第一章 绪论
1.1 课题的背景与意义
在电力系统当中，变压器是现代电网的重要组成之一，成为社会发展和人类进步必不可少的设备，现在已经广泛应用在工业、农业以及人们的日常生活当中。早在十九世纪就诞生了第一台变压器，是由匈牙利布达佩斯干茨工厂所制造的，该变压器容量为 1.4k VA，频率为 40Hz，电压比为 120/72V。工厂的研发者在申请专利的过程当中，第一次使用了“变压器”这一词语，而六年之后 ，德国科学家又发明出三相变压器。从变压器工作原理来看，都是遵循了法拉第实验和电磁场理论。 变压器经过 130 多年的发展，已经在种类、功能、电压等级、容量等方面得到了迅速发展，并取得了天翻地覆的变化。实际上，变压器的核心组件也发生了巨大变化，例如套管由原来的纯瓷式、电容式逐渐发展到干式套管；有载分接开关现在已经使用真空有载调压开关；冷却器则是从管式逐渐发展到现在的片式散热器，而冷却方式更是多种多样；对于压力，则是通过压力释放阀代替了防爆筒；原来开放的储油柜也变成了封闭的储油柜，而且种类繁多。 变压器作为一个重要的供电设备，除了必须有铁芯、线圈等主体外，还需要用套管将其与电网连接，分接开关使其运行电压可以随电网需要而改变，气体继电器和压力释放阀则可对变压器起到保护作用，冷却系统对变压器进行热量的交换，使其能够在正常温度范围内工作，这样就能够体现出变压器冷却系统在电力系统当中的作用。
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1.2 课题研究现状
我国对于变压器冷却器系统的相关研究有很多，针对传统变压器冷却系统存在的控制装置较为复杂、可靠性不高、保护风机的装置较为简单、对于潜在的故障无法进行预测、控制精度不高、冷却系统故障率较高、无法进行远程控制等不足，对其进行改进设计，从而开发出新型的智能式电力变压器冷却控制系统。 我国学者对于新型的变压器冷却系统进行了大量的研究，早在 2010 年，张晨冬在《PLC 在变压器冷却装置中的应用》一文当中[1]，对冷却系统进行了详细的设计，在他设计的系统当中，是以单片机作为控制的核心，对于每一个输出和和输入量都进行运算处理，同时充分利用现有的软件资源，在保证系统功能的前提下，尽量简化装置，提高系统的可靠性。同时在主回路当中采用关断速度快的无触点固体模块，这样就能够避免触点烧坏而导致风机停运，从实际运行来看，这是一种较为理想的替代装置。 2010 年，我国学者陈书敏、石玉美在《变压器及其冷却方式简介》认为由于电网的迅速发展[2]，近年来单台变压器的容量也越来越大，因此其冷却问题也越来越突出。迄今为止有两种冷却方式，一种是强油导向风冷，另外一种是强油导向水冷。目前由于水冷却器铜管材质和加工工艺不良等因素导致一些水冷却器产生漏油或漏水现象而损坏变压器。因为容量大，影响面广，损失严重，所以近年来对水冷却器的使用，许多运行单位并不放心，新建工程有不想选用、制造厂有不想生产的思潮。尽管如此，国家还是有计划地安排生产。
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第二章 变压器冷却装置运行分析
2.1 冷却装置的应用
目前我国生产的大中型变压器（10000～180000k VA 或电压为 110～220k V）通常会采用自然油循环、吹风冷却方式。这种冷却方式是利用自冷式散热器加吹风装置，来提高变压器的散热率，通常能够提升 45%。我们使用此种冷却装置时，在负载小于额定容量的 57%时，可以断开风扇，来降低能耗和减少噪音。 容量超过 180000k VA 的特大型变压器或者电压等级超过 220k V 的变压器，其冷却控制装置都采用强油循环冷却器，这样冷却效率更高。当变压器容量增大时，线圈的匝数也在增多，绝缘结构也会变复杂，导致冷却器油箱内的油路变窄，冷却器失去了应有的作用。为了消除掉这种不良影响，强制油流入线圈内，这种冷却形式叫做强油循环导向冷却，通常将其分成两种冷却器：强油风冷型和强油水冷型。 强油风冷却器与一般散热器不同之处，是它采用了螺旋翅片管作散热元件，从而增大了散热面积。此外，由于它带有离心式潜油泵，能使管内的油流速加快，加上在翅片管内强烈吹风，所以冷却效率比散热器提高很多。冷却器在运行过程中，通过上下联管和变压器的油箱直接相连，它就可以直接将油箱当中的热油通过管道吸入到冷却器当中，然后再使用强风吹冷，再从油箱下部以一定流速进入油箱中。
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2.2 变压器风冷却装置及控制装置的结构
变压器中的使用的冷却器分风冷却器和水冷却器。风冷却器应用较为广泛，水冷却器主要在地下变电站或水电站应用。 冷却器的冷却容量指冷却器在额定油量与额定空气流量时，进口处油温和风温之差为 40℃时具有的冷却容量，包括 80、100、125、160、200、250、315、400k W 等。 风冷型冷却器的组成包括冷却管束、风扇箱、输油泵、油流指示器、风控箱等。冷却管大多为钢铝复合管或者穿片管。钢铝复合管的内侧为钢管，将外层铝管轧制成翅片[21]。穿片管的钢管外部包裹有冷却翅片。两种方式都需将翅片与钢管紧密结合，以提高散热效果。为增加内表面的散热面积和提高冷却效率，在冷却管内放置扰流丝，使冷却管内油的流动形成紊流[22]。 冷却器的风扇采用轴流式叶轮与三相异步电机直接相连，同步转数一般为750、1000、1500r/min，为满足环保要求，现多选用低转数、低噪声冷却风扇。 冷却器用油泵有离心泵、盘式泵、轴流泵等，同步转数可为 1000、1500r/min。油泵的工作介质是变压器油，入口油温最高为 95℃，最低要高于油凝固点 5℃以上。电动机轴承是油泵的关键部件，一般要求轴承寿命在正常使用情况下不少于 5 年。 对于容量超过 180000k VA 或者电压超过 220k V 的特大型变压器，优先采用强油风冷型冷却器，强油风冷型冷却器的工作原理是：利用油泵把变压器上部的高温油传送至冷却管内，将热量传递到冷却管内壁和冷却翅片上，然后传递到空气中，同时利用风扇强制送风到冷却器中，冷空气经过冷却管束时带走热量，加速冷却油温，经过冷却之后的油流入变压器下部油箱循环使用，或者直接流入管道内。
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第三章 冷却控制装置的硬件设计 ..........10
3.1 一般电气元件及其在装置中的应用 ..........21
3.2 可编程控制器和触摸屏 ......23
3.3 可编程控制器的电气连接 ....25
3.4 通讯连接 ....31
第四章 冷却控制装置的软件设计 ..........32
4.1 可编程序控制器编程 ........32
4.2 上位机监控程序设计 ........39
4.2.1 监控程序总体设计 .......39
4.2.2 串口设置和打开 .........41
4.2.3 线程的建立及串口数据的读取、解析和显示 ......41
第五章 总结与展望 ........43
5.1 总结 ........43
5.2 展望 ........43
第四章 冷却控制装置的软件设计
冷却控制装置在结构的组成上主要分为两个重要部分，分别是可编程的控制器以及上位机监控软件。在两个核心装置中的编程也就是整个控制系统核心中的核心。而在编程中又要注意到风冷与水冷的设计区别，其主要区别在于冷却装置和控制装置的硬件和使用条件方面，另一个更为重要区别的地方就在程序的编辑方面。论文将主要就风冷和水冷程序编译的设计理念和其中的不同点进行论证，从可编程序控制器编程中所需要的投切判断和投切处理以及启动逻辑进行科学的分析。根据以下几个方面对上位监控程序的编制进行合理性验证，主要方法是：软件载体所拥有的串口分配及对接，对应线程的组成和传输数据的跟踪、分类、存储及解析显示。在论文中将以四组冷却器程序进行说明。
4.1 可编程序控制器编程
程序设计之初，要对现有的变压器状态信号、冷却器状态信号、控制系统内部信号进行统计，分析各信号的作用，以便在编译程序中使用。施耐德可编程控制器中的执行单元有掉电保持的特性，所以程序中首先要设定一个程序初始化状态，确保在加载程序后设备第一次启动运行的时候，或者设备因故障损坏维修好之后重新启动运行时可以将程序内部恢复到初始状态，这一初始状态的重新建立对程序有很大意义，可以把程序设置变成初始状态，重置程序运行过程中的辅助标志位，将程序中用到的计时、计数类时间数据存储位全部清零，电源处理。对从电源监控系统输入的各类电源控制数据进行综合判断，若两路电源都没有运行信号，就运行冷却器全停子程序，所有冷却器处于停止状态。 三侧开关处理。如果有任意一路电源正常运行，则继续依照三侧开关判断依据进行处理的步骤。可编程控制器检测变压器进线、高压出线、低压出线三处开关状态参数的输入情况，系统首次运行时没有收到三侧开关闭合的输入信号，程序运行冷却器全停子程序，所有冷却器处于停止状态。其梯形图如图 4-2 所示。
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总结
论文从变压器和冷却装置的国内外研究现状、变压器的发热和散热计算、变压器冷却控制装置的结构与原理、冷却控制装置的硬件设计和软件设计，对冷却装置控制系统设计进行了全面、细致的分析研究。在硬件方面，本文从变压器的冷却装置的结构、冷却控制装置内部电气元件的应用和电气连接几方面架构了实现变压器冷却系统的基础，并对风冷和水冷系统的区别进行了比较。软件方面，通过实际案例，对程序进行编译和模拟，实现可编程控制器对冷却装置的智能优化控制以及触摸屏和上位计算机的互联和控制。 通过本文的研究，对冷却控制系统进行了进一步优化。（1）使用可编程控制器替代单纯继电器式的控制方式，化繁为简，使得后期接线等工作大量减少，并可以通过可编程控制器来判断信号的输入输出，显示更为直观。（2）增强了冷却控制装置的智能化，减少了人员在实际运行中的参与，为控制策略的优化更改提供的便捷的服务。（3）增加了可以实现本地监控的触摸屏，并实现了与远程监控的上位机通讯。触摸屏的引入，使得冷却装置和变压器的状态观察更为直观，并实时记录状态的变化，这样大大减少了检修工作的内容。与上位机的通讯，使得无人值守变电站成为现实，甚至可以通过远程操作来解决一些运行过程中的小问题。 对于可编程控制器为核心的变压器冷却装置，也存在着一定的不足，毕竟可编程控制器也属于电气元件，不可避免地会产生故障，一旦出现问题，整个控制装置就会停止，影响变压器的正常运行，造成不良的后果。目前，双 PLC冗余的控制系统成为一个研究方向，但是其实际成本也会大大增加。PLC 的应用对现场工作人员的素质要求更高，不仅要对常用电路熟悉外，还要掌握 PLC的逻辑控制原理以及检修方法等。
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参考文献（略）