一种变压器冷却装置和方法

技术领域

本发明涉及变压器冷却技术领域，尤其是指一种变压器冷却装置和方法。

背景技术

变压器是变电站主要设备之一，用于将高压变换成用户所需各级电压。现在的110kV变电站基本以油浸自冷变压器为主，但当夏季来临时，由于变压器各类负荷的叠加，主变上层油温会很高，在环境温度为35～38℃，变压器运行温度保持在45～50℃时，主变油温则会更高。油浸自冷变压器通过自然油循环风冷进行散热，这种散热方式的工作原理是：当变压器的绕组发热产生的热量，传递给变压器箱体内的冷却油，冷却油受热会自动循环起来，当流过散热器时，就会被温度更低空气将热量散发掉。

这种仅依靠变压器自身散热片与环境中温度较低的空气进行对流循环的冷却方式，存在诸多弊端：首先，散热效率低下，特别是夏季环境温度很高，热对流效果很差；其次，220kV以上的变压器散热器可以借助风机进行冷却，但对于110kV变压器，受限于主变本体结构与设计成本，无法对110kV变压器进行风冷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种变压器冷却装置和方法。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：

一种变压器冷却装置，所述变压器冷却装置设置在变压器散热片上，包括温度采集模块、温度控制模块和冷却处理模块，所述温度采集模块设置在变压器散热片上部，所述温度采集模块还与温度控制模块连接，所述冷却处理模块与温度控制模块连接；所述温度采集模块用于采集变压器散热片表面的温度，所述温度控制模块用于根据采集到的变压器表面温度发送控制信号至冷却处理模块内，所述冷却处理模块用于根据控制信号采取冷却措施。

通过采集变压器散热片上的温度来实施冷却措施，变压器散热片上的温度更加贴近于变压器实际的温度，保证冷却措施可以精准的实施。且冷却措施也是基于散热片进行，不会影响到变压器的正常运行。

进一步的，所述冷却处理模块包括冷却水控制阀门和冷却水箱，所述冷却水箱通过冷却水控制阀门与温度控制模块相连接，所述冷却水箱内储存有变压器散热所需的冷却水。

通过冷却水来进行冷却，不追求循环散热，解决了通过油浸循环风冷进行散热散热效率低的问题，且不需要对变压器进行改装，没有主变本体结构和设计成本的限制。

进一步的，所述温度采集模块包括热电偶传感器。

在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种无源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便。

进一步的，一种变压器冷却方法，适用于上述的一种变压器冷却装置，包括以下步骤：

步骤一，设定温度参考值，通过温度采集模块实时采集变压器散热片表面的温度数据，并将采集到的温度数据传输至温度控制模块；

步骤二，温度控制模块接受温度数据，并将温度数据与温度参考值进行比较，当温度数据超过温度参考值，则执行步骤三；若温度数据未超过温度参考值，则温度采集模块继续采集变压器散热片表面的温度数据；

步骤三，温度控制模块发出阀门开启控制命令，冷却水控制阀门接受阀门开启控制命令，阀门开启，冷却水箱内的冷却水流至变压器散热片上。

通过对比温度参考值来控制阀门的开闭，可以根据不同的环境和具体生产要求进行调整，适应性更好。

进一步的，在温度控制模块接收到温度数据后，还根据温度数据获取温度变化曲线。

通过建立温度变化曲线来预测接下来的温度变化，使得后续对冷却水控制阀门的开度的调节计算更加精准。

进一步的，在温度控制模块发出阀门开启控制命令后还执行冷却水控制阀门开度调节子步骤：冷却水流至变压器散热片上，然后采集单位时间内冷却水流速和冷却水控制阀门开度，从而计算出单位时间内冷却水喷洒体积，以及获取单位时间内降温前温度数据和降温后温度数据，计算出单位时间内的降低温度量，并计算出单位时间内冷却水喷洒体积和降低温度量的对应曲线；根据温度变化曲线预测下一单位时间内温度变化值，若预测获得的下一单位时间内温度变化值大于零，则将预测得到的温度变化值作为下一单位时间内的降低温度量，然后根据单位时间内冷却水体积和降低温度量的对应曲线获取冷却水喷洒体积，然后根据冷却水喷洒体积和冷却水流速获取冷却水控制阀门开度，并根据冷却水控制阀门开度更新阀门开启控制命令，温度控制模块发送更新后阀门开启控制命令至冷却水控制阀门，冷却水控制阀门根据更新后阀门开启控制命令调整冷却水控制阀门开度；其他情况下，温度控制模块向冷却水控制阀门发送阀门关闭控制命令，冷却水控制阀门关闭。

通过预测下一单位时间的温度来调整阀门的开度，使得冷却水箱每段单位时间内流至散热片上的冷却水在能够保证散热片温度保持在温度参考值下，还能节省冷却水资源。且由于夏天温度较高，即使短时间内通过冷却水给变压器进行了降温，但是一旦关闭阀门，变压器依旧会升温。一旦变压器升温超过了温度参考值，阀门再次开启，这种频繁的阀门开闭会使得冷却装置的使用寿命减短，也不利于保持变压器温度，所以以调节阀门开度的方式保证变压器温度一直处于安全范围，且不会反反复复的开闭阀门，影响冷却设备的使用寿命。

进一步的，所述阀门开启控制命令为电流信号，温度控制模块通过改变电流信号的大小来调整冷却水控制阀门的开度。

进一步的，在温度控制模块接受温度数据时，还通过PID算法对温度数据进行误差补偿。

由于温度存在滞后性，所以采用了PID算法对温度数据进行误差补偿，保证后续可以采取精准的冷却措施。

进一步的，所述对温度数据进行误差补偿的具体计算公式如下：

其中：u(t)为误差补偿后温度数据，K

本发明的有益效果是：

通过水冷方式对变压器进行降温处理，解决了传统油浸自冷的方式在环境温度高时散热效率低的问题。且所述变压器冷却装置是直接设置在变压器散热片上的，不需要对变压器进行整改，可以适应多种变压器，没有变压器类型的限制。且在进行冷却时，通过调节阀门的开度来实现变压器的温度恒定在温度参考值附近，保证了变压器温度能够维持在安全范围内。且通过PID算法对采集到的温度数据进行误差补偿，减少温度滞后性带来的数据偏差，增加冷却措施的精准度。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的一种流程示意图；

图3是本发明实施例的一种温度转化量调理电路；

图4是本发明实施例的一种单片机原理图；

其中：1、温度采集模块，1-1、热电偶传感器，2、温度控制模块，3、冷却处理模块，3-1、冷却水控制阀门，3-2、冷却水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

实施例：

一种变压器冷却装置，所述变压器冷却装置设置在变压器散热片上，如图1所示，包括温度采集模块1、温度控制模块2和冷却处理模块3，所述温度采集模块1设置在变压器散热片上部，所述温度采集模块1还与温度控制模块2连接，所述冷却处理模块3与温度控制模块2连接；所述温度采集模块1用于采集变压器散热片表面的温度，所述温度控制模块2用于根据采集到的变压器表面温度发送控制信号至冷却处理模块3内，所述冷却处理模块3用于根据控制信号采取冷却措施。

所述冷却处理模块3包括冷却水控制阀门和冷却水箱，所述冷却水箱通过冷却水控制阀门与温度控制模块2相连接，所述冷却水箱内储存有变压器散热所需的冷却水。

所述温度采集模块1包括热电偶传感器，采用的热电偶传感器为PT100热电偶，测温范围为-50度至200度，完全满足变压器温度数据的采集要求。

热电偶传感器在采集到变压器散热片表面的温度数据时，还需要进行温度数据转化，所以设计了温度转化量调理电路。如图3所示，温度转换量调理电路包括热敏电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、瞬态二极管TVS、电容C1、电容C2、运算放大器A1、二极管VD1和二极管VD2，所述热敏电阻R1第一端口与供电端连接，所述热敏电阻R1第二端口接地，且所述热敏电阻R1的第二端口还与瞬态二极管TVS的一端连接，所述瞬态二极管TVS的另一端依次通过电阻R2、电阻R3和电阻R4，与温度转化量输出端口连接，所述电阻R2、电阻R3和电阻R4之间均为串联连接。瞬态二极管TVS和电阻R2间还并联有电容C1，电阻R3的第一端口与电阻R3连接，电阻R3的第二端口与运算放大器A1的反向输入端连接，电阻R3的第一端口还通过电容C2与运算放大器A1的正向输入端连接，所述运算放大器A1的正向输入端还通过电阻R5接地，运算放大器A1的输出端与温度转化量输出端口连接。所述运算放大器A1的输出端还通过二极管VD1与供电端连接，所述运算放大器A1的输出端还通过二极管VD2接地。

一种变压器冷却方法，适用于上述的一种变压器冷却装置，如图2所示，包括以下步骤：

步骤一，设定温度参考值，通过温度采集模块1实时采集变压器散热片表面的温度数据，并将采集到的温度数据传输至温度控制模块2；

步骤二，温度控制模块2接受温度数据，并将温度数据与温度参考值进行比较，当温度数据超过温度参考值，则执行步骤三；若温度数据未超过温度参考值，则温度采集模块1继续采集变压器散热片表面的温度数据；

步骤三，温度控制模块2发出阀门开启控制命令，冷却水控制阀门接受阀门开启控制命令，阀门开启，冷却水箱内的冷却水流至变压器散热片上。

温度控制模块2通过单片机来实现冷却水控制阀门的开启关闭以及冷却水控制阀门开度的调整。所述单片机的具体接线图如图4所示。

在温度控制模块2发出阀门开启控制命令后还执行冷却水控制阀门开度调节子步骤：冷却水流至变压器散热片上，然后采集单位时间内冷却水流速和冷却水控制阀门开度，从而计算出单位时间内冷却水喷洒体积，以及获取单位时间内降温前温度数据和降温后温度数据，计算出单位时间内的降低温度量，并计算出单位时间内冷却水喷洒体积和降低温度量的对应曲线；根据温度变化曲线预测下一单位时间内温度变化值，若预测获得的下一单位时间内温度变化值大于零，则将预测得到的温度变化值作为下一单位时间内的降低温度量，然后根据单位时间内冷却水体积和降低温度量的对应曲线获取冷却水喷洒体积，然后根据冷却水喷洒体积和冷却水流速获取冷却水控制阀门开度，并根据冷却水控制阀门开度更新阀门开启控制命令，温度控制模块2发送更新后阀门开启控制命令至冷却水控制阀门，冷却水控制阀门根据更新后阀门开启控制命令调整冷却水控制阀门开度；其他情况下，温度控制模块2向冷却水控制阀门发送阀门关闭控制命令，冷却水控制阀门关闭。

所述阀门开启控制命令为电流信号，温度控制模块2通过改变电流信号的大小来调整冷却水控制阀门的开度。

在温度控制模块2接受温度数据时，还通过PID算法对温度数据进行误差补偿。

所述对温度数据进行误差补偿的具体计算公式如下：

其中：u(t)为误差补偿后温度数据，K

引入比例系数是为了通过比例系数的大小来反应系统偏差量，比例系数的大小对系统的响应速度有非常大的影响，增大Kp可以提高系统的响应速度，缩小稳态误差。但是，比例控制无法完全消除稳态误差。如果Kp值超过标准范围，控制系统就会出现超调过大，会直接削弱系统的稳定性。

所以又引入了积分时间常数，积分控制的主要目的就是为了消除系统的稳态误差，所以引入的积分时间常数Ti的值越大，积分控制越弱；积分时间常数Ti的值越小，积分控制越强。而且只有在系统出现误差的时候，才开始积分调节，控制器会不断积累并输出控制量，直到完全消除稳态误差为止。所以在理想状态下，如果积分控制的时间足够长，那么系统的稳态误差将会变成零。

由于变压器的温度是不断变化的，所以引入了微分时间常数，有效的抑制偏差。微分时间常数Td的值越大，微分控制效果越强；微分时间常数Td的值越小，微分控制效果越弱。选择合适的参数就可以在加快响应速度的同时，改善系统的稳态特性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。