CN106960719A - 变压器冷却控制方法及应用其的变压器冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对变压器的冷却过程进行控制的变压器冷却控制方法，为：根据表征变压器内绝缘油温度的参数——油温的变化情况和基于变压器的发热过程和散热过程而表征变压器内部温度变化情况的参数——热状态的变化情况，来控制调整对绝缘油进行散热的冷却风机的转速和驱动绝缘油流动的潜油泵的转速。一种应用上述变压器冷却控制方法的变压器冷却系统包括温度传感器、电流互感器、控制器、工作电源、冷却风机、潜油泵和通讯接口。本发明利用油温和热状态作为判据来控制调整冷却风机和潜油泵的转速，能够实现更为精细的控制，适应宽范围温度变化，实现对变压器冷却过程的主动柔性控制，提高变压器运行的可靠性。

Description

变压器冷却控制方法及应用其的变压器冷却系统

技术领域

本发明属于电力工业控制技术领域，具体涉及一种用于对变压器的冷却过程进行控制的方法，以及实现该方法的变压器冷却系统。

背景技术

随着电力工业的发展，电网容量不断增大，作为电网输送电力的核心设备变压器的容量也随之不断增大，各种仿真等先进设计工具软件的引入，综合运输重量、体积及外形尺寸等多种因素的约束，大容量变压器逐渐逼近了工业制造的极限，任何制造过程中的瑕疵以及运行方式的不当都会影响其运行的可靠性。

变压器运行中，除了漏磁形成的发热损耗之外，还存在硅钢片磁滞损耗形成的铁损以及绕组直流电阻形成的铜损，这些损耗转换为热量散发出来，使油浸变压器绕组、铁芯和绝缘油(变压器油)温度上升。由于电力负荷的波动性，变压器运行中所带的负荷也随时都在发生变化，这将使变压器的损耗随之发生变化，从而造成变压器油温的波动变化；一年四季气候以及每天昼夜环境温度的变化，也会影响变压器油温的变化。变压器的温升影响它的带负荷能力，同时会加速绝缘材料的老化，影响它的使用寿命。为了保证变压器安全、稳定、经济、可靠的运行，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的运行，从而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。

通常在变压器油箱内部设计了辅助散热用的油道和油路，在潜油泵的作用下绝缘油循环流动，这样就能够及时有效的将热量输送到变压器油箱外部的冷却器中，通过控制冷却器内冷却风机的启停，将热量经由冷却器散热到周围大气中。变压器内的发热和散热是动态平衡的过程，当发热和散热达到平衡后，温度才稳定在某一水平，在此过程中稳定是相对的，不稳定是绝对的。变压器的运行温度是一个变量，变压器各部分的发热和散热相对平衡后，会出现复杂的温度场，不同部位或不同时间的温度是不相同的。目前大型电力变压器的上述冷却控制主要采用传统的继电式控制方式。

由于中国地域的广阔性，有部分大容量变压器运行在高纬度的高寒区域。现有的变压器设计中更多的关注高温对绝缘材料性能的影响，而对于低温下运行的变压器则没有予以太多的关注，其散热冷却系统与在南方安装运行的变压器未进行差异化设计。如东北某电厂的500kV/400MVA主变在冬季的空载运行中未考虑低温对冷却系统运行方式的影响，导致油温过低，运行一段时间后C相发生严重故障，C相油箱低压侧出现开裂，变压器油溢出，变压器内部损坏，经返厂解体检查，发现变压器内部受潮，绝缘失效，高压绕组发生贯穿性短路故障。

在变压器油中，水分主要以溶解水、悬浮水、沉积水三种形态存在，变压器油在运行中不停地循环，变压器内的电场和温度场是不均匀的。水是极性分子，电场对水分有吸引作用，电场强度高的部位容易集积水分。变压器运行时间越长，高电场部位集积的水分越多。当局部绝缘上的水分集积到一定程度时，便可能在正常运行电压下引起绝缘事故。

变压器内水分的局部聚集，电场强度吸引水分，温度驱散水分，变压器内的水分分布取决于电场与温度的对抗结果，这是一个动态过程，聚集与扩散在反复进行。运行中的变压器的绕组绝缘密闭在油箱中，温度是唯一可以用来抗御水分在高电场强度区域局部聚集的力量，所以，变压器的运行温度在不可能引起绝缘发生质变的条件下，宜高不宜低。1979～1987年，我国220kV和330kV变压器发生了大量高压绕组围屏树枝状放电事故，主要发生在寒冷地区或寒冷季节，其中东北220kV电网发生21台次，西北330kV电网发生4台次，这说明温度有驱散水分聚集的作用，外围屏的温度比较低时，更容易发生围屏树枝状放电(《大型油浸电力变压器应用技术》董宝骅著，中国电力出版社2014年8月1日出版)。

变压器的负荷电流存在突增或锐减情况，但油温和器身温度的变化有滞后性，随着变压器容量的增大，油路变得更长，冷却器的冷却功率更大，但调节难度更大，如果单一的根据负荷电流的变化而进行冷却效果的调控，温度的突变容易导致局部过冷或温度过低，由于温度影响油的溶水能力，造成微观上的水分分布不均匀，甚至导致局部水分的过饱和而析出，形成悬浮水滴；而单一的根据油温进行调控则由于温度的滞后性，温度到高限后，风机启动，冷却强度加大，温度快速降低；温度到低限后，风机停止，但由于内部铁心的热容，油温出现上冲现象，故需在启停的上下限之间有个合适的区间，避免风机频繁启停，此区间导致油温上下波动较大，容易导致变压器内部局部温度过高，并且油温的起伏波动，在温度场和电场的综合作用下，油中水分原有平衡被打破，水分出现迁移直至达到新的平衡，在此过程中容易导致局部水分的富集，影响变压器绝缘材料的使用寿命。

潜油泵排出的油，从变压器线圈下部的导油口进入器身，通过线圈内油道到达线圈上部空间，携带热量流入冷却器。在油流动过程中，与变压器的固体绝缘物如绝缘纸、层压板等相摩擦产生正、负电荷。这些电荷在固体绝缘物表面和变压器油中以相应的能量级进行积聚，当电荷积聚达到一定的浓度能击穿其电场强时，便发生局部放电。降低油的平均流速是防止油流带电的有效措施。

因此，在负荷电流变化后冷却强度不能随之突变，需要有个渐变的转换过程，同时，需要根据变压器的运行状态动态的调整潜油泵的转速，通过降低油的流速来减轻由于油流带电导致的局部放电。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现渐变的柔性控制，以积极主动调整变压器冷却工作状态，提高变压器运行可靠性的变压器冷却控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种变压器冷却控制方法，用于对变压器的冷却过程进行控制，所述变压器冷却控制方法为：根据表征所述变压器内绝缘油温度的参数——油温的变化情况和基于所述变压器的发热过程和散热过程而表征所述变压器内部温度变化情况的参数——热状态的变化情况，来控制调整对所述绝缘油进行散热的冷却风机的转速和驱动所述绝缘油流动的潜油泵的转速。

所述热状态的计算方法为：

其中，θ_[t]为本次计算所得的当前的热状态，I_eq为所述变压器的发热等效电流，t为两次计算所述热状态的时间间隔，τ为所述变压器的热状态时间常数，θ_[0]为本次计算的前一次计算所得的上一次的热状态，在第一次对所述热状态进行迭代计算时，取θ_[0]＝0，为模拟所述变压器的发热过程，θ_[0]*e^-t/τ为模拟所述变压器的散热过程。

所述变压器的发热等效电流的计算方法为：

当所述变压器为ABC三相一体变压器时：

I_eq＝max{max(I_A1,I_B1,I_C1),max(I_A2,I_B2,I_C2)}

其中，I_A1、I_B1、I_C1分别为所述变压器一侧的三相电流标么值，I_A2、I_B2、I_C2分别为所述变压器另一侧的三相电流标么值；

当所述变压器为单相变压器时：

I_eq＝max(I_a,I_b)

其中，I_a、I_b分别为所述变压器两侧绕组的电流标么值。

当所述油温升高时，提高所述冷却风机的转速，当所述油温降低时，降低所述冷却风机的转速；当所述热状态升高时，提高所述潜油泵的转速，当所述热状态降低时，降低所述潜油泵的转速。

优选的，设定若干个不同的油温分界值，利用各所述油温分界值将所述绝缘油的温度变化区间分为若干个子油温区间，按照不同的子油温区间控制调整所述冷却风机的转速；设定若干个不同的热状态分界值，利用各所述热状态分界值将所述变压器的热状态变化区间分为若干个子热状态区间，按照不同的子热状态区间控制调整所述潜油泵的转速。

优选的，在逻辑控制平面内，以所述热状态为横轴、以所述油温为纵轴，基于各所述油温分界值和各所述热状态分界值将所述逻辑控制平面划分为若干个控制区，不同的所述控制区对应有不同的所述冷却风机的转速设定值和所述潜油泵的转速设定值，按照不同的控制区控制调整所述冷却风机的转速和所述潜油泵的转速。

优选的，所述变压器冷却控制方法通过以下步骤实施：

(1)依据所述变压器所处环境的环境温度获取对应的各所述油温分界值和各所述热状态分界值，将所述逻辑控制平面划分为若干个所述控制区并获取各所述控制区对应的所述冷却风机的转速设定值和所述潜油泵的转速设定值；

(2)按照设定的频率获取所述变压器的油温并计算所述变压器的热状态；每次获取所述变压器的油温并计算所述变压器的热状态后，基于所述变压器的油温和所述变压器的热状态而在所述逻辑控制平面内获得所述变压器当前所对应的控制区，并按照所获得的控制区对应的所述冷却风机的转速设定值和所述潜油泵的转速设定值控制调整所述冷却风机的转速和所述潜油泵的转速；

(3)当所述变压器所述才环境温度变化时，返回(1)。

各所述油温分界值和各所述热状态分界值随所述变压器所处环境的环境温度的变化而变化。

本发明还提供一种应用上述变压器冷却控制方法的变压器冷却系统，它包括：

检测所述变压器所处环境的环境温度、所述变压器所在油箱的顶层油温和底层油温的温度传感器；

与所述变压器相连接而采集所述变压器各侧的电流并将其转换为小电流输出的电流互感器；分别与所述温度传感器和所述电流互感器相连接，并根据所述环境温度和所述变压器的各侧电流进行综合分析判断而输出控制信号的控制器；

为所述控制器供电的工作电源；

与所述控制器相连接并按照所述控制信号调整转速来使所述绝缘油降温的冷却风机；

与所述控制器相连接并按照所述控制信号调整转速来驱动所述绝缘油循环流动的潜油泵。

所述变压器冷却系统还包括与所述控制器相连接的通讯接口。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明利用油温和热状态作为判据来控制调整冷却风机和潜油泵的转速，与现有的单一使用油温作为判据进行冷却控制相比，能够实现更为精细的控制，能够适应宽范围温度变化，从而实现对变压器冷却过程的主动柔性控制，使变压器的油温稳定在某一范围内，避免变压器冷却强度过高或过低的情况，进而提高变压器运行的可靠性。

附图说明

附图1为本发明的变压器冷却系统的结构示意图

附图2为变压器温升T1与电流I的关系示意图。

附图3为变压器负荷电流I与热状态θ的变化关系曲线图。

附图4为潜油泵转速s1与器身绕组温度T2的关系曲线。

附图5为冷却风机转速s2与油温T3的关系曲线。

附图6为变压器冷却系统的逻辑控制区分区示意图。

附图7为冷却控制系统切换过程的变化路径示意图。

附图8为油温及热状态的上下限与环境温度T4的关系曲线。

附图9为不同环境温度T4下的油温及热状态的上下限的取值区间。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：变压器运行中，除了漏磁形成的发热损耗之外，还存在硅钢片磁滞损耗形成的铁损以及绕组直流电阻形成的铜损，这些损耗转换为热量散发出来，使油浸变压器绕组、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，从而造成变压器油温的变化；另外一年四季环境气温以及每天昼夜气温的变化，也都会影响变压器油温的变化。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。

为了避免高温对绝缘材料性能的影响，需要控制变压器运行时的温度，在变压器油箱内部设计了辅助散热用的油道和油路，在潜油泵的作用下绝缘油循环流动，这样就能够及时有效的将热量输送到变压器油箱外部的冷却器中，通过控制冷却器冷却风机的启停，经由冷却器散热到周围大气中。变压器内的发热和散热是动态平衡的过程，当发热和散热达到平衡后，温度才稳定在某一水平，在此过程中稳定是相对的，不稳定是绝对的。变压器的运行温度是一个变量，变压器各部分的发热和散热相对平衡后，会出现复杂的温度场，不同部位或不同时间的温度是不相同的。

在工程应用中，通过监测变压器油温度、负载率(通过电流检测实现)来自动控制冷却器的运行状态，传统方式为通过控制潜油泵和冷却器投入的组数来实现散热效果的调控，这样不仅存在频繁切换导致的可靠性问题，频繁启停电机时大电流提高了工作电源容量要求。同时由于停运潜油泵和冷却器临时改变了原油流的流向和散热油路，容易导致温度不均匀甚至局部由于散热不佳而出现过热。鉴于此，设计了一种变压器冷却系统，通过采用变频器件实现电机转速的柔性控制，根据变压器的运行状态动态调整潜油泵以及风扇的转速，在不改变原油流的流向和油路前提下，能够根据变压器的温度、负载状态、环境温度等数据主动的进行冷却系统的冷却效果控制，保证变压器运行在最佳状态，避免了冷却强度过高或过低情况，通过控制潜油泵的转速，降低了油流带电情况，提高了变压器运行的可靠性。

如附图1所示，变压器冷却系统包括温度传感器、电流互感器、控制器、工作电源、冷却风机、潜油泵以及通讯接口。温度传感器用于检测变压器所处环境的环境温度、变压器所在油箱的顶层油温和底层油温。电流互感器与变压器相连接，它用于采集变压器各侧的电流并将其转换为可以接入控制器的小电流输出。控制器分别与温度传感器和电流互感器相连接，并根据环境温度和变压器的各侧电流进行综合分析判断，调整其内部的变频模块而输出控制信号，实现对冷却风机和潜油泵的转速调整。工作电源用于为控制器供电。冷却风机和潜油泵分别与控制器相连接，冷却风机运转而使绝缘油降温，潜油泵运转而驱动绝缘油循环流动，冷却风机和潜油泵分别根据按照对应的控制信号来调整各自的转速。通讯接口与控制器相连接，从而实现控制器与外部系统或装置的通讯，以实现变压器冷却系统的远程控制和变压器运行状态的在线监测，通讯接口可以采用RS485、光纤、无线等任意通讯方式。

某1000MVA发电机组配套的500kV/400MVA单相主变的空载损耗为P1＝135kW，额定电流下的负载损耗为P2＝554kW，在额定电压额定电流下运行时，变压器的整体损耗P＝P1+P2＝689kW，此时负载损耗对应的铜损明显大于空载损耗对应的铁损，故额定电流下变压器的主要发热源是大电流导致的负载损耗，所配备的冷却装置按照夏季高温下最大运行功率运行时设计，由于油浸变压器为一个封闭的箱体，如果忽略油箱箱体外壁对流、辐射等导致的热损失，则发热量Q与变压器的整体损耗P之间存在近似的线性关系，而对于油浸变压器而言，由于其内部绝缘油等材料的热容固定，箱体的温升T1与发热量Q之间存在线性关系，故变压器温升T1与电流I的关系如图2所示。

变压器的空载损耗P1由于与工作电压有关，在额定电压运行时其固定不变，故空载损耗P1对变压器的温升作用固定，而负载损耗P2则由于其与负荷电流I的平方密切相关，故其对变压器的温升是动态变化的，其中空载损耗主要为硅钢片磁滞损耗形成的铁损，而负载损耗则主要为绕组直流电阻形成的铜损，为了便于分析，将变压器铁损、铜损发热的两个过程进行分离，分别分析其对变压器温升的作用，从而可以考虑不同工作状态下的冷却器的控制逻辑，从而可以优化现有控制方案。

不同负荷电流I对变压器温升作用不同，变压器运行时内部温度变化可以描述为发热和散热两个过程的叠加，在电流的作用下，器身绕组迅速发热升温，经由变压器油(绝缘油)将热量带走散热冷却，最终温度稳定在某个平衡点，冷却介质变压器油的温度变化滞后于发热源器身绕组的温度变化，更滞后于负荷电流的变化，由于变压器内部为复杂的高电场、高磁场分布，很难直接安装温度传感器进行器身绕组的温度采集，这样就导致冷却强度的调整未能及时匹配变压器的运行发热量，容易出现变压器运行中出现油温过低或过高情况，对绝缘材料造成影响。

本发明通过采用数学模型算法，根据变压器的结构特征，提出一种新的变压器冷却控制方法应用于前述变压器冷却控制方法系统中。具体如下：

一种用于对变压器的冷却过程进行控制的变压器冷却控制方法为：根据表征变压器内绝缘油温度的参数——油温的变化情况和基于变压器的发热过程和散热过程而表征变压器内部温度变化情况的参数——热状态的变化情况，来控制调整对绝缘油进行散热的冷却风机的转速和驱动绝缘油流动的潜油泵的转速。这里不再单一参数，而是基于两个参数进行分析判断，尤其是使用负荷电流而及选出的一个全新的参数——热状态θ。

虽然无法直接获得变压器器身绕组的温度，但合理选择相关计算参数后，热状态θ能够表征变压器内部器身绕组的温度变化。热状态θ的计算方法为：

以上公式(1)中：

θ_[t]：本次计算所得的当前的热状态，其取值区间为[0，1]；

I_eq：为变压器的发热等效电流；

t：为两次计算热状态的时间间隔，即本次计算热状态与前一次计算热状态之间的时间间隔；

τ：为变压器的热状态时间常数，其具体因变压器而异；

θ_[0]：为本次计算的前一次计算所得的上一次的热状态终值；在利用公式(1)第一次对热状态进行迭代计算时，取初始值θ_[0]＝0；

为模拟变压器的发热过程；

θ_[0]*e^-t/τ：为模拟变压器的散热过程。

由于变压器运行中负荷电流波动变化，公式(1)中的计算过程需定时进行，不断更新θ_[0]和θ_[t]的数值，具体计算时间间隔根据硬件计算能力差异而不同，工程实际应用中时间间隔取值范围为0.00001～100秒，时间间隔越短计算精度越高，热状态与实际温度变化越相符。

变压器的发热等效电流的计算方法为：

I_eq＝max{max(I_A1,I_B1,I_C1),max(I_A2,I_B2,I_C2)} (2)

或

I_eq＝max(I_a,I_b) (3)

公式(2)适用于ABC三相一体变压器，为了便于比对，I_A1、I_B1、I_C1分别为变压器一侧(如高压侧)的三相电流标么值，I_A2、I_B2、I_C2分别为变压器另一侧(如低压侧)的三相电流标么值。对于多绕组变压器而言，公式(2)可以进行扩展，以各绕组的三相电流标么值中的最大值作为变压器的发热等效电流I_eq。

公式(3)适应于大容量的单相变压器：I_a、I_b分别为变压器两侧绕组的电流标么值。在单相变压器中，每相变压器的冷却器为独立间隔设计。

对于ABC三相一体的变压器，由于油箱内部互联互通，故只要使用最大电流值计算一个等效热状态θ即可；而对于单相变压器，由于其冷却系统的独立性，相互之间的油温存在差异，需要单独计算每相变压器的热状态θ并进行独立的冷却控制。

图3为某变压器负荷电流I与热状态θ的变化关系曲线图，其中电流为标么值，从图3中可以看出，随着负荷电流的波动变化，热状态的变化具有滞后性，很好的表现了发热、散热过程，公式(1)中的变压器的热状态时间常数τ不是一个常数，需要根据变压器型号、结构、应用场合、环境温度等而具体选择使用，热状态时间常数τ可以通过测量变压器升降温过程中直流电阻，根据温度和直流电阻二者的变化关系拟合出一条曲线，然后通过公式(1)计算得出。

由于负荷电流决定了绕组线圈发热量的大小，而绕组与外部散热器之间的热量输送通过油路系统中的潜油泵实现，潜油泵的频繁启停不仅对绕组及器身形成冲击，同时还会导致油流带电，影响绝缘材料的性能，需要采取措施对潜油泵和冷却风机进行主动控制。由于潜油泵转速与输送的绝缘油容量成比例，而绝缘油的容量与携带的热量存在线性关系，为了避免变压器温度过高，潜油泵转速s1与器身绕组温度T2的关系曲线如图4，其中由于额定电压运行时铁损的存在，潜油泵不能停转，需要维持一个最低转速，将铁损产生的热量输出到外部冷却器中予以散热，但当环境温度较低时，如果油温较低，可以停止潜油泵运转，利用自然对流进行冷却，避免出现油温过低。

随着油温的变化，散热器上的强迫风冷装置的冷却风机转速s2与油温T3的关系曲线如图5，当温度降低到下限时，为了避免油温过低，冷却风机逐渐降低转速直至停转，但由于电机的变频驱动特性，其转速有个非零的最低初始值。

基于此，上述变压器冷却控制方法中，当油温升高时，主动提高冷却风机的转速，当油温降低时，主动降低冷却风机的转速；当热状态升高时，主动提高潜油泵的转速，当热状态降低时，主动降低潜油泵的转速。基于图4和图5，当温度较高时，随着温差的增大，散热加速，此时转速的微小变化即可实现较大的散热强度变化，故图4、图5中的曲线为非线性。

在实际应用上述变压器冷却控制方法时，可以设定若干个不同的油温分界值，利用各油温分界值将绝缘油的温度变化区间分为若干个子油温区间，按照不同的子油温区间控制调整冷却风机的转速；设定若干个不同的热状态分界值，利用各热状态分界值将变压器的热状态变化区间分为若干个子热状态区间，按照不同的子热状态区间控制调整潜油泵的转速。进一步的，在逻辑控制平面内，以热状态为横轴、以油温为纵轴，基于各油温分界值和各热状态分界值将逻辑控制平面划分为若干个控制区，不同的控制区对应有不同的冷却风机的转速设定值和潜油泵的转速设定值，按照不同的控制区控制调整冷却风机的转速和潜油泵的转速。

例如，针对油温设定两个油温分界值，分别为油温上限值和油温下限值，针对热状态设定两个热状态分界值，分别为热状态上限值和热状态下限值，从而将逻辑控制平面划分为9个控制区，每个控制区均具有与之对应的控制方式(包括对冷却风机转速的控制和对潜油泵转速的控制)，则变压器冷却控制方法可以简化为基于9个控制区所进行的逻辑控制，当油温和热状态满足某个控制区的条件时，将激发该区域对应的控制方式。该实施例下的逻辑控制区分区示意图如附图6所示。

当油温越过油温上限值时，冷却风机以最高速度运行，以尽快将热量散发到周围环境中；当油温介于油温上限值和油温下限值之间时，冷却风机以中速运行；当油温低于油温下限值时，冷却风机低速运转甚至停转，这样就避免了高纬度冬季低温下风机启停导致的油温波动大，避免了绝缘油局部过冷情况的出现。随着负荷电流的波动，当热状态越过热状态上限值时，潜油泵最高转速运转，尽快将变压器内部产生的热量交换到外部的冷却器中；当热状态介于热状态上限值和热状态下限值之间时，潜油泵以中速运行；当负荷电流降低或者空载时，热状态低于设定的热状态下限值，则潜油泵维持低速运转，将额定电压下铁心磁滞损耗导形成的铁损热量输送到外部冷却器中，此时虽然变压器内部产生的热量有所降低，但在不同的运行环境温度作用下仍然可能导致油温升高，需要冷却风机不同的转速予以配合散热。

在图3所示的变压器热状态与负荷电流的变化曲线中，设定热状态的上限为0.8，下限为0.2，油温上限为75℃，油温下限为45℃，在负荷电流波动的过程中，冷却控制系统工作逻辑中如图6所示九区图中的各状态是动态切换的，在图3所示的变压器热状态与负荷电流的变化关系曲线中，对应电流状态A、B、C、D、E、F变化过程中的冷却控制系统状态如下：

A：⑦→⑧→⑤→

B：④→⑦→

C：⑧→⑨→⑥→③→

D：②→⑤→

E：②→

F：⑤→④→⑦

完整的切换过程为：

⑦→⑧→⑤→④→⑦→⑧→⑨→⑥→③→②→⑤→②→⑤→④→⑦

上述冷却控制系统切换过程的变化路径如图7所示，可以看出，是一条连续的曲线，在电流变化后冷却强度不是随之突变，而是有个连续渐变的转换过程，同时由于根据变压器的运行状态动态的调整潜油泵转速，降低油的流速从而减轻了油流带电导致的局部放电，由于采用变频柔性驱动，不仅降低了对电机工作电源容量的要求，同时也避免了潜油泵的频繁启停对绕组及器身的冲击，另外由于热状态变化具有积分滞后特性，很好的模拟了变压器内部实际温度变化过程，由于热状态θ在负荷电流锐减后很好的模拟了实际散热的渐变过程，避免了由于冷却强度突然降低后内部铁心热容未能及时冷却导致的油温上冲现象，故图7中的状态①未包括在本次切换过程之中。

本变压器冷却系统根据负荷电流动态主动调整冷却系统工作状态，降低了能耗，同时变频柔性驱动动态调速也降低了冷却风机运行噪音，实现冷却系统与变压器发热状态的最佳匹配，提高变压器运行可靠性与使用寿命，避免了冷却风机和潜油泵频繁投入时的启动电流，降低了对工作电源容量的要求，不仅可以应用于三相一体的多绕组变压器，也可以应用于单相变压器。

本变压器冷却系统由于采集了环境温度，各油温分界值和各热状态分界值随变压器所处环境的环境温度的变化而变化，即可以根据不同季节以及不同纬度导致的环境温度变化动态的自动调节油温和热状态的上下限值，当环境温度升高时，油温分界值和热状态分界值相应降低。以中国南北方的气温变化区间[-40℃，40℃]为例，不同环境温度下的油温及热状态上下限的取值区间及变化趋势具体如图8、图9所示。图8中的801为上限值的变化曲线，802为下限值的变化曲线，另外随着上下限的调整，潜油泵以及冷却风机的电机在图6所示九区图不同状态中的转速也随之调整，当电机转速过低，进入变频驱动的死区时，电机停转。冷却系统的主动控制技术避免了低温环境运行时过度冷却造成油温的过低，也避免出现高温时冷却强度不足情况。在原变压器冷却器控制逻辑中，往往采用等效方式予以测量获得变压器内部器身温度(如使用套管CT辅助测量内部器身温度)，现在引入了热状态这个虚拟判据，冷却系统的控制逻辑能够实现更为精细的控制，可以适应南方高温以及东北的低温气候，实现变压器产品的广域应用。

图6所示的九区图在工程应用中还可以继续细分，如将原两个油温分界值——油温上限值和油温下限值变为三个油温分界值——上下限和一个超低温限值，则由九区图变为十二区图，实现更为精细的控制。本实施案例中提供了一种控制方法中控制逻辑的典型方案，具体实现方案可以参考上述原理进行扩展。

上述变压器冷却控制方法通过以下步骤实施：

(1)依据变压器所处环境的环境温度获取对应的各油温分界值和各热状态分界值，将逻辑控制平面划分为若干个控制区并获取各控制区对应的冷却风机的转速设定值和潜油泵的转速设定值。该步骤中，通过温度传感器获取环境温度，在控制器中获取该环境温度下的逻辑控制平面分区以及对应的控制策略。

(2)按照设定的频率(如间隔0.00001～100秒)获取变压器的油温并计算变压器的热状态；通过温度传感器获取变压器的油箱的顶层油温和底层油温，考虑到油箱结构等因素存在差异，调整不同温度的权重后，在控制器中计算得出变压器油的等效油温用作计算热状态；通过电流互感器获取变压器中的各电流，在控制器中计算变压器的发热等效电流以及热状态。

每次获取变压器的油温并计算变压器的热状态后，基于变压器的油温和变压器的热状态而在逻辑控制平面内获得变压器当前所对应的控制区，并按照所获得的控制区对应的冷却风机的转速设定值和潜油泵的转速设定值控制调整冷却风机的转速和潜油泵的转速。

(3)当变压器才环境温度变化时，返回(1)。

本发明根据的变压器发热和散热过程，构造能够表现变压器内部状态的热状态数学模型，由其根据电流的变化实时计算得出表征变压器内部温度变化趋势的热状态，利用热状态这个虚拟判据，与原单一的使用油温进行控制相比，控制逻辑变得复杂，实现更为精细的控制，能够适应宽范围温度变化，满足南方高温以及东北低温应用需求，提高产品的适应能力。本发明不仅能够根据变压器内部的热状态、环境温度等数据主动的进行冷却系统的冷却强度控制，同时避免了由于温度波动而导致的频繁启停，降低能耗和磨损同时也提高了转动器件的使用寿命，变频技术降低了对工作电源容量的要求，还可降低运行噪音。热状态虚拟判据的引入提高了控制的精确性，无需在变压器内部增加温度传感器，避免增加硬件成本，可以在现有冷却控制器基础上进行改造升级，易于工程实现，降低了工程实施成本。控制系统能够积极主动调整冷却系统的工作状态，而不是被动的等待温度变化超限后才介入，主动控制方法保证变压器运行在最佳状态，油温稳定在某一设定范围内，避免了冷却强度过高或过低情况，通过控制潜油泵的转速，降低了油流带电情况，提高了变压器运行的可靠性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变压器冷却控制方法，用于对变压器的冷却过程进行控制，其特征在于：所述变压器冷却控制方法为：根据表征所述变压器内绝缘油温度的参数——油温的变化情况和基于所述变压器的发热过程和散热过程而表征所述变压器内部温度变化情况的参数——热状态的变化情况，来控制调整对所述绝缘油进行散热的冷却风机的转速和驱动所述绝缘油流动的潜油泵的转速。

2.根据权利要求1所述的变压器冷却控制方法，其特征在于：所述热状态的计算方法为：

${\mathrm{\θ}}_{\[t\]}=I_{eq}^2*(1-e^{-t/\mathrm{\τ}})+{\mathrm{\θ}}_{\[0\]}*e^{-t/\mathrm{\τ}}$

其中，θ_[t]为本次计算所得的当前的热状态，I_eq为所述变压器的发热等效电流，t为两次计算所述热状态的时间间隔，τ为所述变压器的热状态时间常数，θ_[0]为本次计算的前一次计算所得的上一次的热状态，在第一次对所述热状态进行迭代计算时，取θ_[0]＝0，为模拟所述变压器的发热过程，θ_[0]*e^-t/τ为模拟所述变压器的散热过程。

3.根据权利要求2所述的变压器冷却控制方法，其特征在于：所述变压器的发热等效电流的计算方法为：

当所述变压器为ABC三相一体变压器时：

I_eq＝max{max(I_A1,I_B1,I_C1),max(I_A2,I_B2,I_C2)}

其中，I_A1、I_B1、I_C1分别为所述变压器一侧的三相电流标么值，I_A2、I_B2、I_C2分别为所述变压器另一侧的三相电流标么值；

当所述变压器为单相变压器时：

I_eq＝max(I_a,I_b)

其中，I_a、I_b分别为所述变压器两侧绕组的电流标么值。

4.根据权利要求2或3所述的变压器冷却控制方法，其特征在于：当所述油温升高时，提高所述冷却风机的转速，当所述油温降低时，降低所述冷却风机的转速；当所述热状态升高时，提高所述潜油泵的转速，当所述热状态降低时，降低所述潜油泵的转速。

5.根据权利要求4所述的变压器冷却控制方法，其特征在于：设定若干个不同的油温分界值，利用各所述油温分界值将所述绝缘油的温度变化区间分为若干个子油温区间，按照不同的子油温区间控制调整所述冷却风机的转速；设定若干个不同的热状态分界值，利用各所述热状态分界值将所述变压器的热状态变化区间分为若干个子热状态区间，按照不同的子热状态区间控制调整所述潜油泵的转速。

6.根据权利要求5所述的变压器冷却控制方法，其特征在于：在逻辑控制平面内，以所述热状态为横轴、以所述油温为纵轴，基于各所述油温分界值和各所述热状态分界值将所述逻辑控制平面划分为若干个控制区，不同的所述控制区对应有不同的所述冷却风机的转速设定值和所述潜油泵的转速设定值，按照不同的控制区控制调整所述冷却风机的转速和所述潜油泵的转速。

7.根据权利要求6所述的变压器冷却控制方法，其特征在于：所述变压器冷却控制方法通过以下步骤实施：

(1)依据所述变压器所处环境的环境温度获取对应的各所述油温分界值和各所述热状态分界值，将所述逻辑控制平面划分为若干个所述控制区并获取各所述控制区对应的所述冷却风机的转速设定值和所述潜油泵的转速设定值；

(2)按照设定的频率获取所述变压器的油温并计算所述变压器的热状态；每次获取所述变压器的油温并计算所述变压器的热状态后，基于所述变压器的油温和所述变压器的热状态而在所述逻辑控制平面内获得所述变压器当前所对应的控制区，并按照所获得的控制区对应的所述冷却风机的转速设定值和所述潜油泵的转速设定值控制调整所述冷却风机的转速和所述潜油泵的转速；

(3)当所述变压器所述才环境温度变化时，返回(1)。

8.根据权利要求5所述的变压器冷却控制方法，其特征在于：各所述油温分界值和各所述热状态分界值随所述变压器所处环境的环境温度的变化而变化。

9.一种应用权利要求4至8中任一项所述的变压器冷却控制方法的变压器冷却系统，其特征在于：所述变压器冷却系统包括：

检测所述变压器所处环境的环境温度、所述变压器所在油箱的顶层油温和底层油温的温度传感器；

与所述变压器相连接而采集所述变压器各侧的电流并将其转换为小电流输出的电流互感器；分别与所述温度传感器和所述电流互感器相连接，并根据所述环境温度和所述变压器的各侧电流进行综合分析判断而输出控制信号的控制器；

为所述控制器供电的工作电源；

与所述控制器相连接并按照所述控制信号调整转速来使所述绝缘油降温的冷却风机；

与所述控制器相连接并按照所述控制信号调整转速来驱动所述绝缘油循环流动的潜油泵。

10.根据权利要求9所述的变压器冷却系统，其特征在于：所述变压器冷却系统还包括与所述控制器相连接的通讯接口。