毕业设计（论文）-基于PLC控制的大型电力变压器冷却控制装置的设计.doc

华北科技学院毕业设计（论文）目录设计总说明2General description of the design41绪论61.1课题来源及研究目的与意义71.2冷却控制装置研究现状81.3本毕业设计的具体工作92强迫油循环冷却及控制系统运行分析92.1强油循环风冷却器及控制器的结构和工作原理102.1.1风冷却器112.1.2风冷控制装置122.1.3现行大型变压器冷却装置的配置和特点132.1.4风冷却器控制线路存在的问题142.2大型油冷变压器发热和散热计算142.2.1变压器损耗计算152.2.2变压器散热方式152.2.3变压器散热计算173冷却控制装置的功能和控制方法193.1电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定19 3.1.1对变压器的冷却装置的要求193.1.2变压器温度限值193.1.3 强迫油循环冷却变压器的运行条件193.2变压器冷却控制装置的功能设计203.3冷却控制装置功能模块设计213.4 控制方法和策略研究233.4.1变压器油温自动控制的控制方法233.4.2 综合投、切控制策略243.4.3按运行时间投切的控制方法264冷却控制装置的硬件设计29 4.1电气元件及其在装置中的应用29 4.1.1凝露温度监控器29 4.1.2电动机的运行保护30 4.1.3开关器件30 4.1.4电动机30 4.2可编程序控制器31 4.2.1可编程序控制器的输入输出性质和数量314.2.2可编程序控制器的选择35 4.3冷却控制装置接线364.3.1电源监控和凝露温度监控部分接线364.3.2冷却器电动机保护控制接线394.3.3可编程序控制器的输入输出连接405软件设计435.1软件总体设计435.2电源和三侧开关处理455.3投入计时处理、超时和切除计时处理465.4投切判断和投切处理496结论和展望546.1结论546.2展望54参考文献56致谢57附录A：主电路图58附录B：PLC接线图58附录C：器件选型58 基于PLC控制的大型电力变压器冷却控制装置的设计 设计总说明 电力是重要的二次能源，关系国民经济发展的命脉。电力变压器作为电力系统和广大企业用户广泛应用的电气设备，联络电网，把供电网络的电压转换为用电设备或装置直接使用的电压，在电力输送、分配和使用过程中发挥着核心关键作用，而变压器风冷控制系统则是保证其安全正常运行的重要部分。 传统变压器风冷控制箱为20世纪60年代的技术水平，由于控制系统主要由机械触点逻辑电路实现，安全隐患多，自动化程度低，不能适应当今无人值守变电站的需要，因此改进原系统的设计一方案势在必行。本文针对传统变压器风冷控制系统存在的控制回路复杂、可靠性低、故障率高、控制误差大等问题，提出并研制了一种新型的变压器风冷控制系统。PLC是可编程序控制器简称。它是随着现代社会生产发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的提高及微电子技术的飞速发展，在继电器控制的基础上产生的一种新型工业控制装置，并应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱之一。 PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活、操作维护方便、结构简单等优点，目前已在机械制造、冶金、化工、交通、电子、纺织、印刷、食品、建筑等工业领域中得到广泛的应用。控制变压器温度主要是控制变压器油的温度，因为变压器内部热量主要靠变压器油的流动循环带走。变压器在运行过程温度是不断变化的，一方面因为负荷大小在变化，另一方面环境温度也在变化，这都会引起变压器油温的变化。为保证变压器安全、稳定、经济地运行，必须随时检测变压器的油温，并投入变压器冷却装置来使变压器油温控制在设定范围内。变压器的容量越大，散热问题越突出，因为单靠变压器箱壁已不能使热量完全散发，为使变压器温升控制在一定范围，必须对变压器的温度进行控制，一般需对变压器安装冷却装置，力日快变压器散热。冷却装置的选择与变压器容量有关，小容量变压器一般采用油浸式自冷方式，大容量变压器根据容量不同可选用油浸式风冷和强迫油循环式，强迫油循环又包括强油风冷和强油水冷等。新型系统以西门子57-200型可编程序控制器(PLC)为核心以实现了完整的变压器风冷控制系统功能。系统以变压器顶层油温及负荷等参数作为被控量，提出了有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略;提出了按风冷装置(油泵、风扇)的累计运行时间和累计停止时间自动均衡投切风冷装置的控制方法;此外，该系统还具有通信、远方监视控制、故障定位等功能。另外，主回路选用无触点交流固态继电器代替交流接触器控制风冷装置的投切，选用电动机保护器代替热继电器以实现对风扇和潜油泵电机的保护。固态继电器具有关断速度快，避免触点烧坏，导致风机停运等特点，而电动机保护器集缺相、过流、堵转保护为一体，具有工作灵活可靠、安装方便、故障率低等优点。新型系统可克服传统变压器风冷控制系统逻辑控制功能低下、不便扩展、易发生接触不良等弊端，其功能完善、易于扩展、便于维护、运行安全可靠，实现了风冷控制系统的智能化，是传统变压器风冷控制系统的理想替代产品。该系统的广泛应用，对于缓解日益加剧的能源资源危机，促进资源的合理、有效配置，降低环境噪声污染，推动社会经济持续、快速、健康发展，将具有深刻的现实意义。关键字：变压器;冷却控制系统;可编程序控制器General description of the designThe electric power is the important secondary energy source and is crucial to the national economy developments. The power transformer, as the extensive use of electrical equipments for the electric power system and enterprise customers, integrates all of the facilities into a electric network, transfers the supply network voltage into the service voltage for the utilities of all kinds of equipments and devices. It plays a pivotal role in electric power transmission, allocation and application. Anyway, it is the wind cooling control system of the transformer, the important portion to this instrument, that ensure the transformer and the electric network run normally and safely.The traditional transformer wind cooling control casing still remains at the technological level of 20th century 60th. At the same time, the control system is composed of mechanical contact logic circuit, yet it is not safe, at low automatic level and can not be achieved unattended. Consequently, it is imperative to improve the original design.For the problems being in the wind cooling control system of the traditional main transformer, such as the complicated control circuit, low reliability, high fault rate, large control error etc., this paper brings forward a new design based on PLC of the principle and implementation of a transformers wind cooling control system.PLC is the shortened form of the programmable controller. It is with the development of modern social production and technological progress, the improvement of modern industrial production automation level and the rapid development of microelectronics technology, on the basis of the relay control of a new type of industrial control equipment, and applied to a high reliability in the field of industrial control controller, is one of the important pillar of the contemporary industrial production automation. PLC has a stable and reliable, cheap, complete functions, flexible application, convenient operation and maintenance, the advantages of simple structure, is currently in machinery manufacturing, metallurgy, chemical industry, transportation, electronics, textiles, printing, food, construction and other industries widely used.Control transformer temperature mainly control the temperature of the transformer oil, because the transformer internal heat flow loop of transformer oil is mainly by take away. Transformer in operation temperature is constantly changing, on the one hand, because the load changes in size, on the other hand, the environment temperature is changing, it can cause the change of the transformer oil temperature. In order to ensure the safety, stable and economical operation of transformer, must be ready to detect transformer oil temperature, and cooling device to transformer oil temperature control within the scope of the set. The capacity of transformer, the greater the heat dissipation problems more outstanding, because the transformer tank wall alone cannot make full heat, to make the transformer temperature rise control in a certain range, must to control the temperature of the transformer, general transformer should be install the cooling unit, power transformer cooling quickly. The choice of cooling device is associated with transformer capacity, small capacity transformer generally adopts the oil-immersed natural cooling method, the large capacity transformer capacity under different choice of oil-immersed forced-air cooling and forced the oil circulating, forced oil circulation and include strong oil cooling and strong oil cooling, etc. The S7-200 PLC of Siemens is the core of the new design. Based on this, the new system can achieve a variety of functions of the wind cooling control system. The new control system considers the top oil temperature and load of the transformer as its controlled variables, and uses control strategy of switch on and off values, which have margin in them. And the model combines the cumulative running time and the cumulative stop time of the cooling system, to realize the balanced integrated auto control of the cooling device. Besides this, the system has other functions such as communication, remote surveillance, fault locating etc.In addition, the main circuit uses non-contract solid module, which has the characteristics of high speed switching off, and thus can avoid contract burned to stop blower cooling device. And it chooses electric-engine protector to protect fan and oil pump motor other than heat protector. The electric-engine protector has many advantages such as high reliability, low fault rate, easy to install etc.The new design which is the ideal updated product of the traditional wind cooling control system can overcome almost all kind of shortcomings of the traditional wind cooling control system such as low features, hard to expand, bad connection etc.And the wider use of the new system will be of much more help to ease increasingly growing energy resource crisis, to promote effective allocation of resources,to reduce noise pollution, and to speed sustainable economic development healthily etc. And it will also be of practical and profound significance to todays society.KEY WORDS：transformer; cooling control system; PLC 1绪论1.1课题来源及研究目的与意义在输变电系统中，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。变压器在运行中是有损耗的，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。变压器运行中所带负荷随时都在发生变化，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；同时不管是一年四季环境气温的变化，还是每天昼夜气温的变化，也都造成了变压器油温的变化。为了保证变压器安全，稳定，经济的运行，要随时检测变压器的油温并由冷却控制装置控制冷却器组运行来控制变压器油温的变化，使其油温维持在一个固定的范围内。但目前大型电力变压器的冷却控制仍然主要采用传统的继电式控制方式，这种控制方式存在许多弊端：控制回路接线复杂、可靠性差、故障率较高、维护工作量大，例如漳州电业局角美变电站、莆美变电站和总山变电站的5台强迫油循环风冷变压器在2001年至2005年期间，共出现冷却控制系统的问题56次，其中热耦继电器损坏14条次，接触器的损坏26条次，元器件接头的发热7条次，其他缺陷9条次；冷却器组设定的“工作”、“辅助”、 “备用”3种运行方式不能进行在线调整，造成冷却器运行不均衡，影响冷却器组使用寿命，同时不利于节能；变压器负荷波动较大造成变压器油温变化时，因采用温度硬触点控制，造成冷却器组频繁启停，降低了冷却器组的使用寿命，同时加重了油流带电现象；不能对冷却器风扇、油泵电动机提供完善的保护。继电式控制装置因控制系统故障而使变压器冷却系统带病运行，严重地影响了变压器的可靠运行，已不适应于现如今电网的发展。本课题针对存在的问题提出并研制了基于PLC的大型变压器冷却控制装置。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、智能化等优点，采用PLC实现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；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；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。随着对电网安全可靠运行要求的不断提高，本文提出的基于PLC的大型变压器冷却控制装置的研制，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冷却控制装置研究现状目前国内运行的电力变压器冷却及其控制装置现状的分析和研究。文献分析了我国大型电力变压器冷却装置配置情况、运行特点和对变压器运行的影响，电力负荷变化和环境气温变化造成的变压器运行中温度变化和对变压器运行影响的分析。强迫油循环风冷变压器电源自投切换回路运行的分析，并针对缺陷提出了具体的改造措施，为冷却装置的可靠供电提供了保障。有文献提出了单负载双电源切换控制及缺相保护控制电路和双负载双电源切换控制电路的原理和实现方法，对冷却控制装置电源控制部分的设计提供了借鉴。强迫油循环风冷变压器油流带电问题的研究。从试验的角度对变压器局部放电现象进行相关试验并测量结果，从试验结果上对油流带电现象进行了分析和探讨，并提出了一些预防及改善油流带电现象的措施。从理论角度分析变压器油流带电产生的原理，并对影响油流带电的因素和产生条件进行了分析，同时也提出了一些预防及改善油流带电现象的措施。针对继电式控制装置存在的问题和设计上存在的缺陷很多文献针对具体故障分析故障原因，提出了具体的改造措施和方案，在运行中取得了一定的效果。由于继电设备自身的局限问题，改造不能大幅度提高控制装置的安全可靠性和实现先进的功能和控制策略，但文献提出的冷却控制装置的问题和改造思路，方案对设计开发具有指导意义。有文献提出了用可编程控制器、单片机或变频器等元件实现变压器冷却控制，实现了一些新功能，诸如：按月或按季度轮换冷却器的运行方式，使机组轮流工作，均衡使用；与变电站工控机进行通信，实现远方的监视和控制。在控制策略方面，有文献提出了更加优越的控制策略：如根据变压器负荷和油温综合投切冷却器组；用温度变化率预测负荷，用温度及温度变化率结合变电站及发电厂实际情况进行自动控制投切冷却器等，使变压器油温满足了变压器运行的要求。在PLC与上位计算机通信设计方面，有文献分析了两种串行通信标准：RS232C和RS485，并比较了RS232C和RS485应用于计算机通信系统时的优缺点，并给出了与通信相关的软件流程。有的文献设计了OMRON和SIMENS系列PLC与上位计算机机之间的通信方案，并通过编程实现将所设计的通信方案应用到实际的控制系统中。1.3本毕业设计的具体工作1搜集相关资料，论述冷却控制装置的重要性及研究现状2收集现运行变压器冷却及控制系统的运行资料，分析大型变压器冷却器及其控制装置运行中存在的问题和不足，对大型变压器损耗和温升的计算分析3根据要求，完成电力变压器的冷却控制装置的功能设计和结构设计。4根据电力变压器冷却装置的控制策略和算法，对可编程序控制器编程实现控制策略和算法。2强迫油循环冷却及控制系统运行分析2.1强油循环风冷却器及控制器的结构和工作原理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，下面就对冷却系统这两部分的工作原理及我国现运行大型变压器冷却装置的配置和特点进行分析和介绍。2.1.1风冷却器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，它保证油的热散人周围介质中。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所示：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。图2.1 风冷却器总体结构2.1.2风冷控制装置风冷却器的控制装置由安装在每个冷却器下部，内装有接触器、热继电器的分控制箱和装有主接触器、控制开关、继电器等的总控制箱两部分组成。典型继电式控制线路如图2.2所示，风冷却器控制线路各部分的工作情况简要介绍如下：A电源自动控制整个冷却器系统接入两个独立电源，通过转换开关选定一个电源为工作电源，另一个电源为备用电源，如“I工作、备用”，这时母线接通I电源，母线不接通电源。当I电源因某种原因电压消失或断相时，将I电源与系统母线断开，经一定延时母线接通电源。“工作、I备用”时线路工作情况与上述类似。B冷却器控制变压器投入前，各冷却器可用控制开关手柄位置来选择风冷却器工作状态：“工作”、“辅助”或“备用”；油泵投入运行后，当油流速达到一定值时，油流继电器的动合触点闭合，动断触点打开，点亮信号灯，表示冷却器投入正常运行；当冷却器内油速度不正常而低于规定值时，油流继电器动合触点打开，信号灯熄灭，表示冷却器内部管路发生故障，同时控制电路启动备用冷却器；当潜油泵或风扇电动机发生故障时，热继电器动作，使主触点打开从而保护电动机，经过一定延时启动备用冷却器，并发出故障信号。备用冷却器在正常情况下是不投入运行的。辅助冷却器(在“辅助”位置的冷却器)在负载较低时是不投入运行的，变压器绕组温度(如70)或顶层油温(如55)达到规定值时，温度控制器触点闭合，或负载电流达到额定值的70时，使线圈励磁，从而使辅助冷却器投入运行。C故障回路故障回路能在现场的总控制箱内观察到信号，它有如下4种：（1）当两个电源都消失而使全部冷却器停止工作时，经适当延时，使断路器跳闸将变压器从网路上切除，发冷却器全停信号；（2）当电源发生故障时发出故障信号；（3）当工作、辅助冷却器发生故障，备用冷却器投入时，发出故障信号；（4）当备用冷却器投入运行后产生故障时发出故障信号。2.1.3现行大型变压器冷却装置的配置和特点目前我国大型电力变压器冷却装置的配置情况是：根据变压器容量的大小，配置数组强油风冷却器，每组风冷却器由l台油泵和34台风扇组成。运行中为满足变压器的各种运行工况，一般要求冷却器1台备用(运行冷却器故障时可自动投入运行)、1台辅助(变压器负荷电流大于70额定电流或变压器顶层油温高于某一定值时自动投入运行)、其余所有冷却器全部投入运行。上述的冷却装置配置有其不尽人意的地方，如SFP7-240000/330型主变压器装设有6台冷却容量250KW的风冷却器，在夏季高温季节，变压器满负荷运行，变压器冷却装置全部投入，但其上层油温仍高达70左右。但在夜间尤其是在暴雨过后的夜间，因负荷和气温骤降，虽然已将变压器辅助冷却器停运，但变压器油温仍降至30以下，也就是油温的变化幅度超过了环境温度的变化。在冬季负荷较低或特别寒冷的季节，因油温过低，不得不对其进行加油，这对变压器的安全运行和寿命将十分不利。以上情况都反映出现行配置的变压器冷却装置存在的设计和使用上的缺陷，这些都对变压器的运行和寿命产生不利影响。2.1.4风冷却器控制线路存在的问题现在运行的继电式控制系统由于受所采用器件的约束、在设计和控制策略方面不够完善，因此主变压器经常因风冷控制系统故障而带病运行，严重地影响电网可靠运行。通过分析主要存在以下不足：a控制装置的控制功能通过接线连接各种继电器、接触器和其他器件实现，控制装置的线路复杂、接点接线较多，导致控制装置可靠性低、故障率高，维护工作量大。b控制装置的机电逻辑电路是由各种继电器来完成的，而继电器常会出现线圈烧毁或接点烧死等故障，可靠性差，造成控制系统的可靠性不高。c变压器负荷波动引起辅助冷却器频繁启动。当主变负荷在某一范围内波动时，测量主变负荷的电流继电器或测量变压器油温的温度继电器会频繁动作，将导致辅助冷却器频繁地启停。如果辅助冷却器的油泵、风扇电机启动过于频繁，还会进一步导致热继电器动作，从而使辅助冷却器退出运行，这样会缩短冷却器电气设备的使用寿命。同时，冷却器组的频繁启停还会加重变压器油流带电现象。d冷却器组设定的运行、辅助、备用和停止4种固定状态不能在线调整。不能在线调整冷却器组的状态，将导致某些冷却器组长期处于工作状态，使冷却器组尤其是油泵和风扇电机过疲劳运行，这对于冷却器组的使用寿命和安全运行十分不利。e冷却器在投入时不能分时分批投入，一方面造成启动电流过大，另一方面多个潜油泵突然启动会加重变压器油流带电现象。f装置的电动机缺相和过载保护由热继电器完成，保护功能不可靠，运行中因电动机过载和缺相而使电动机烧毁的情况经常发生。g冷却器控制回路存在设计缺陷。有些文献提到的冷却控制装置运行中存在的设计缺陷：工作冷却器的空气开关跳开后不能启动备用冷却器；工作电源交流接触器失磁造成主变开关跳闸；更换接触器和空气开关时易造成短路等。2.2大型油冷变压器发热和散热计算引起变压器运行中整体温度变化的原因主要有变压器的损耗和环境气温的影响。变压器投入运行后会产生损耗：一种是空载损耗、另一种是负载损耗，变压器的损耗转换为热量以对流、辐射的形式散发出来。本节对变压器损耗、散热进行计算、分析。2.2.1变压器损耗计算变压器损耗包括变压器的空载损耗和负载损耗。变压器空载损耗在变压器投运后就一直存在，不随变压器所带负载的大小变化；负载损耗则随变压器所带负荷的大小而改变，与负荷电流的平方成正比，变压器总损耗在不同负载时的计算公式为： =+=+ (2.1)变压器的总损耗变压器的空载损耗变压器在一定负载电流下的负载损耗变压器的负载电流变压器绕组的等值电阻设变压器的额定负载电流为，则在额定负载电流下的变压器额定负载损耗的计算公式为：= (2.2)空载损耗和额定负载损耗变压器铭牌中给出。由公式(2.1)、(2.2)可得负载电流为，时变压器损耗的计算公式为：=+ (2.3)变压器损耗将转变为热量向外发散，从而引起变压器发热和变压器油温升高。随着变压器温度的升高，它们对周围介质就有一定的温度差，从而将一部分热量传结局围介质。2.2.2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。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。变压器箱壁外测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2.3所示： 图2.3 变压器散热图2.2.3变压器散热计算冷却控制系统中控制量为变压器顶层油温，所以只给出变压器油对空气的平均温升计算公式。油对空气的平均温升由油和箱壁间、箱壁内及箱壁对周围介质之间的温差组成。油与箱壁的温差较小，一般为3-6，箱壁内的温差小于1，可忽略不计。箱壁和周围介质(空气)之间的温差一般要占(油-空气)总温差的90左右。热量从油箱向周围介质中的散发主要是通过对流和辐射散热的方式进行。2.2.3.1对流散热计算根据实验，单位对流散热系数可用下式表示：= 瓦/ (2.4)箱壁与空气温差为l时，单位面积上因对流散入空气中的热量(与温差有关，温差大，散入空气中的热量就大)箱壁表面温度与空气温度之差散热系数(经验系数)形状系数，与油箱外形有关油箱表面因对流作用的散热量计算公式为：= 瓦 (2.5)对流表面积，即油箱平滑部分和油管等的展开表面积之和()单位面积上由于对流散入空气中的总热量()2.2.3.2辐射散热计算根据试验和辐射定律，借辐射散入空气中的热量和辐射体温度及周围物体(或空气)温度间的关系为： (2.6)为温度为l时，辐射体单位表面积上辐射出的热量、辐射体及空气(周围物体)的绝对温度(K)=273+，=273+C常数，与辐射物体的表面情况有关式(2.6)在很大范围内都是适用的。为了计算方便，根据试验可将(2.6)式简化为 (2.7)箱壁表面温度与空气温度之差经验常数从油箱全部表面辐射出的热量为： 瓦 (2.8)箱辐射表面积，当油箱是平滑油箱时为全部表面面积；当油箱是管式油箱时为外周界。变压器的总散热量为：=+ 瓦 (2.9) 3冷却控制装置的功能和控制方法3.1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：3.1.1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强油循环的冷却系统必须有两个独立的工作电源并能自动切换。当工作电源发生故障时，应自动投入备用电源并发出音响或灯光信号。d强油循环变压器，当切除故障冷却器时应发出音响或灯光信号，并自动(水冷的可手动)投入备用冷却器。e风扇、水泵及油泵的附属电动机应有过负荷、短路及断相保护；应有监视油泵电机旋转方向的装置。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。3.1.2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3.1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。表3.1 油浸式变压器顶层油温一般限值冷却方式冷却介质最高温度（）最高顶层油温（）强迫油循环风冷40853.1.3 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。3.2变压器冷却控制装置的功能设计通过对大型变压器强迫油循环风冷却及控制系统的分析，结合电力变压器运行规程的要求和电力系统自动化设备的发展趋势，本论文设计完成的变压器冷却控制装置可完成的功能如下：1冷却控制装置能控制两路独立电源为冷却装置供电，可由开关选择一路电源为“主”电源，一路为“辅”电源。“主”电源故障后冷却控制装置能发出“电源故障”信号并投入“辅”电源，保证了冷却装置供电的可靠性；两路电源都发生故障，能发出“装置失电”信号，并能够将全部风冷却器切除。2变压器高、中、低三侧开关全部断开，经过一段时间的延时使变压器完全冷却后所有风冷却器自动停运；变压器三侧开关任一侧开关闭合时，冷却控制装置按需要自动投运风冷却器。3冷却控制装置能控制6组风冷却器，取消了固定运行方式的工作模式，装置能按变压器油温自动、依次投入相应台数的冷却器，变压器负荷和环境温度变化，油温能始终维持在一个稳定的温度范围内；冷却器按温度依次投入，防止了冲击电流的产生，同时可以预防或改善油流带电现象。 4冷却控制装置在产生投、切决策时采用有差值裕度投、切阀值的控制策略，可以有效的避免冷却器组频繁投切的问题。5冷却控制装置投入后，计时冷却器投入工作后的持续运行时间并能自动累积冷却器的工作时间(持续工作时间的和)即累积运行时间，在需要投入时投入累积运行时间最短的冷却器，在需要切除时切除持续运行时间最长的冷却器，使冷却器组均衡工作，提高了冷却器组的工作可靠性和使用寿命。6湿热季节，由凝露温度监控器监视环境温度、湿度，并能根据湿度情况和湿度持续时间情况将全部风冷却器投入，避免冷却器机械部分受潮腐蚀，以保证需要时能正常投运。7冷却控制装置能检测冷却器的风扇和潜油泵电动机发生的缺相、堵转、短路、过载故障并提供保护。8冷却控制装置能检测每组冷却器的风扇和潜油泵电动机故障、油路故障及控制冷却器投切的接触器故障，如有故障发生控制装置自动将该组冷却器切除，发出故障及报警信号；故障消除，可以手动复位故障信号。9风冷却器全停时，能发出报警信号，并允许带额定负载运行20分钟，如20分钟后顶层油温尚未达到75，则允许上升到75，但这种状态下运行时间超过1小时后，将变压器高、中、低三侧开关跳闸，变压器停运。10冷却控制装置能在显示控制面板显示冷却及控制装置运行中的各种信息，包括电源运行、故障，风冷却器运行、故障，接触器故障信号；同时可以选择手动操作，以手动方式投、切冷却器组。11当温度达到一定数值时，自动接通控制箱内的风扇散热装置，保证设备内部温度满足要求；湿度达到一定值时，启动控制箱内的加热装置，防止装置箱体内凝露的产生。3.3冷却控制装置功能模块设计本文设计的变压器冷却控制装置的核心是PLC，装置的大多数功能通过可编程序控制器来实现，根据冷却控制装置的功能设计，以PLC为核心，整个控制装置由6个功能模块组成，如下图所示。变压器冷却控制装置的控制功能通过电源监视控制、冷却器投切保护、凝露温度监控、就地控制与显示四个功能模块实现，功能模块的实现方法和作用简要介绍如下：1 电源监视控制模块。模块通过小型电压继电器监视两路独立电源的状态(两路独立电源为冷却装置供电)，判断电源是否缺相，由两个断路器控制电源的投切；将两路电源的故障信号和断路器辅助节点所反映的电源工作状态信号送入可编程序控制器，经可编程序控制器综合判断产生控制电源投切的控制命令，由断路器执行电源投切动作。图3.1 冷却控制装置功能模块框图2冷却器投切保护模块。模块采用交流接触器控制冷却器的投入和切除，自动空气开关和电动机保护器配合实现对风扇和潜油泵电动机的短路、过载、堵转和缺相保护。可编程序控制器采集变压器温度信号、运行状态信号、油流继电器反映的冷却器油流状态信号、反映电动机故障状态的空气开关状态信号和交流接触器状态信号，由可编程序控制器根据送入的这些信号进行电动机、油流和接触器故障的判断和定位并产生投切冷却器的控制命令，由交流接触器执行投切动作。3凝露温度监控模块。模块采用凝露温度监控器对环境的温度、湿度进行实时监控，当湿度达到设定值后其凝露负载输出接通，信号送到可编程序控制器，由控制器决策定时投运全部风冷却器：同时湿度达到设定值时控制装置能启动冷却控制装置箱体内的加热装置，为控制装置箱体除湿；温度达到设定值时启动装置箱体内风扇，给控制装置散热。4就地控制和显示模块。在控制面板可以选择“手动”或“自动”投切冷却器，在“手动”模式下可以手动投切冷却器；可以选择哪一路电源为“主”电源；也可以手动复位故障信号。同时显示电源和风冷却器组的各种故障、投入状态信息以及变压器过流、超温、风冷却器全停等信息。3.4 控制方法和策略研究控制方法和控制策略的研究是变压器冷却控制装置设计开发中的重要部分，它是变压器冷却控制设计的前提，电气连接和程序设计都是依据控制控制方法和策略而展开。采用了合理的控制方法和控制策略才能完成控制装置的设计功能，同时控制方法和策略的优劣将直接影响控制装置的性能。变压器冷却控制装置的核心功能就是根据变压器油温自动投、切冷却器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断续负反馈控制的控制方法、有差值裕度的投、切温度阀值的控制策略和按运行时间投切冷却器的控制方法。这些控制方法和策略的运用解决了冷却器频繁投切和不均衡工作等问题。3.4.1变压器油温自动控制的控制方法通过对冷却装置的工作特性进行分析，在变压器冷却控制装置的设计中采用了断续负反馈控制模型搭建了变压器油温自动控制系统，实现对变压器油温的自动控制。油温自动控制系统框图如图3.2所示，控制系统以变压器顶层油温作为被控量；PLC作