基于PLC的智能變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洪序平，盧鶴敏，徐 瀚，趙 寧，柯常軍

（1.福清核電有限公司，福建 福清 350318；2.陜西金源自動(dòng)化科技有限公司，西安 710304）

0 引言

變壓器作為變電站中核心的高壓電氣設(shè)備[1]，其主要功能是變換電壓等級(jí)、輸送交流電能。由于變壓器中能量和電壓的轉(zhuǎn)換，難免會(huì)發(fā)生鐵損、銅損，產(chǎn)生大量的熱能。變壓器長期工作在高溫環(huán)境中，會(huì)降低其帶負(fù)載能力，加速變壓器元器件和絕緣材料的老化，影響使用壽命[2]。

目前，特高壓變電站對(duì)變壓器主要采用的是強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷的方式。它是目前散熱效果最好，散熱量最高的一種冷卻方式[3]。但傳統(tǒng)的控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中繼電器的數(shù)量多、型號(hào)雜，極大地增加了故障概率和維護(hù)成本。同時(shí)，繼電器的故障也易導(dǎo)致冷卻器工作電源和啟停元器件發(fā)生故障。近年來，隨著PLC 模塊集成的功能越來越強(qiáng)大，在工程系統(tǒng)的改造升級(jí)中常常用到[4]。

本文介紹了一種以斷路器為線路保護(hù)元件，三相電力采集模塊為參量監(jiān)測(cè)元件，PLC 模塊為控制核心的變壓器新型智能冷卻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行狀況，還可控制冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)工作，降低故障發(fā)生率，有效延長變壓器的使用壽命，為變壓器的可靠運(yùn)行提供了保障。

1 裝置系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)

1）智能冷卻監(jiān)控系統(tǒng)

JY-BQFK 系列新型智能變壓器冷卻系統(tǒng)主要由冷卻器和智能監(jiān)控裝置組成，采用可編程控制器為核心控制元件。監(jiān)測(cè)元件與傳感器采集到的油溫、負(fù)載電流、啟停狀況等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)輸送到智能監(jiān)控裝置。智能監(jiān)控裝置根據(jù)輸入的各種系統(tǒng)運(yùn)行信息對(duì)冷卻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，并通過以太網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給集控中心，接收集控中心的控制信號(hào)。智能監(jiān)控裝置由可編程控制器（PLC）、觸控屏、通信模塊等組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of intelligent monitoring device

2）變壓器冷卻裝置結(jié)構(gòu)

每臺(tái)變壓器冷卻裝置包含3 臺(tái)風(fēng)機(jī)和一臺(tái)潛油泵，以及溫度計(jì)座、油流繼電器、蝶閥等元件。

3）控制柜結(jié)構(gòu)

控制柜作為變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的載體，主要包括PLC 模塊、模擬量擴(kuò)展模塊、通信模塊、繼電器、照明裝置、開關(guān)電源、溫度控制儀、操作按鈕、指示燈等元器件?？刂乒耖T板上安裝有觸控屏和控制按鈕，極大地方便了維護(hù)人員的操作以及對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過觸摸屏可以便捷查看冷卻系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定并通過開關(guān)和按鈕直接控制?？刂乒裢庥^如圖2 所示。

圖2 控制柜外觀圖Fig.2 Appearance of control cabinet

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）PLC 控制模塊

PLC 全稱為可編程控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的控制器。PLC是在電氣控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，將自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置[5]。

新型變壓器冷卻系統(tǒng)的控制核心則采用PLC 模塊結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)使該設(shè)備可具有多種控制功能。整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能劃分，可劃分為16 個(gè)模塊，其中包含三相電力采集模塊（U10）、輸出模塊（U7）、油溫信號(hào)控制模塊（U2）、負(fù)荷監(jiān)控模塊（U16）等，可實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理，集中控制。系統(tǒng)采集變壓器所有冷卻信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將采集的模擬量變換為PLC 可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，控制開關(guān)跳閘和冷卻器的切投。PLC 模塊外部與以太網(wǎng)相接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息通訊功能，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行和故障信息，進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)設(shè)定。PLC 裝置具有適應(yīng)力強(qiáng)、智能化等特點(diǎn)，使供電安全性和變電站綜合自動(dòng)化水平得到顯著提升[6]。

2）各種傳感器

傳感器作為測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的有效信號(hào)。現(xiàn)場傳感器將實(shí)時(shí)采集到的物理量信息轉(zhuǎn)換并輸出為4mA ～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，通過專用電纜傳送到PLC 控制柜中。監(jiān)控系統(tǒng)中主要傳感器安裝位置如下：

① 在控制柜中安裝溫度、濕度傳感器和壓力傳感器，監(jiān)測(cè)環(huán)境溫、濕度和氣壓變化。

② 在供電電路上安裝開停傳感器。

③ 在頂層油面上和集油室安裝油溫表，監(jiān)測(cè)油面溫度。

④ 在潛油泵和風(fēng)扇電機(jī)上安裝綜合電量采集裝置，對(duì)電流、電壓等電量參數(shù)進(jìn)行采集。

⑤ 在負(fù)載線路上，由變壓器套管式電流互感器采集電流信號(hào)。

⑥ 在風(fēng)機(jī)潛油泵排油管路上安裝壓力傳感器，監(jiān)測(cè)潛油泵油壓。

3）雙電源及冷卻器自投

系統(tǒng)采用三相電力采集模塊（如圖3）代替?zhèn)鹘y(tǒng)電源監(jiān)測(cè)繼電器，是不再依賴接觸器輔助觸點(diǎn)的判斷方式，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、判斷及定位更為精準(zhǔn)等特點(diǎn)。而三相電力采集模塊為PLC 控制器的擴(kuò)展模塊，即PLC 控制器對(duì)電源的運(yùn)行信息直接采集判斷，通過輸出模塊U7 的1、2 端口分別控制KS1 與KS2 繼電器，從而分別實(shí)現(xiàn)兩段電源的自動(dòng)控制。采用三相電力采集模塊即PLC 擴(kuò)展模塊直接與兩段電源相連，使產(chǎn)生誤判的幾率大大降低。并且當(dāng)PLC 故障時(shí)繼電器失磁，備用電源和冷卻器也會(huì)自動(dòng)投入，安全性得到極大提高。

圖3 三相電力采集模塊Fig.3 Three phase power acquisition module

4）變壓器負(fù)荷監(jiān)控

如圖4 所示的負(fù)荷電流監(jiān)測(cè)模塊（U16）通過對(duì)負(fù)荷電流監(jiān)測(cè)，PLC 模塊自動(dòng)控制輔助冷卻器啟停。

圖4 負(fù)荷電流監(jiān)測(cè)模塊Fig.4 Load current monitoring module

圖4中的電流互感器分為總回路與分支回路，分別放置在電源輸入端與輸出端口，可對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行分析。輸出端的電流總和應(yīng)等于輸入端的總電流，當(dāng)相差太多，則可判斷出中間回路有發(fā)熱部位，消耗一部分電能，可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，進(jìn)行檢修。并且當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到變壓器過負(fù)荷電流值達(dá)到2.68 值時(shí)，PLC 控制器控制輔助1 冷卻器依次逐臺(tái)延時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)過負(fù)荷電流值達(dá)到4.46 值時(shí)，輔助2冷卻器依次逐臺(tái)延時(shí)啟動(dòng)（兩閾值根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行狀況設(shè)置），當(dāng)負(fù)荷回到設(shè)定值80%，輔助冷卻器退出運(yùn)行。

5）油溫監(jiān)控

變壓器采用強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷裝置來應(yīng)對(duì)變壓器油液溫升問題，油溫監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。油浸式變壓器的運(yùn)行溫度主要指的是變壓器上層油溫和變壓器繞組溫度[7]。測(cè)量對(duì)象為變壓器頂層油溫，而絕緣老化現(xiàn)象最嚴(yán)重的位置是靠近變壓器繞組端部的某個(gè)位置。由于無法精準(zhǔn)地定位和測(cè)量，往往采用變壓器繞組溫度進(jìn)行替代。

系統(tǒng)由油溫表對(duì)變壓器上層油面溫度以及繞組溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)運(yùn)行中的變壓器上層油面#1 油溫表溫度≥60℃時(shí)，在PLC 控制下處于“輔助1”模式冷卻器相繼延時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)#1 油溫表溫度＜55℃時(shí)，“輔助1”模式冷卻器退出。

當(dāng)運(yùn)行中的變壓器上層油面#2 油溫表溫度≥60℃時(shí)或繞組溫度表溫度≥90℃時(shí)，處于“輔助2”模式冷卻器相繼延時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)#2 油溫表溫度＜55℃且繞組溫度表溫度＜85℃時(shí)，“輔助2”模式冷卻器退出。

采用PLC 對(duì)變壓器冷卻裝置的控制，可以通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫的精確控制功能，極大簡化了系統(tǒng)接線，完善了對(duì)冷卻器的保護(hù)和控制。

6）控制柜工作環(huán)境智能監(jiān)控

控制柜作為PLC 控制模塊和通信模塊等關(guān)鍵元器件的集成，保證其工作環(huán)境的穩(wěn)定相當(dāng)關(guān)鍵[8]?？刂乒裰邪惭b了溫度控制儀、濕度控制儀和除濕照明裝置?？刂乒窆ぷ鳝h(huán)境智能監(jiān)控可有效保護(hù)核心PLC 元件，避免因溫度變化或潮濕等因素造成柜內(nèi)電器元件損壞或加速老化，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

柜內(nèi)照明采用限位開關(guān)自動(dòng)控制，溫濕度采用空調(diào)和智能型溫濕度監(jiān)測(cè)模塊兩套系統(tǒng)控制。正常運(yùn)行時(shí)為空調(diào)控制，通過智能溫濕度檢測(cè)控制單元，根據(jù)溫濕度參數(shù)設(shè)置和柜內(nèi)運(yùn)行溫濕度采集量對(duì)比，實(shí)現(xiàn)加熱器和箱體風(fēng)機(jī)的切投。當(dāng)空調(diào)失效時(shí)，可拆除軸流風(fēng)機(jī)擋板，通過加熱除潮把手投入溫濕度監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)頂部軸流風(fēng)機(jī)和底部加熱板進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制。

7）跳閘保護(hù)

如圖5 所示，當(dāng)變壓器運(yùn)行時(shí)，I、II 段電源消失或所有冷卻器/風(fēng)機(jī)應(yīng)到達(dá)運(yùn)行溫度時(shí)卻未運(yùn)行，此時(shí)發(fā)出“冷卻器全停故障”遠(yuǎn)方信號(hào)的同時(shí)，啟動(dòng)20min 和60min 兩段延時(shí)跳閘，20min 后開始監(jiān)測(cè)變壓器上層油溫信號(hào)。若變壓器上層油溫高于75℃信號(hào)開入，直接發(fā)出跳閘出口；當(dāng)變壓器上層油溫低于75℃時(shí)，60min 后發(fā)出跳閘出口?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)油溫控制兩段延時(shí)跳閘，確保變壓器和冷卻系統(tǒng)安全停止工作。跳閘保護(hù)控制圖如圖5 所示。

圖5 跳閘保護(hù)控制圖Fig.5 Trip protection control diagram

3 結(jié)語

基于PLC 的新型智能冷卻監(jiān)控系統(tǒng)，避免了因使用繼電器所產(chǎn)生的元件老化和運(yùn)行環(huán)境缺陷，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)并自動(dòng)控制相關(guān)裝置運(yùn)行，具有雙電源及冷卻器自投、變壓器油溫和負(fù)荷監(jiān)控、跳閘保護(hù)等自動(dòng)監(jiān)控功能，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，延長變壓器設(shè)備使用壽命，減少了運(yùn)行維護(hù)人員工作量。隨著電網(wǎng)可靠性運(yùn)行要求的不斷提高，本系統(tǒng)在核電站的應(yīng)用可以有效維護(hù)變壓器運(yùn)行工況的穩(wěn)定，保障電廠機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于變電站的自動(dòng)化發(fā)展具有重要意義。