變電站主變冷卻風(fēng)扇變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：針對(duì)現(xiàn)行電力變壓器冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題，本文提出了新的控制方案，使冷卻系統(tǒng)能夠跟隨主變油溫的變化連續(xù)平滑調(diào)整，有利于變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：變電站主變；冷卻系統(tǒng)；變頻調(diào)速；遠(yuǎn)程監(jiān)視

引言

變電站主變是變電站的主要設(shè)備之一，隨著負(fù)荷與外界環(huán)境的變化，變壓器所需的冷卻容量將頻繁調(diào)整，傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)控制方式分為手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)方式缺點(diǎn)主要是：自動(dòng)化水平低，增加值班人員工作量：冷卻容量不能隨溫度的變化連續(xù)平滑調(diào)整，幾組冷卻風(fēng)扇同時(shí)投入易產(chǎn)生沖擊電流，污染電網(wǎng)；幾組冷卻風(fēng)扇同時(shí)滿載運(yùn)行，噪聲較大；遠(yuǎn)程無法監(jiān)視冷卻系統(tǒng)情況等。自動(dòng)方式雖然提高了自動(dòng)化水平，降低了值班人員工作量，但是變壓器負(fù)荷變化時(shí)由溫度繼電器啟動(dòng)電磁型開關(guān)控制引起冷卻系統(tǒng)頻繁啟停，開關(guān)故障率很高，可靠性低，很少被采用。本文采用變頻技術(shù)，設(shè)計(jì)出新的冷卻控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行了三年多，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)視和降低噪聲等預(yù)期效果。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是針對(duì)110kV和220kV變電站主變冷卻系統(tǒng)所做的設(shè)計(jì)，具備以下特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)潔：系統(tǒng)安全可靠：成本低；節(jié)能空間大；可遠(yuǎn)程監(jiān)視。

本系統(tǒng)采用主備兩個(gè)回路控制冷卻風(fēng)扇，且主備回路可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。主回路即變頻回路：備用回路為工頻回略。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，主要使用的設(shè)備就是變頻器。變頻器的研究在項(xiàng)目開發(fā)中起到至關(guān)重要的作用。

在變頻調(diào)速中主要有交一交變頻和交一直一交變頻，目前應(yīng)用最廣泛的是后者，它的基本思路是：先將電源的三相交流電經(jīng)過整流橋整流成直流電，再經(jīng)逆變橋把直流電逆變成頻率任意可調(diào)的三相交流電。實(shí)現(xiàn)逆變的逆變橋就是變頻主電路的關(guān)鍵部件，它由六個(gè)開關(guān)器件組成，逆變的過程是這六個(gè)開關(guān)器件按一定的規(guī)律不停的導(dǎo)通和截止，這也是實(shí)現(xiàn)變頻的過程。

本系統(tǒng)采用的是交－直－交變頻，其變頻器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有四個(gè)模塊組成：變頻器控制模塊、整流模塊、能耗模塊和逆變模塊。

變頻器控制模塊

變頻器控制模塊主要是向主電路提供控制信號(hào)，其內(nèi)部有運(yùn)算電路。運(yùn)算電路將外部輸入的主變油溫信號(hào)同檢測(cè)的電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算。用運(yùn)算結(jié)果來控制逆變模塊的開關(guān)器件，決定了變頻器的輸出電壓與頻率。

控制模塊還有I/O輸入輸出電路，以便實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，變頻器有多種輸入信號(hào)，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出(電流、頻率、故障報(bào)警、保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等)信號(hào)。因此，可以接變頻器的顯示、鍵盤等控制電路，并且還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

整流模塊

整流模塊主電路如圖3。整流二極管VD1～VD6組成三相整流橋，將電源的三相交流電全波整流成直流電。CF1和CF2濾波電容器的功能是：濾平全波整流后的電壓波紋：當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保持平穩(wěn)。

因?yàn)殡娊怆娙萜鞯碾娙萘坑休^大的離散性，故電容器組CF1和CF2的電容量不能完全相等，這將使它們承受的電壓不相等。為了使的它們承受的電壓相等，在CF1和CF2旁各并連一個(gè)阻值相等的均壓電阻Rc1和Rc2。

限流電阻RL和開關(guān)SL為了避免變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容器CF1和CF2的充電電流很大。因?yàn)檫^大的沖擊電流將可能使三相整流橋的二極管損壞；同時(shí)，也可能使電源電壓瞬間下降而受到“污染”。為了減少?zèng)_擊電流，在變頻器剛接通電源后的一段時(shí)間里，電路內(nèi)傳入限流電阻RL，其作用是將電容器CF1和CF2的沖電電流限制在允許范圍內(nèi)。開關(guān)SL的功能是：當(dāng)CF1和CF2沖電到一定程度時(shí)，令SL。接通，將RL短路掉。

耗能模塊

耗能模塊主電路如圖4所示。電動(dòng)機(jī)在工作頻率下降過程中，將處在發(fā)電狀態(tài)，所發(fā)電會(huì)反饋到直流電路中，使直流電壓Up不斷上升，甚至可能達(dá)到危險(xiǎn)的地步。因此，必須將再生到直流電路的電能消耗掉，使Up保持在允許范圍內(nèi)。Vb是由GTR或IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。其功能是為了電機(jī)發(fā)電時(shí)耗能模塊導(dǎo)通。

逆變模塊

逆變模塊主電路如圖s所示。

V1～V6是可關(guān)斷晶閘管，常用的有絕緣柵雙極性型晶體管(IGBT)、電力晶體管(GTK)、門極關(guān)斷(GTO)晶閘管以及電力MOs場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。VD7～VD12是續(xù)流二極管，其主要功能有：

(1)電動(dòng)機(jī)的繞組是感性的，其電流具有無功分量，VD7～VD12為無功電流返回直流電源時(shí)提供“通道”：

(2)當(dāng)頻率下降，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，可以通過VD7～VDl2整流后返回給直流電路：

(3)V1～V6進(jìn)行逆變的基本工作過程是，同一橋臂的兩個(gè)晶閘管處于不停地交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)，在交替導(dǎo)通和截止的過程中，會(huì)不時(shí)地需要VD7～VD12提供通路。

系統(tǒng)應(yīng)用

安徽六安110 kV城東變電站有兩臺(tái)主變，每臺(tái)主變有2臺(tái)冷卻風(fēng)扇，總功率為1.5 kW。按照本文所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求對(duì)2號(hào)主變冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造。到目前為止，改造后的冷卻系統(tǒng)運(yùn)行良好。圖6和圖7是其某三天的運(yùn)行相關(guān)曲線圖。

與未經(jīng)改造的1號(hào)主變相比、改造后的冷卻系統(tǒng)平均每天運(yùn)行時(shí)間少了7小時(shí)左右，因此，每天可節(jié)能10.5kWh以上：并且，改造后的冷卻系統(tǒng)夜間不運(yùn)行，白天運(yùn)行在50Hz以下，因此，噪聲明顯降低。

結(jié)語(yǔ)

由于變電站主變冷卻系統(tǒng)傳統(tǒng)控制方式存在很多弊端，利用新技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造勢(shì)在必行。本系統(tǒng)利用變頻技術(shù)，結(jié)合變壓器油溫的反饋調(diào)節(jié)，從而將變壓器油溫控制在一個(gè)較小的給定范圍，這對(duì)節(jié)能減排和變壓器的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及延長(zhǎng)其使用壽命具有重要的意義。該系統(tǒng)已通過安徽省科技廳的科技成果鑒定并取得鑒定證書，且于2009年4月獲得國(guó)家實(shí)用新型專利證書(專利號(hào)為ZL200820035751.7)。