电子变压器冷却调控系统设计

德州职业技术学院 刘瑞龙

性能良好且功能更加健全的电子变压器可以为现代电力系统运行提供良好的保障。电子变压器运行时，会释放出一定热量，当热量高于一定限值时，则会影响电子变压器的正常运行，进而对整个电力系统的运行造成干扰。所以，需要针对电子变压器的运行需求，设计出相配套的冷却调控系统，用于电子变压器内部温度的调控。基于此目的，本文通过对电子变压器冷却调控系统的概述，进而对电子变压器冷却调控系统进行了优化设计；
之后以此为基础，通过仿真实验的方式，对该调控系统予以验证，为电子变压器更好地运行提供技术支持。

电子变压器是现代电力系统中非常重要的一部分，其性能、功能的好坏，直接关系到整个电力系统的运行情况。在此背景下，为了保证电子变压器及整个电力系统能够稳定运行，电力部门开始对电子变压器控制系统进行升级改造，其中包括冷却调控系统，以根据变压器运行情况，对其进行合理有效控制，使其处于最佳状态。对现有电子变压器冷却调控系统来说，其中依然存在一些缺陷，受到这些缺陷的影响，可能使电子变压器内部温度无法处于最佳状态，影响电子变压器的运行。所以，需要设计出一款性能更加良好，功能更加健全的冷却调控系统，以加强对电子变压器内部温度的调节效果。

1.1 主要类型

电子变压器由诸多模块构成，冷却调控系统是其中较为重要的部分，针对其结构特点，可将其划分成两个部分，一是内部冷却模块。当电子变压器运行时，绕组、铁芯会产生一定热量，在内部冷却模块的作用下，可将这些热量导入至周围介质内，从而达到调温的作用；
二是外部冷却模块。其用于将介质内的热量传输到设备外，使整个设备温度处于最佳状态。在设计电子变压器时，针对容量大小、介质类型及循环原理等方面的差异，可选择不同的冷却方式，具体来说，主要包括以下几种。

（1）油浸自冷式系统

该类型冷却调控系统的代号为ONAN，在整个系统内部未安装特殊的冷却装置，铁芯与绕组产生释放出的热量会通过油液的自动循环，逐渐将热量传输给散热箱，从而达到冷却的目的。根据变压器容量的不同，又能够将其划分成三种类型，一是平滑箱壁型，通常应用在容量低的变压器内，对于箱体的外壳来说，利用钢板制，外壁非常的平滑，可较快地将内部热量向外界传输。二是散热筋箱壁型，是在第一种设备类型基础上而开发出来的一种冷却设备，即在箱壁的外部固定适当的散热筋，通过增加箱体与空气的接触面积，从而提升设备的散热效果，一般应用在容量较大的变压器中。三是散热管型，应用在大容量的变压器内，在油箱的外部固定适当数量的散热器，以扩大油箱的冷却表面。对于散热器来说，是通过上下联箱组合而成的散热管，利用法兰的方式将其固定到油箱上，因而可根据实际需求随意拆卸。

（2）油浸分冷式系统

该系统代号为ONAF，又叫做有自然循环式冷却系统。在变压器油箱的散热器旁固定适当数量的风扇，在风扇的作用下，对空气进行对流调节，使其成为强制对流，进而提升散热器的散热能力。相对于自冷式系统来说，该类型系统的冷却能力更强，是前者的2倍左右，可使变压器输出能力增加30%。在负载较小的情况下，可自动将风扇关闭，使该系统变成自冷式系统以减少能源的消耗；
而当负载超过限值后（如70%额定负载时），则会自动将风扇启动，使风扇进入到内部温度调控工作当中。其常用于10000kVA以上的中容量变压器内。

（3）强迫油循环风冷式系统

强迫油循环风冷式系统通常应用在大容量变压器内。该类型冷却系统的代号为OFAF，是在油浸风冷式系统的基础上，在油箱主壳体与带风扇散热器（冷却器）的连接管道上固定潜油泵。在油泵运行过程中，会对油箱提供一定的向上抽力使得油液由上端流出，并进入到散热器内，之后通过变压器的下端，再次导入至油箱中，完成一个强迫油循环。通过该装置为变压器降温时，油循环速度的设置情况，直接影响到冷却效果，速度越快，冷却效果越好。

（4）强迫油循环水冷式系统

该类型系统的代码为OFWF，包括潜油泵、冷油泵等元件。在运行过程中，在油泵的作用下将油液从变压器的上端吸出，并将压力适当增大后，迫使其进入到冷油器，通过其中冷却水吸收油液中的热量，使得油液的温度大幅度下降。在该系统内，铁芯与绕组释放出热量后，先传输至油液内，之后被冷却水吸收，因而具有非常良好的冷却效果。但需要注意的是，对于该冷却系统来说，对变压器的密封性具有较高的要求，且在冷却时，油压应大于水压。

1.2 传统冷却调控系统存在的缺陷

随着社会生产的不断加强，使得电力系统规模不断扩大，逐渐提升了电力设备的输出能力，带给变压器更大的运行负担。所以，为了确保电子变压器能够稳定运行，需要精确对其内部温度进行调节。在低负荷工况下，若局部温度快速上升，可产生电流对抗性放电的现象，导致变压器内部出现损伤，从而降低变压器的应用时间。与此同时，在常规电子变压器冷却调控系统内，通常由诸多元件构成，如散热器、空气开关等，结构较为复杂，也会对整个调控系统造成一定干扰。具体来说，主要体现在下述几个方面：（1）由于元件数量增多，需要利用大量线路将这些元件连接到一起，这些线路与元件运行时，也会产生一定的热量，从而干扰系统对变压器温度信息的采集分析结果；
（2）常规调控系统内，采用了被动式感知反馈逻辑，智能化水平不高，精确度较低；
（3）在对温度进行调节时，采用了机械式定制逻辑降温法，难以将温度控制在最精确的条件下；
（4）元件较多，需要内部空间较大的箱体来进行固定，使得系统的占地面积大，造成土地资源的浪费。所以，开发出一款更加良好的电子变压器冷却调控系统具有重要意义。

2.1 总体设计

由上述介绍可知，常规电子变压器冷却调控系统在运行时，很容易出现各种问题，在一定程度上影响电子变压器的稳定性。所以，本次研究当中，以解决上述分析的缺陷、问题为目的，提出了一种全新的融合方法，即硬件+算法的方式，以期从根本上解决这些问题与缺陷。对于常规电子变压器冷却调控系统来说，最主要的问题为元件较多，内部结构非常复杂，针对这一问题，需要对常规系统的结构进行优化。在系统内部安装包含嵌入式单片机的PLC控制芯片作为系统的控制模块，与此同时，设计出相应的控制点骨架，以对各路传感器、继电器进行控制。针对繁杂的线路，通过集成处理使线路更加简化，并密封到同一绝缘体内，从而减少线路运行时所释放出来的热量，提升整个系统检测、调控的精确性。此外，该系统调控的效果不仅受到硬件的影响，而且还与软件算法逻辑有关，因而在确定好硬件结构后，还应选择最佳算法逻辑。在本次研究中采用了电子变量算法，在该算法的作用下，能够使电子变压器反馈数据通过变量逻辑阵列计算，直观展示出各数据间的关联性，以得到更加精准的调控效果。具体来说，该冷却调控系统如结构图1所示。

图1 电子变压器冷却调控系统结构图

2.2 PLC智能调控模块设计

本次设计的电子变压器冷却调控系统内，PLC芯片是核心元件，其主要是完成数据的分析和指令的发布工作，这一元件选择得好坏，直接关系到整个系统的应用效果。为了保证调控系统的性能，本文选择了型号为STM8S003F3P6的智能PLC芯片，并以此为基础，通过对其他元件集成处理后，共同固定到电路板上。其中，在输入端，一个端口与高精度传感器相连，用于获取电子变压器的模拟量数据；
另一个端口与温度感应器相连，用于电子变压器内部温度信息的采集。在输出端，一个端口与16组中间电子继电器相连，型号为JQC-3FF-S-H，用于对整个集成电路的控制；
另一个端口与3组多路电子相连，用于调控冷却系统的关闭与启动。

在硬件设计时，选取型号为RS485的通信接口，当做系统的传输元件，以保证数据传输效率，提升控制效果精确性。在PLC智能调控模块方面，应符合多模组合平台对接的特点，能够针对电子变压器的运行情况随意调节硬件模块的具体数目，在保证冷却调控效果的同时，减少能源的使用，以便降低成本。常规调控系统运行时，信号传输通常存在一定的滞后性，针对这一问题，主要选择了高精度传感器，其可感应到非常微弱的信号，从而为电子变压器具体情况的分析提供数据支持。

2.3 电子变量算法设计

在硬件模块所设计中，采用了较多性能先进的数据采集、分析与控制元件，可提升数据采集的精确性，优化了常规调控系统存在的滞后性问题。但对数据进行分析时，也可能产生较大的误差，影响PLC芯片发布出最佳的控制指令，从而降低冷却调控的精确性。对于这一问题来说，最根本的原因就是缺少科学的算法逻辑。所以，在设计出硬件平台后，还应选择最佳的算法逻辑。在本次研究当中，采用了电子变量算法，通过对采集数据信息的分析与处理，推导出精准动态峰值，从而产生更加精确的控制指令。

为了验证本次设计出来的电子变压器冷却调控系统性能是否达到要求，展开了相应的仿真实验分析。通过实验分析后，可以得到如表1所示结果。通过该表的观察可以发现，相对于常规系统来说，本系统的各项性能均更优一些，表明该系统可应用到实际当中。

表1 仿真实验分析结果表

总结：综上所述，本文主要利用PLC芯片为核心，设计出有一款性能更加健全、功能更加良好的电子变压器冷却调控系统。该系统结构较为精简，自身运行对检测结果的干扰并不是很大，且各项检测结果均优于常规调控系统，可将其应用到实际当中。

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