摘要：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。本文便分析变频技术在变压器风冷控制中的应用，希望能够为行业发展起到推动作用。
关键词：变频技术；变压器；风冷控制；应用研究
1.概述
目前在电力系统上运行的主变压器冷却方式主要是采用自冷式和风冷式，强迫油循环水冷，强迫油循环导向冷却等几种，而风冷式又可以分为自然油循环风冷和强迫油循环风冷,两种形式，不论是采用自然油循环风冷或是采用强迫油循环风冷的冷却形式，冷却的动力均是利用冷却风扇实现，应用于风扇控制的冷却控制系统采用可编程控制器控制，冷却风扇控制采用分组启、停方式，即是将整台主变压器全部冷却风扇分成2组或2组以上，冷却风扇的投切按控制方式1组或多组同时启动或停止进行。而且还可以设置风冷变压器的单组风扇和多组风扇的在手动状态下的工频转动，剩下的风扇投自动变频运行，也可以设置手动变频运行，通过工控机与PLC柜的PLC形成模拟量和开关量的传输，在微机上通过观看设备信息的状态，人为地设置冷却风扇的转速，从而能直接快速地对变压器的温度快速的调节，所以，在变压器的风冷控制中应用变频技术，能够对冷却风机的转速进行调节，进而实现节能和延长风机使用寿命，使变压器的维护工作量大量减少，相应的变压器的使用寿命也有所增加。
各种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。且变压器在运行过程中，存在着铜损和铁损，这些损耗将转变为热量向外传递，使变压器绕组、铁芯和变压器油温升高。变压器的温升将影响它带负载的能力，并会加快变压器内电气绝缘件的老化，从而影响变压器的使用寿命。
2.传统控制方式在运行过程中的问题
目前，电力系统中运行的大中型油浸式变压器采用强迫油循环风冷却方式的占80%以上。而此种冷却方式的控制装置普遍采用继电接触控制模式对冷却器组的投入和退出进行控制，这种控制装置在运行过程中存在以下问题：
①冷却器组采用温度硬触点控制方式，容易引起冷却器组的频繁投切；
②冷却器组设定为运行、备用和停止3种固定工作状态，不能进行在线调整；
③触点器件故障率较高，事故隐患大，控制精度低，温度时高时低，不能把变压器油温平稳控制在规定的范围，有可能使变压器油早早的劣化，从而造成变压器的绝缘过早老化，间接造成变压器的正常寿命的减少；
④冷却器组工频运行且无节能运行的功能；
⑤自动化水平低，无远程监控功能；
⑥硬件接线复杂，运行维护工作量大。
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，这样的运行控制方式存在如下问题：
①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，采用分组控制方式，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，温度控制不能平稳，造成变压器油温温差大，使铁芯和绕组使用寿命减少，绝缘老化，影响变压器使用寿命和系统运行安全；
②风扇电机直接启动，启动电流是额定电流的5~7倍，对电机绝缘造成冲击影响；且启动频繁，严重影响风扇电机的使用寿命。有时会使风扇电机过早地烧毁。
③在工频额定负载下投切风扇电机，由于感性负载的拉弧，影响电机和接触器，继电器，控制系统的电缆等的使用寿命，增加维护工作量；
④变压器的噪声主要由风扇噪声、电磁噪声和机械噪声引起，而风扇在工频状态下运行时，风扇噪声很大，对环境造成极大噪声污染。
3.变频控制变压器冷却风扇试验装置结构及工作原理
以SIEMENS公司的S7-300系列PLC和ABB公司的ACS510系列变频器作为核心控制设备。系统采用工、变频双模的运行方式，其中工频运行模式是变频运行模式的备用。在变频运行模式下，通过现场总线从现场热电偶测得的数据传到智能测温仪表获取变压器顶层油温，热电偶测得的温度数据通过温度模件传到PLC,另一方面PLC也收集变压器负荷的变化，环境温度，采用模糊神经网络PID算法确定冷却器组最佳的运行频率，并由PLC通过M现场总线将变频数据指令下达给变频器。顶层油温的主要测量设备采用自主研发的数字式多传感器智能测温仪表，PT100热电阻作为备用测温手段，以保证温度测量的准确性和可靠性。同时，系统配置两台变频器。一台工作，一台备用，一台工控机构成备用冗余的运行方式，对所有参与运行的冷却器的风扇电机进行同步变频控制，以保证系统安全、稳定地运行。工控机能更加直观地反应出变压器的温度，负荷，环境温度，各个参数的变化，及各个参数的变化规律，为变频自动手动调节提供转速调整依据。
4.试验中发现的问题与处理办法
4.1变频运行的冷却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。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。
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，可见在变频器输出中含有较多的谐波成分。在参考相关文献后，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。
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4.2电磁兼容问题
某220kV变电站，变压器顶层油温采用具有2支数字温度传感器，1支铂电阻传感器的数字温度表测量，通过总线传送数字测温信号，通过4线制接线方式将铂电阻传感器温度信号直接传送给主控。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。
变频器应用系统的电磁兼容问题主要体现在电磁干扰及其抑制上。电磁干扰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铂电阻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铂电阻的信号线上，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。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。
4.3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。
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信号。同时，2只时间继电器失电后启动延时，经延时整定值之后直接跳变压器高低侧开关且发出变压器跳闸信号。
5.模糊控制算法的应用
实现对风扇电机的控制可以有以下四种方式：
①冷却风扇无级调速可实现变压器各种损耗所产生的发热量与散热量的均衡控制，避免油温的大幅上下波动。对冷却风扇采用无级调速，实时跟踪变压器数据的变化，据此控制冷却容量与发热量保持基本均衡，可实现油温在给定量的规定范围内变化。对于电机的无级调速有：变频调速，手动变频调速等。
②为了克服电机直接启动造成的冲击电流，有多种控制方式：降压启动，变频调速启动等，均可控制冷却风扇启动电流在较小的范围内。
③采用无触点开关、变频调速装置等控制风扇电机，可避免冷却风扇在投切时产生拉弧。
④采用变频调速装置控制风扇电机，可实现节能降噪，减少对环境造成污染。
5.1模糊PID控制器的设计
由于变压器冷却系统的参数时刻都在变化，使其无法建立精确的数学模型，其又具有大滞后、非线性的特点，只采用常规的PID不能满足最佳的控制性能。在控制过程中采用模糊控制器虽然能够使系统获得良好的动态特性，但稳定性不能达到满意效果。通过设计实现模糊控制和PID控制的相互结合，以常规PID控制为基础，引入了模糊控制构成模糊PID复合控制，使得系统的动态响应速度通过比例控制得到提高，而积分控制和微分控制又可分别消除系统的稳态误差、加快对偏差的跟踪速度，通过模糊推理对PID的比例、积分、微分参数进行在线修改，使模糊控制的稳态性能和控制精度得以改善。
5.2频率调节的模糊控制
试验装置采用工、变频双模的运行方式，其中工频运行模式是变频运行模式的备用。在变频运行模式下，通过现场总线从现场智能测温仪表获取的变压器顶层油温，综合油温偏差及偏差的变化率，环境温度，采用模糊算法确定冷却器组最佳的运行频率，并通过现场总线将变频指令下达给变频器。顶层油温的主要测量设备采用自主研发的数字式多传感器智能测温仪表，热电阻作为备用测温手段，以保证温度测量的准确性和可靠性。
5.PLC在变频控制变压器冷却风扇中的应用，PLC两个，一个运行，一个热备用，通过现场总线将变压器的各个温度参数，负荷参数，电流，电压，功率，有功，无功，环境温度等的变化参数通过开关量，模拟量输入模件传至PLC中，这些数据又在工控机上显示出来，在自动的状态下，PLC会根据这些数据的变化，据PLC中梯形图的程序自动的投入或退出风机和风机转速的增减，在手动变频时，人们可根据参数的显示，手动输入转速，在工频状态下，可根据参数的显示，手动设定投入风扇的组数，在半自动下，可以实现冷却风扇的部分变频，部分工频的运行。
6.变频技术的应用结论
变频技术运用可以实现风扇电机的工作状态由不均衡的工频模式改为根据变压器油温和负载变化，均衡调整转速的变频模式。通过实时采集变压器顶层油温模拟量信号及负载率变化等运行参数，确定冷却风扇的优化控制方案，合理安排风扇电机的启动条件、运行转速及冷却器的运行组数等，实现风扇冷却功率随变压器负荷大小、发热量大小进行实时调节变化，满足负载增大，油温升高时，则增加风量，冷却容量增大；负载减小，油温降低时，则减小风量，低负荷节能优先，减少热冗余浪费，经济运行，综合节能可达到30%-50%；高负荷控温优先，迅速提高冷却能力，一定条件下可提高变压器负载能力，从而实现变压器油温在一定范围内波动，不存在冷却容量过大或不足的现象。同时变频调速技术运用，启动电机时以低频启动，克服电机直接启动造成的冲击电流，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，减少维护工作量；优化控制，最佳运行转速，风扇在低频下使用，相对于运行在工频状态下可以降低运行噪音10%-30%。
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。变频风冷控制装置将来具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]李明辉,焦联国.变频调速系统的抗干扰分析[J].电机与控制应用,2010(08).
[2]贾振国.Fuzzy-PID变频技术在变压器冷却控制中的应用[J].电气时代,2012(1):66-67.
论文作者:杜森林
论文发表刊物:《电力设备》2019年第17期
论文发表时间:2019/12/16
标签：变压器论文; 风扇论文; 电机论文; 风机论文; 测温论文; 方式论文; 负载论文; 《电力设备》2019年第17期论文;