变压器冷却系统设计-工艺冷却系统的设计

本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：变压器冷却系统设计

变压器冷却系统设计

摘要

对于现在电厂中运行的电力变压器冷却控制系统中存在的自动化程度不高、电气控制中存在的可靠性低、故障率高、控制误差大等故障以及冷却中无法达到节能这一问题，本文提出并研制了一种新型的变压器强迫油循环风冷控制装置。

系统以西门子S7－200（CPU224）型PLC 作为控制器，并控制西门子MM430变频器拖动风机和油泵电机，以此构建了变压器冷却控制系统；系统以变压器顶层油温为被控量，提出了PLC检测变频控制风机的变频器的工频信号是否到达以控制是否投入其他风扇电动机，通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略；此外装置还具有故障定位，报警显示等功能。此外，变频器的使用使冷却系统能够跟随温度的变化连续平滑调整,有利于变压器的安全运行。

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关键词：变压器；冷却控制系统；可编程序控制器；变频器；负反馈控制

The designof Transformer cooling system

Abstract

Nowadays, the power transformer cooling system which is running in electric power plant exists numerous problems , for instance, the low degree of automation, the low reliability, high failure rate in electrical control, the large control errors, as well as energy-inefficient cooling control , all the thorny issues mentioned above can not meet the modern control requirements , this dissertation proposed and developed a new type of system called forcing transformer oil circulation and cooling by air system.

This system used Siemens S7-200(CPU224)-based PLC as the controller, moreover, it also controlled Siemens MM430 frequency converter to drag fan and pump motor, which could be regarded as building a transformer cooling control system. This system considered the top-level temperature of transformer oil as controlled variable, the dissertation simultaneously put forward the control strategy that letting PLC detect industrial frequency access signal coming from the frequency converter which drag fan motor in order to control whether or not putting into operation of other fan motors; next, letting PLC detect zero frequency access signal coming from the frequency converter which drag fan motor in order to control whether or not ceasing other fan motors; in addition , the system comprised the function of fault location and alarm display. Last, the utilization of frequency convertor can make the cooling system always keep pace with changes of temperature for a smooth adjustment, which is conducive to the safe operation of the transformer.

Key words:Transformer; Cooling control system; PLC; Frequency converter;

Negative feedback control

目录

摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 目录.............................................................................................................................. I II 第一章引言.. (1)

1.1电厂变压器冷却系统设计背景 (1)

1.2系统的工艺流程及冷却装置简介 (2)

1.2.1变压器散热方式 (2)

1.2.2变压器冷却原理 (3)

1.2.3.冷却系统简介 (3)

1.3 冷却系统的技术目标 (5)

1.4 本章小节 (5)

第二章系统的控制方法和方案设计 (7)

2.1电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定 (7)

2.1.1 对变压器的冷却装置的要求 (7)

2.1.2 变压器温度限值 (7)

2.1.3 强迫油循环冷却变压器的运行条件 (7)

2.2变压器油温自动控制的控制方法 (8)

2.2.1综合投、切控制策略 (8)

2.2.2 PLC变频控制的基本原理 (9)

2.2.3 PLC变频控制的PID参数整定 (9)

2.2.4 变压器冷却自动控制系统框图 (12)

2.3 系统组成 (13)

2.4本章小结 (15)

第三章冷却控制装置的硬件设计 (16)

3.1 开关器件的选择 (16)

3.1.1 继电器的选择 (16)

3.1.2 接触器的选择 (16)

3.1.3 热继电器的选择 (17)

3.1.4 熔断器的选择 (18)

3.2 电动机的选择 (19)

3.3 PLC的介绍及选型 (20)

3.3.1 PLC的简介 (20)

3.3.2可编程序控制器的输入输出 (22)

3.3.3 可编程序控制器的选择 (24)

3.3.4可编程控制器电源的设计 (26)

3.4变频器的介绍及选型 (28)

3.4.1变频器的介绍 (28)

3.4.2变频器的分类 (28)

3.4.3变频器的控制方式 (31)

3.4.4变频器的选择 (32)

3.4.5变频器参数的设置 (34)

3.5 检测装置的选择 (38)

3.6装置电气连接 (39)

3.6.1 油泵电机电路图 (39)

3.6.2 2-6号风扇电动机电路图 (40)

3.6.3 一号风机电路图 (41)

3.6.4 手自动控制选择和控制电路 (42)

3.6.5 PLC引脚接线图 (43)

3.6.6 系统总电路图 (44)

3.7本章小节 (45)

第四章软件设计 (46)

4.1 程序流程 (46)

4.2 本系统子程序介绍 (47)

4.2.1 系统状态及PID初始化子程序 (47)

4.2.2 油泵电机控制程序 (47)

4.2.3 1号风机变频启动程序 (47)

4.2.4 2-6号风机投入控制程序 (47)

4.2.5 2-6号风机切出控制程序 (47)

4.2.6 故障诊断与报警程序 (47)

4.3 本章小节 (48)

结束语 (49)

参考文献 (50)

附录 (52)

致谢 (65)

第一章引言

1.1电厂变压器冷却系统设计背景

在电厂输变电系统当中，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。变压器在运行中存在着损耗，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。变压器负荷大小的变化，将引起热功率也发生变化，而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。

传统的控制方法是根据变压器顶层油温及负荷电流的变化采用传统的电磁型继电器控制交流接触器进行分组投切控制,达到散热的目的,运行实践表明这种传统的控制系统存在着许多缺陷:

1．现行的变压器冷却系统控制回路设计有缺陷；

2．变压器负荷变化时由温度继电器启动电磁型开关控制引起冷却器组频繁启停,开关故障率较高；

3.冷却器组容量不能随温度及负荷电流的变化连续平滑调整,几组冷却器组同时投入时易产生油流冲击,并且变压器油较高速流动易产生油流带电,容易形成变压器内部故障隐患,影响其安全、稳定运行；

4.冷却器组噪声较大；

5.自动化水平较低；

6.所有冷却风机和油泵电机均在工频状态下运行，无法实现节能，使冷却成本变高。

上述问题严重地影响了变压器的可靠运行，降低了变压器的正常冷却效率和使用寿命，已不适应于现如今电网的发展。鉴于以上分析,本文提出了一种基于可编程控制器为控制核心实现运算、逻辑功能控制，以变频器为节能设备的智能化的冷却器控制系统,可使变压器的损耗与散热功率达到一种平衡关系,实现变压器冷却系统的最优控制。

PLC控制系统作为一种现代工业新型控制系统，其主要核心控件PLC具有以

下优点：

1.可靠性高，抗干扰能力强；

2.适用性强，应用灵活；

3.编程方便，易于使用；

4.维护方便，维修工作量小；

5.控制系统设计，安装，调试方便；

6.功能完善。

此外，随着电力电子技术的发展，变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。变频器的主要优点为：1．变频调速的节能；

2．变频调速在电动机运行方面的优势；

3．能有效的提高工艺水平。

综上所述，采用PLC和变频器配合使用的控制方法对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，而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，此外还进一步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，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系统的工艺流程及冷却装置简介

1.2.1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(0 K),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。

1.2.2变压器冷却原理

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。变压器箱壁外侧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1.1所示：

图1.1 变压器散热过程示意图

1.2.3.冷却系统简介

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，下面对冷却系统风冷却器的工作原理进行分析和介绍，而对于风冷控制装置将在第三章中进行分析和介绍：

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，它保证油的热散入周围介质中。

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1.2所示：

图1.2风冷却器的总体结构

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。

1.3 冷却系统的技术目标

由于本系统的控制思想是通过检测并控制变压器油温从而代替变压器的实际温度，因而只是针对温度一个控制变量。但是通过控制潜油泵的转速和通过控制投入和切出风机的数量以及改变风机的转速都可以调节变压器油温，实现对变压器自身温度的控制。因而调速的对象是安装于冷却器上的油泵电动机和风扇电动机，当变压器负载增大的时候，变压器损耗势必增加，由于自身损耗产生的热量也增加，此时可以通过加快潜油泵的转速或者增加投入风扇电动机使变压器油温保持在允许温度范围内；反之，若变压器负载减小，变压器自身损耗降低，产生的热量也降低，此时可以通过降低潜油泵的转速或者增加切出的风扇电动机达到控制要求。

在本系统中，采取手动调节潜油泵的转速方法，采用变频器拖动潜油泵运行，根据实际经验手动设置控制潜油泵的转速，达到节能的目的。而对于风扇电动机，则采用PLC和变频器配合使用的方法自动控制变压器油温。本系统将变压器顶层的油温利用温度传感器采集回PLC中，再将此模拟信号送到变频器中，利用PLC 控制投入或者切出工频运行的风扇电动机，用变频器对其中的一台风扇电动机进行变频控制，从而达到精确控制的目的。用PLC中的PID调节器进行控制，从而实现对于变压器油温的恒温控制。

1.4 本章小节

针对现代电厂变压器冷却系统中存在的资源浪费、劳动强度大等一系列的问

题，采用PLC控制的变频调速能很好的解决这些问题。

系统主要是对变压器油温进行自动控制，为了实现良好的控制性能，均采用PID闭环控制。

对所需要控制的模拟量信号的准确采集是非常重要的，因此本文对变压器产生热量传递的情况近似采取了控制电压器油温来实现的方法。经实验验证，起到了良好的的控制目的。

第二章系统的控制方法和方案设计

2.1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/T 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：

2.1.1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. 强迫油循环的冷却系统必须保留手动控制，可以进行手自动切换控制；

d. 强迫油循环变压器，当切除故障风扇电动机时应发出音响或灯光信号；

e. 风扇、油泵的附属电动机应有过负荷、短路及断相保护；

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。

2.1.2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2-1 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。

2.1.3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。

2.2变压器油温自动控制的控制方法

在本文所设计的冷却系统中，变压器冷却控制装置的核心功能就是根据变压器油温利用负反馈自动控制投、切风扇电动机，并对其中的1台风扇电动机用变频器进行转速开环恒压频比控制，最终使变压器油温维持在一个稳定的范围内，满足变压器运行对温度的要求。在冷却控制装置中，结合变压器冷却装置的特点我们采用了使用PLC检测变频器工频信号是否到达以控制投入其他工频运行的风扇电动机的策略，通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略。此外，还用到了PLC控制变频器变频拖动一台风扇电动机运行的控制方法，这些控制方法和策略的运用解决了冷却风机频繁投切和节能工作等问题。

用检测变压器油温代替变压器温度的近似控制保证了变压器实际温度的控制, PLC 能控制大量的过程参数, 例如: 温度、压力、流量、液位和速度等, PID 使PLC 具有闭环控制的功能, 即一个具有PID 控制能力的PLC可用于控制过程。当过程控制中某个变量出现偏差时, PID控制算法会计算出正确的输出, 把变量保持在设定值上。以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能, 提高了系统的可靠性。在有模拟量的控制系统中, 经常用到PID运算来执行PID回路的功能, PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。

对于PLC内部的PID运算，其输出作为控制其中一台风扇电动机所接变频器的信号，因此变频器应该采用模拟量控制模式。

2.2.1综合投、切控制策略

继电式控制装置在控制冷却器自动投切上通常的做法是，设定固定的温度阀值，变压器油温超过阀值继电器动作，再投入一台风扇电动机，顶层油温低于设定阀值将投入的风扇电动机切除。这种做法的缺点是，当变压器温度在设定的温度阀值附近波动时，将造成风扇电动机的频繁投切。

本文所提出的冷却系统是使用PLC控制变频器启动一台风扇电动机，例如1号风扇电动机，当变频器的频率从0Hz开始上升到工频50HZ，一段时间后仍然无法使油温降到要求的温度范围内，则变频器内部的继电器工作，输出工频到达信号，使接入PLC内部的该继电器常开触点闭合，PLC根据此信号控制其他的风扇电动机顺序启动，例如工频启动5号风扇电动机，使其投入工作，延时一段时

间后，通过PLC中的PID调节，输出模拟信号到2号变频器中，控制该变频器输出相应的电压和频率，从而调节变压器油温，如若此时已达到所要求的油温，则不再工频启动其他的风扇电动机，反之，一段时间后该变频器仍然输出工频到达信号，则按照启动5号风扇电动机的过程进行控制，依次启动4号、3号、2号、6号风扇电动机，最终使检测出的油温达到设定值。

当然，当冷却装置中的风扇电动机正常运行时，如果变压器负荷变小，此时的自身损耗所损失的热功率变小时，变压器油温会降低，如若此时仍然按照原来负荷未变化时相应投入的工频运行的风扇电动机数量就会产生浪费，此时PLC 通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略，如果此时已有工频运行的风扇电动机工作，则切出一台投入工频运行的风扇电动机，此时先切出的风扇电动机应该是最先启动的风扇电动机。反之，如若变压器0频信号未达到，则变频器可以根据PLC输出的模拟信号自动控制输出相应的频率和电压，从而达到精确控制的目标。

2.2.2 PLC变频控制的基本原理

由于对变压器油温的平滑控制需要控制其中的一台风扇电动机，如若不加入变频器，让所有风扇电机全部工频运行，则将使变压器实际油温低于设定的油温，造成能源的浪费也无法达到平滑控制的目的。反之，加入变频器，使用PLC控制变频器拖动风扇电动机，则可以改变变频器的输出电压和输出频率，从而使风扇电动机转速降低，达到恒温控制和节约能源的目的。基于以上思想，对1号风扇电动机通过 PID 调节完成恒温的闭环控制。以变压器上层油温作为 PID 的反馈，以目标温差作为 PID 的给定，PID 的输出作为变频器的频率运行信号。2.2.3 PLC变频控制的PID参数整定

在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：

1.精确控制一般要求知道被控对象的数学模型，而实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID 约占总控制回路数的90%左右。

2.D控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。

3.较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID