采用變頻技術(shù)和變壓器油溫控制技術(shù)實現(xiàn)變電站主變冷卻系統(tǒng)設(shè)計

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)控制方式分為手動與自動兩種方式。手動方式缺點主要是：自動化水平低，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)扇同時投入易產(chǎn)生沖擊電流，污染電網(wǎng);幾組冷卻風(fēng)扇同時滿載運行，噪聲較大;遠(yuǎn)程無法監(jiān)視冷卻系統(tǒng)情況等。自動方式雖然提高了自動化水平，降低了值班人員工作量，但是變壓器負(fù)荷變化時由溫度繼電器啟動電磁型開關(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)計出新的冷卻控制系統(tǒng)，現(xiàn)場實際穩(wěn)定運行了三年多，實現(xiàn)了節(jié)能、自動控制、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110kV和220 kV變電站主變冷卻系統(tǒng)所做的設(shè)計，具備以下特點：電路簡潔;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)采用主備兩個回路控制冷卻風(fēng)扇，且主備回路可以實現(xiàn)自動切換。主回路即變頻回路;備用回路為工頻回路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

在變頻調(diào)速中主要有交-交變頻和交-直-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，它由六個開關(guān)器件組成，逆變的過程是這六個開關(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，其內(nèi)部有運算電路。運算電路將外部輸入的主變油溫信號同檢測的電路的電流、電壓信號進行比較運算，用運算結(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，以便實現(xiàn)人機交互，變頻器有多種輸入信號，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出(電流、頻率、故障報警、保護動作驅(qū)動等)信號。因此，可以接變頻器的顯示、鍵盤等控制電路，并且還可以實現(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。 和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，使直流電壓保持平穩(wěn)。

因為電解電容器的電容量有較大的離散性，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。因為過大的沖擊電流將可能使三相整流橋的二極管損壞;同時，也可能使電源電壓瞬間下降而受到“污染”。為了減少沖擊電流，在變頻器剛接通電源后的一段時間里，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)的功能是：當(dāng)Cf1和Cf2沖電到一定程度時，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。電動機在工作頻率下降過程中，將處在發(fā)電狀態(tài)，所發(fā)電會反饋到直流電路中，使直流電壓UD不斷上升，甚至可能達(dá)到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路的電能消耗掉，使UD保持在允許范圍內(nèi)。 VB是由GTR或IGBT及其驅(qū)動電路構(gòu)成。其功能是為了電機發(fā)電時耗能模塊導(dǎo)通。

逆變模塊

逆變模塊主電路如圖5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(GTR)、門極關(guān)斷(GTO)晶閘管以及電力MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。VD7～VD12是續(xù)流二極管，其主要功能有：

(1)電動機的繞組是感性的，其電流具有無功分量，VD7～VD12為無功電流返回直流電源時提供“通道”;

(2)當(dāng)頻率下降，電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，可以通過VD7～VD12整流后返回給直流電路;

(3)V1～V6進行逆變的基本工作過程是，同一橋臂的兩個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，會不時地需要VD7～VD12提供通路。

系統(tǒng)應(yīng)用

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

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

結(jié)語

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)對其進行改造勢在必行。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較小的給定范圍，這對節(jié)能減排和變壓器的安全、經(jīng)濟運行以及延長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月獲得國家實用新型專利證書(專利號為ZL200820035751.7)。