机械噪声引起，风机长时间在工频状态运行中易发生过轴承卡涩、损坏，发出巨大噪声；
4）变压器产生的热量主要由空载损耗和负载损耗等引起，负载的变化直接影响发热量的多少，冷却风扇采用分组启停的控制方式，形成多台风扇同时启动或同时停止，冷却容量为阶梯变化，不能实时跟踪变压器负载变化而实时调整冷却容量，容易造成冷却容量过剩和不足，造成变压器油温温差大，影响变压器绝缘寿命。
2 变频器技术分析与确定
针对以上问题，研究的主攻方向是风机的控制系统。根据现有变频技术的成功应用，采用变频技术对风机的有效控制，具体通过以下四个方面：
1）采用变频低速启动克服电机直接启动造成的冲击电流，确保冷却风机启动电流在较小的可控范围内；
2）风机在工频额定负载下投切时，采用变频调速装置避免了对电机和接触器造成的伤害，延长了设备、元器件的使用寿命，减少检修人员的维护工作量；
3）采用变频调速装置控制风机，可实现节能降噪，减少对环境造成污染；
4）根据变压器负荷变化和顶层油温变化，对冷却风机无级调速，确保变压器各种损耗所产生的发热量与散热量的均衡控制，避免油温发生大幅波动。
对以上四个方面开展系统分析：
（1）变压器负载、油温与冷却风量的关系：负载增大，则油温升高，风量需增加，此时冷却容量增大；负载减小，则油温降低，风量需减小，此时冷却容量降低，即就是冷却容量应跟随负载变化而变化，需实时调节冷却容量，从而实现变压器油温在给定范围内波动。
（2）由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。改变风扇转速，即改变冷却容量。
又据电机学可知，电机的转速与定子电源频率、电机极对数和转差率的关系如下式：
n=
……………………（1）
n：电机转速，P：电机极对数，f：电源频率，s：转差率。
由式（1）可知，改变频率调速：均匀地改变风机定子电源频率f，则可以平滑地改变风机的速度。频率可从0～50Hz范围内进行无级变化，转速变化区间最大，也就能大幅度改变电机转速。
（3）采用变频器直接启动风机，输出频率和输出电压均从较小值起始，使电机逐步转动，随着频率的增大，电压也在升高，使得风机在启动过程中电流始终被控制在较小的范围内，避免了风机启动时对自身绝缘和其它控制元件造成的影响。同时输出驱动电路为半导体可控元件，为无触点控制，所以控制风机的启停无电弧产生，可延长电机的使用寿命。
（4）采用变频调速控制冷却风扇，具有明显的节能效果。例如当风量降低到额定风量的80%时，风机频率为40Hz，与工频比较，其节能效果为：
………（2）
P1为40Hz时风机的轴输出功率，P2为工频50Hz时风机的轴输出功率。
由式（2）计算得知，风量减少20%，而风机轴功率仅为额定功率的51.2%，由此可知，理论节能为（1-51.2%）=48.8%，考虑到变频器的自身功耗，变频运行时的功率是工频运行时功率的52%，即可达（1-52%）=48%。
（5）在该冷却风扇变频调速系统中，变频器最高频率设定为48Hz，最低频率设定为25Hz，同时满足高负荷时的冷却要求，低负荷时取得降噪、节能效果。
3 基于PLC与变频器技术的设计
3.1电路设计
500kV溯河站#1主变每组冷却器风扇为3台，由1台变频器控制1组冷却器中的3台风扇，同时，为了保证冷却风扇的安全可靠运行，在主回路中以工频驱动作为备用。
智能控制系统由：检修隔离断路器、运行控制接触器、热过载继电器、变频器等主要元器件组成。统采用双模控制，是工频和变频两个独立的控制回路，自动模式继电器有效时，运行可采用变频运行方式；当PLC断电或损坏、控制模拟量信号断线或异常时，模式继电器失效，系统自动转到手动运行模式，确保变压器冷却系统安全、稳定运行，得到了双重的保证。
3.2变频器选型
负载类型，在该应用中，风机为风机类负载，选用风机泵类专用变频器。
500kV溯河站#1主变每台变频器驱动3台风扇，每台风机功率为1.2KW，额定电流为3.8A。选择变频器时，主要考虑电流因素。
对于风机同时启动或停止，变频器的输出电流需满足
Io≥1.15∑Ie…………………（3）
Io－变频器输出电流，1.15－过载能力，Ie－风机额定电流。
该应用中，3台风机为同时启动或停止，据式（3）得知
Io＝1.15×3×3.8＝13.11A
为了确保变频器的安全可靠工作，选择ABB变频器，输出电流为17A。
由此可知，控制1组冷却器的3台风扇，选用风机泵类专用变频器，其输出电流为17A即可。
3.3速度调节
冷却风扇速度的变化，是根据变压器顶层油温和变压器负荷变化确定变频器的运行状态和输出频率，由Pt100铂电阻采集变压器顶层油温的实时变化，通过建立多变量输入单变量输出的数学模型即频率与油温、负荷等变化的关系式，控制变压器顶层油温在给定值范围内变化，其控制由可编程序控制器PLC完成，有关数学模型及控制程序已经非常成熟。
4 小结
500kV溯河变电站#1主变自投运使用以来，综合节能可达到30%-50%；同时电机低频启动，避免冷却风扇在投切时产生拉弧，延长电机和接触器的使用寿命，全年发生缺陷率由原来的67%降至7%，大大提高设备可靠运行系数。
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作者简介：陈三伟（1987-）男，籍贯陕西西安，工程师/变压器检修技师，本科学历，从事变电检修检修工作。
徐永科（1988-）男，广西来宾，工程师/用电检查技师，本科学历，从事用电检查工作。
论文作者:陈三伟1,徐永科2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：风机论文; 变频器论文; 变压器论文; 负载论文; 风扇论文; 电机论文; 频率论文; 《电力设备》2018年第19期论文;