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三相变压器风冷变频控制中存在的问题有哪些?

文章出处:www.xsh18.com 人气:发表时间:2018-07-27 17:59

随着节能减排的深入发展,三相变压器风冷变频运行技术在国内发电厂和变电站中得以初步试验应用。在新型装置的调试和试验运行中电磁兼容和运行可靠性问题显得尤为突出。针对三相变压器风冷变频控制中存在的可靠性和电磁兼容等问题,在试验分析的基础上提出了具体的解决方案,试验装置中没有给变频器加装输入和输出滤波器是导致电机发热和啸叫的主要原因,并通过在变频器输入和输出端加装滤波器后,干扰的情形会得到抑制,并给出了对比试验数据。
       关键词:三相变压器;风冷;变频
 
       1 三相变压器风冷变频控制的发展
       泵与风机类负载采用变频调速技术可以节能30% 左右[1]。发电厂和变电站中的三相变压器大多采用强迫油循环风冷却或自然油循环风冷却运行方式。常规运行模式为根据三相变压器顶层油温整组投切工频运行的循环油泵和风机,在昼夜温差和季节温差较大的地区,或者用电负荷波动较大的地区势必由于过冷却造成能源的浪费。
       1985年日本某公司最先提出了根据三相变压器负载以及环境温度变化的三相变压器风冷变频运行方案,并在理论上进行了节能分析和试验验证[2]。
       1998 年国内东北电力学院崔实、赵景林在《节能》期刊上发表了“VVVF 变频器在三相变压器冷却系统应用的节能效果分析”文章,在理论分析与试验的基础上,得出了在三相变压器冷却系统中采用变频调速可以节能1/3 以上的结论。
       2007 年吉林供电公司首次在某变电站进行三相变压器变频风冷的现场运行试验,试验结果表明安装变频式三相变压器风冷控制系统后,三相变压器风冷装置日平均耗电量约为原运行方式下的35%。
       此后的10 余年中,三相变压器风冷变频调速装置硬件系统日臻完善,软件控制算法也更趋合理。随着智能电网和数字化无人值班变电站的发展,对三相变压器辅助系统的可靠性和稳定性的要求也越来越高,泵与风机变频运行过程中的电磁兼容问题越来越突出,制约了该类产品的应用和推广。
 
       2 试验中发现的问题
       2.1 试验装置的结构概况
       笔者研发的三相变压器风冷试验装置总体结构如图1 所示。装置采用PLC 控制,具有工变频双模运行方式。在变频运行模式下,可以根据三相变压器顶层油温和负荷大小采用Fuzzy-PID 控制算法自动调节泵与风机的转速。
三相变压器风冷变频控制中存在的问题有哪些?
           图1 试验装置总体结构框图
 
       2.2 试验中发现的问题
       2012—2017 年间,笔者研发的装置先后在吉林、辽宁、青海和广东等地110 ~ 220 kV 强迫油循环风冷却和自然油循环风冷却三相变压器上试验运行,虽能满足三相变压器散热需求并具有20% 以上的节能效果,但也发现了下面一些问题。
       2.2.1 变频运行泵与风机适应性与谐波问题
       吉林某变电站三相变压器采用自然油循环风冷却方式,冷却装置共7 组,每组配电机功率0.37 kW 风机3 台,总功率7.77 kW。风冷控制装置所配变频器额定功率为37 kW,额定电流72 A。初始调试阶段出现低频(35 Hz 以下)风机啸叫和风机电机发热现象。
       2.2.2 电磁兼容问题
       深圳某220 kV 变电站,240 MVA 三相变压器共有7 组自然油循环风冷却器,每组冷却器配电机功率1.25 kW 风机1 台,电机总功率8.75 kW。2017 年9月进行变频式风冷控制装置试验,变频器额定功率18.5 kW,额定电流38 A。三相变压器顶层油温采用具有2 支数字温度传感器,1 支Pt100 铂电阻传感器的数字温度表测量,通过Modbus 总线向PLC 传送数字测温信号,通过4 线制接线方式将Pt100 铂电阻传感器温度信号直接传送给主控PLC。试验采用零频分组投入风机,手动升频方式进行。分别做增加风机组数和升频试验,发现随着风机投入组数的增加和频率的升高,数字温度表受到不同程度的干扰,直至无法正常测量和通信,试验现象如表1所示。
           表1 零频分组投入风机试验
三相变压器风冷变频控制中存在的问题有哪些?
       2.2.3 双路电源消失报警与跳闸问题
       试验装置采用STN-100F 系列负荷开关型双电源自动转换开关。装置正常运行过程中由正常电源供电,当正常电源故障消失后,自动切换到备用电源上工作,正常电源恢复后再自动切回正常电源供电。装置前面板上安装有电源运行指示灯和故障指示灯。试验过程中恰遇两路电源同时消失,所有冷却风机退出运行,就地和远方均未发出报警信号,也未发出风冷全停三相变压器延时跳闸信号,对三相变压器的安全运行构成威胁。
 
       3 问题分析与解决对策
       针对试验中发现的问题,对试验装置采取了如下分析和改进措施。
       3.1 风机适应性与谐波问题的分析与处理
三相变压器风冷变频控制中存在的问题有哪些?
           图2 改造前变频器输出电压波形
       为找出风机啸叫和发热的原因,通过示波器观察变频器输出电压波形如图2 所示。可见在变频器输出中含有较多的谐波成分。文献[6] 中详细地分析了电机的效率和谐波含量的关系,并给出了不同谐波次数导致电机铁损增加的量值。由于在试验装置设计过程中考虑到装置成本和受柜体空间限制,试验装置中没有给变频器加装输入和输出滤波器应该是导致电机发热和啸叫的主要原因。在变频器输入端和输出端增加滤波器后再次试验,啸叫和发热问题得到解决,变频器输出波形如图3 所示。
三相变压器风冷变频控制中存在的问题有哪些?
           图3 改造后变频器输出电压波形
 
       3.2 电磁兼容问题的分析与处理
       变频器应用系统的电磁兼容(EMC)问题主要体现在电磁干扰(EMI)及其抑制上。EMI 的传播途径主要包括传导、电磁辐射和感应耦合3 种形式。
       试验过程中数字温度表中的Pt100 传感器能够正常完成测温功能,说明干扰信号并没有叠加到Pt100 的信号线上,通过示波器检测也证明了这一点。由于随着变频器所带风机组数的增加,负荷逐渐增大后干扰更加严重,直至表内单片机系统无法正常工作。检查温度表电缆与风机电缆并无完全平行捆扎在一起敷设,说明干扰的主要途径来自于仪表直流电源的可能性较大。于是用示波器观察温度表的12 V 直流电源,发现其叠加了很多高频成分,频率范围在10 ~ 100 kHz 之间,如图4 所示。对于这种作用于非隔离电源工作的温度表上的传导干扰,通过在变频器输入和输出端加装滤波器后,干扰的情形会得到抑制,改进试验结果也证明了这一点。图5 为在变频器输入和输出端加装滤波器后,温度表12 V 直流电源的波形图。表2 为加装滤波器后零频分组投入风机并手动增频到工频的试验现象表。
三相变压器风冷变频控制中存在的问题有哪些?
           图4 变频器加装滤波器前直流电源波形
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           图5 变频器加装滤波器后直流电源波形
三相变压器风冷变频控制中存在的问题有哪些?
                       表2 实验表
 
       在不增加变频器输出电抗器的前提下,为彻底消除变频器对数字温度表通过电源线耦合的干扰,在温度表直流12 V 电源入口处增加一只CXDB2-3-100 100 V 3 A 的微型直流滤波器后,反复进行全负荷0 ~ 50 Hz 变频试验,温度表再无测量不准确和死机现象发生,示波器观察12 V 直流电源已完全成为一条直线。变频器干扰数字温度表问题得以彻底解决。
       3.3 电源消失报警与跳闸问题分析与处理
       双电源消失是装置运行过程中不会轻易发生的极端情况,此问题与变频与否无关。
       改进过程中利用双电源自动转换开关提供的2路电源状态有源常开触点,分别启动2 只中间继电器和2 只失电延时继电器,当双路电源均失电后,2只中间继电器失电,其串联常闭接点接通,发出双电源消失立即报警空接点信号。同时,2 只时间继电器失电后启动延时,经过 0 ~ 600 s 延时整定值之后发出三相变压器跳闸信号。详细工作过程,此处不再赘述。
 
       4 结束语
       目前,随着智能电网建设的日益推进,发电厂和变电站配电装置的运行已实现无人值班化。这对三相变压器风冷变频控制装置的运行也提出了更高的可靠性要求。在深圳供电局试验过程中发现的问题虽已得到解决,但变频器在运行过程中的维护和主控PLC 故障等问题还有待进一步完善。为此,对本产品提出如下改进措施。
       采用双变频器互为备用方式,提高三相变压器风冷变频运行的可靠性。
       将现有的S7-200 主控PLC 更换为具有软件热备用功能的S7-300 PLC,提高主机系统工作的可靠性。
       在现有基础上增加云平台监测和故障信息云平台推出功能,使相关技术人员或设备厂家能随时查看设备运行状态,实现对设备运行状态的无盲区监控。
 
       参考文献
       [1] 赵贤兵,李芳芹. 变频技术在泵与风机系统中应用的节能分析[J]. 能源工程, 2004(5): 52-54.
       [2] 森悦纪[日]. 可变速运行的三相变压器冷却装置[J]. 三相变压器, 1985(1): 31-35.
       [3] 崔实, 赵景林. VVVF变频器在三相变压器冷却系统应用的节能效果分析[J]. 节能, 1998(2): 36-38.
       [4] 焦日升. 变频式三相变压器风冷节能控制技术在大型三相变压器上的应用[C]. 吉林省电机工程学会2008年学术年会论文集节能, 2007:223-231.
       [5] 贾振国. Fuzzy-PID变频技术在三相变压器冷却控制中的应用[J]. 电气时代, 2012(1): 66-67.
       [6] 柯岩. 变频器谐波对电机效率的影响分析[J]. 电力学报, 2010(6): 222-224.
       [7] 张亮. 电磁兼容(EMC)技术及应用实例详解[M]. 电子工业出版社, 2016.

此文关键字:三相变压器,风冷变频控制

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