王林辉
特变电工股份有限公司新疆变压器厂 新疆昌吉 831100
摘要：现如今，我国正在提倡环保节能理念，随着节能减排的深入发展，变压器风冷变频运行技术在国内发电厂和变电站中得以初步试验应用。在新型装置的调试和试验运行中电磁兼容和运行可靠性问题显得尤为突出。针对变压器风冷变频控制中存在的可靠性和电磁兼容等问题，在试验分析的基础上提出了具体的解决方案，试验装置中没有给变频器加装输入和输出滤波器是导致电机发热和啸叫的主要原因，并通过在变频器输入和输出端加装滤波器后，干扰的情形会得到抑制，并给出了对比试验数据。
关键词 ：变压器；风冷；变频
引言
泵与风机类负载采用变频调速技术可以节能30%左右。发电厂与变电所中的变压器大多采用强迫油循环风冷却或自然油循环风冷却运行方式。常规运行模式为根据变压器顶层油温整组投切工频运行的循环油泵和风机，在昼夜温差和季节温差较大的地区或者用电负荷波动较大的地区势必由于过冷却造成能源的浪费。1985年日本日立公司最先提出了根据变压器负载以及环境温度变化的变压器风冷变频运行方案，并在理论上进行了节能分析和试验验证。2007年吉林供电公司首次在某变电所进行变压器变频风冷的现场运行试验，试验结果表明安装变频式变压器风冷控制系统后，变压器风冷装置日平均的耗电量约为原运行方式下的35%。
1变压器风冷变频控制的发展
泵与风机类负载采用变频调速技术可以节能30%左右。发电厂和变电站中的变压器大多采用强迫油循环风冷却或自然油循环风冷却运行方式。常规运行模式为根据变压器顶层油温整组投切工频运行的循环油泵和风机，在昼夜温差和季节温差较大的地区，或者用电负荷波动较大的地区势必由于过冷却造成能源的浪费。
2试验中发现的问题
2.1试验装置的结构概况
笔者研发的变压器风冷试验装置总体结构如图1所示。装置采用PLC控制，具有工变频双模运行方式。在变频运行模式下，可以根据变压器顶层油温和负荷大小采用Fuzzy-PID控制算法自动调节泵与风机的转速。
图1 试验装置总体结构框图
2.2试验中发现的问题
2012—2017年间，笔者研发的装置先后很多等地110～220kV强迫油循环风冷却和自然油循环风冷却变压器上试验运行，虽能满足变压器散热需求并具有20%以上的节能效果，但也发现了下面一些问题。2.2.1变频运行泵与风机适应性与谐波问题某变电站变压器采用自然油循环风冷却方式，冷却装置共7组，每组配电机功率0.37kW风机3台，总功率7.77kW。风冷控制装置所配变频器额定功率为37kW，额定电流72A。初始调试阶段出现低频（35Hz以下）风机啸叫和风机电机发热现象。
2.2.2电磁兼容问题
深圳某220kV变电站，240MVA变压器共有7组自然油循环风冷却器，每组冷却器配电机功率1.25kW风机1台，电机总功率8.75kW。2017年9月进行变频式风冷控制装置试验，变频器额定功率18.5kW，额定电流38A。变压器顶层油温采用具有2支数字温度传感器，1支Pt100铂电阻传感器的数字温度表测量，通过Modbus总线向PLC传送数字测温信号，通过4线制接线方式将Pt100铂电阻传感器温度信号直接传送给主控PLC。试验采用零频分组投入风机，手动升频方式进行。分别做增加风机组数和升频试验，发现随着风机投入组数的增加和频率的升高，数字温度表受到不同程度的干扰，直至无法正常测量和通信，试验现象如表1所示。
表1 零频分组投入风机试验
2.2.3双路电源消失报警与跳闸问题
试验装置采用STN-100F系列负荷开关型双电源自动转换开关。装置正常运行过程中由正常电源供电，当正常电源故障消失后，自动切换到备用电源上工作，正常电源恢复后再自动切回正常电源供电。装置前面板上安装有电源运行指示灯和故障指示灯。试验过程中恰遇两路电源同时消失，所有冷却风机退出运行，就地和远方均未发出报警信号，也未发出风冷全停变压器延时跳闸信号，对变压器的安全运行构成威胁。
3问题分析与解决对策
3.1风机适应性与谐波问题的分析与处理
为找出风机啸叫和发热的原因，通过示波器观察变频器输出电压波形如图2所示。可见在变频器输出中含有较多的谐波成分。详细地分析了电机的效率和谐波含量的关系，并给出了不同谐波次数导致电机铁损增加的量值。由于在试验装置设计过程中考虑到装置成本和受柜体空间限制，试验装置中没有给变频器加装输入和输出滤波器应该是导致电机发热和啸叫的主要原因。在变频器输入端和输出端增加滤波器后再次试验，啸叫和发热问题得到解决，变频器输出波形如图3所示。
3.2电磁兼容问题的分析与处理
变频器应用系统的电磁兼容（EMC）问题主要体现在电磁干扰（EMI）及其抑制上。EMI的传播途径主要包括传导、电磁辐射和感应耦合3种形式。试验过程中数字温度表中的Pt100传感器能够正常完成测温功能，说明干扰信号并没有叠加到Pt100的信号线上，通过示波器检测也证明了这一点。由于随着变频器所带风机组数的增加，负荷逐渐增大后干扰更加严重，直至表内单片机系统无法正常工作。检查温度表电缆与风机电缆并无完全平行捆扎在一起敷设，说明干扰的主要途径来自于仪表直流电源的可 能性较大。于是用示波器观察温度表的12V直流电源，发现其叠加了很多高频成分，频率范围在10～100kHz之间，如图4所示。对于这种作用于非隔离电源工作的温度表上的传导干扰，通过在变频器输入和输出端加装滤波器后，干扰的情形会得到抑制，改进试验结果也证明了这一点。图5为在变频器输入和输出端加装滤波器后，温度表12V直流电源的波形图。表2为加装滤波器后零频分组投入风机并手动增频到工频的试验现象表。在不增加变频器输出电抗器的前提下，为彻底消除变频器对数字温度表通过电源线耦合的干扰，在温度表直流12V电源入口处增加一只CXDB2-3-100100V3A的微型直流滤波器后，反复进行全负荷0～50Hz变频试验，温度表再无测量不准确和死机现象发生，示波器观察12V直流电源已完全成为一条直线。变频器干扰数字温度表问题得以彻底解决。
3.3电源消失报警与跳闸问题分析与处理
双电源消失是装置运行过程中不会轻易发生的极端情况，此问题与变频与否无关。改进过程中利用双电源自动转换开关提供的2路电源状态有源常开触点，分别启动2只中间继电器和2只失电延时继电器，当双路电源均失电后，2只中间继电器失电，其串联常闭接点接通，发出双电源消失立即报警空接点信号。同时，2只时间继电器失电后启动延时，经过0～600s延时整定值之后发出变压器跳闸信号。详细工作过程，此处不再赘述。
表2 实验表
结语
目前，随着智能电网建设的日益推进，发电厂和变电站配电装置的运行已实现无人值班化。这对变压器风冷变频控制装置的运行也提出了更高的可靠性要求。在深圳供电局试验过程中发现的问题虽已得到解决，但变频器在运行过程中的维护和主控PLC故障等问题还有待进一步完善。为此，对本产品提出如下改进措施。采用双变频器互为备用方式，提高变压器风冷变频运行的可靠性。将现有的S7-200主控PLC更换为具有软件热备用功能的S7-300PLC，提高主机系统工作的可靠性。在现有基础上增加云平台监测和故障信息云平台推出功能，使相关技术人员或设备厂家能随时查看设备运行状态，实现对设备运行状态的无盲区监控。
参考文献：
[1]赵贤兵，李芳芹 .变频技术在泵与风机系统中应用的节能分析 [J].能源工程 ， 2004（5）： 52-54.
[2]森悦纪 [日].可变速运行的变压器冷却装置 [J].变压器 ， 1985（1）： 31-35.
[3]崔实 ，赵景林 . VVVF变频器在变压器冷却系统应用的节能效果分析[J].节能 ， 1998（2）： 36-38.
论文作者:王林辉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/7
标签：变压器论文; 风机论文; 变频器论文; 装置论文; 温度表论文; 滤波器论文; 电源论文; 《防护工程》2018年第9期论文;