CN112888092B - 一种大容量电力变压器的低频加热装置 - Google Patents

一种大容量电力变压器的低频加热装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力变压器设备技术领域，尤其涉及一种大容量电力变压器的低频加热装置，包括输入控制单元，连接供电电源并控制供电电源的通断；智能逆变单元，将供电电源传送过来的电能转换为低频电压；能量回收单元，与智能逆变单元连接在一起，吸收电力变压器一次侧电流交变瞬间释放的能量；温度检测单元，检测电力变压器的内部温度，与智能逆变单元连接在一起；在电力变压器的一次绕组接入低频电压，同时将电力变压器的二次绕组短接，通过发热排除电力变压器绝缘层中的水分，通过该加热装置将交流电源的频率调的更低，使得同样的加热功率，所需电源电压大大减低；同样的加热电流，电抗中的无功能量大大降低，减小或不需要无功能量的补偿。

Description

一种大容量电力变压器的低频加热装置
技术领域
本发明属于电力变压器设备技术领域，尤其涉及一种大容量电力变压器的低频加热装置。
背景技术
对于大容量电力变压器这一类型的设备，在使用前需要对设备进行加热，以消除绕组绝缘层中的水分，避免在运行中出现不必要的故障。传统的加热方案主要有发电机机组加热、可控变压器加热、热油循环加热等三种方案。
如说明书附图1所示为发电机机组加热的方式，存在以下弊端：
1、高压电动机及发电机占地面积过大；
2、在低负载时效率偏低；
3、需要大功率无功补偿柜进行补偿；
4、需要手动调整发电机励磁电压，以调整负载侧加热电流；
5、电压较高，需要较多的安全措施，避免用电安全。
如说明书附图2所述为可控变压器加热的方式，存在以下弊端：
1、可调变压器及后级中间变压器占地面积过大；
2、低负载时效率过低；
3、需要大功率无功补偿柜进行补偿；
4、需手动调整变压器电压，以调整负载侧加热电流；
5、电压较高，需要较多的安全措施，避免用电安全。
如说明书附图3所示为热油循环加热的方式，存在以下弊端：
1、不能快速的排除绝缘层中的水分，因为热油循环加热时，热量由外向绕组中心扩散，与实际水分驱散方向相反，影响干燥效率。
可见上述三种方式存在设备占地面积大、电力负载重、需要大功率的无功补偿柜、配置不灵活等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种大容量电力变压器的低频加热装置，包括：
输入控制单元，连接供电电源并控制所述供电电源的安全通断；
智能逆变单元，通过所述输入控制单元与所述供电电源连接在一起，并将所述供电电源传送过来的电能转换为低频电压，所述低频电压接入电力变压器的一次绕组，所述电力变压器的二次绕组短接，进行低频加热；
能量回收单元，与所述智能逆变单元连接在一起，吸收所述电力变压器一次侧电流交变瞬间释放的能量；
温度检测单元，检测所述电力变压器的内部温度，与所述智能逆变单元连接在一起进行恒温控制。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，所述输入控制单元包括断路器，所述断路器连接于所述供电电源和所述智能逆变单元之间。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，所述智能逆变单元包括功率电子电路和与所述功率电子电路连接的控制器，所述功率电子电路包括整流模块和逆变模块，所述整流模块将所述供电电源传送过来的交流电压转为直流电压，所述逆变模块将所述直流电压转为与所述电力变压器一次绕组连接的低频电压，所述电力变压器设置温度检测单元，连接所述功率电子电路与所述电力变压器一次绕组的线路上设置电压电流检测单元，所述控制器设置电压电流检测接口和温度控制单元，所述电压电流检测接口与所述电压电流检测单元连接，所述温度控制单元与所述温度检测单元连接，用于所述控制器控制所述功率电子电路输出可变的低频电压。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，所述控制器与所述温度检测单元连接，采用温度闭环PI调节或砰-砰控制实现恒温控制。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，所述控制器采用电流闭环PI调节。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，所述智能逆变单元设置能量回收接口，所述能量回收接口与所述能量回收单元连接，所述能量回收单元采用三相交流电回馈装置，将所述电力变压器一次侧电流交变瞬间释放的能量回馈至电网。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，所述温度检测单元包括温度传感器、信号调理电路和信号选择电路，所述温度传感器设置于所述电力变压器的内部，所述信号调理电路将所述温度传感器的电阻值转换为电压信号，并传送给所述信号选择电路，所述信号选择电路的输出端与所述温度控制单元连接。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，还包括物联网单元，所述物联网单元包括数据总线，所述控制器还设置数据交互接口，所述数据交互接口与所述数据总线连接在一起。
作为本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的进一步改进，还包括人机界面单元，所述人机界面单元与所述智能逆变单元连接在一起。
本发明一种大容量电力变压器的低频加热装置的有益效果为：在电力变压器的一次绕组接入交流电源，同时将电力变压器的二次绕组短接，通过发热排除电力变压器绝缘层中的水分，通过该加热装置将交流电源的频率调的更低，使得同样的加热功率，所需电源电压大大减低；同样的加热电流，电抗中的无功能量大大降低，可以减少或不需要无功能量的补偿。从而让加热装置可以小型化、能耗降低化。
附图说明
图1为本发明背景技术中发电机机组加热方式的结构框图；
图2为本发明背景技术中可控变压器加热方式的结构框图；
图3为本发明背景技术中热油循环加热方式的结构框图；
图4为本发明电力变压器电加热的原理图；
图5为图4的等效电路图；
图6为本发明在一实施例中加热装置的结构框图；
图7为本发明在一实施例中智能逆变单元的结构示意图；
图8为本发明在一实施例中温度控制单元设置的恒温工作模式示意图；
图9为本发明在一实施例中控制器的电流指令示意图；
图10为本发明在一实施例中温度检测单元的结构示意图；
图11为本发明在一实施例中人机界面单元的显示示意图；
图12为本发明在一实施例中物联网单元的结构示意图；
图中：1、加热装置，11、输入控制单元，12、物联网单元，13、人机界面单元，14、温度检测单元，141、信号调整电路，142、信号选择电路，15、能量回收单元，16、智能逆变单元，161、数据交互接口，162、控制器，163、温度控制单元，164、电压电流检测接口，165、功率电子电路，166、能量回收接口，2、供电电源，3、电力变压器。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，所述的实施例仅为本发明一部分的实施例，这些实施例仅用于解释本发明，对本发明的范围并不构成任何限制。
一种大容量电力变压器的低频加热装置，在使用时，以电力变压器3的单相绕组为例，供电电源2经该加热装置1施加在电力变压器3的一次侧，电力变压器3的二次绕组短接，其中供电电源2经加热装置1转为频率和电压幅值可变的AC交流电源。与传统的加热方式相比，电力变压器3的二次绕组都需要短接，不同的是，传统施加在电力变压器3一次侧的AC交流电源是不可变的，如说明书附图4所示。
当电力变压器3二次侧短接时，其等效电路如说明书附图5所示，其中，Uk为施加到一次侧绕组的电压，Ik为短路电流，Rk为短路电阻，Xk为短路电抗，j为虚数单位。短路电抗Xk＝2πfLk，f为一次侧电压Uk的频率，Lk为短路电感，短路阻抗为Rk+j2πfLk。
根据电路定律可得到短路电流、加热功率、无功功率分别为：
短路电流：
加热功率：
P＝|Ik|2Rk (公式2)
|Ik|为短路电流Ik的幅值。
无功功率：
Q＝2πfLk|Ik|2 (公式3)
由公式1～公式3可知，降低电源频率f可以提高相同电源电压下的短路电流及加热功率，降低无功功率。
在使用发电机机组加热方式和可控变压器加热方式时，所采用的电源频率f一般为50Hz，电抗2πfLk远远大于Rk。前述分析可知，要达到额定的加热功率，必须使用足够高电压的电源。
则通过加热装置降低电源频率f，通常降低至0.1Hz左右，则短路电抗2πfLk将大大减小，同样的加热功率，所需电源电压大大减低，用常见的380V或者660V电源给设备供电即可实现较大的加热功率，提高了实施的安全性，设备的绝缘与防护措施可以大大简化；并且同样的加热电流，电抗中的无功能量大大降低，可减少或不需要无功能量的补偿。从而可以将整体设备小型化、能耗降低化。
在一实施例中，如说明书附图6所示，加热装置1包括输入控制单元11、智能逆变单元16，能量回收单元15，温度检测单元14，人机界面单元13和物联网单元12。
输入控制单元11主要用于监视输入系统的电压、电流，控制与供电电源2之间的安全通断。具体的，输入控制单元11主要由断路器、电流电压检测传感器、显示及保护模块组成。其中，断路器安装在供电电源和智能逆变单元之间，用于控制供电电源的通断，并保证在输入大电流时可以安全断开；电流电压检测传感器用于检测输入设备每一相的电压和电流；显示及保护模块一方面用于实时计算并显示输入设备的电压、电流、有功及无功功率，另一方面根据检测的信息判断是否有缺相、不平衡、过载等异常情况并采取相应的保护动作；另外还可选择性的设置转换变压器，当智能逆变电源的电压等级与现场可用的电压等级不一致时，做电压匹配之用。
如说明书附图7所示，智能逆变单元16主要将输入控制单元11传送过来的电能转为低频电压输出，支持单相/三相输出，并且能够根据检测温度自动控制输出电流和功率，实现过温、过电流、过功率保护，同时提供通信接口，与物联网单元和人机界面单元进行数据交互。具体的，智能逆变单元16包括数据交互接口161、控制器162、温度控制单元163、电压电流检测接口164、功率电子电路165和能量回收接口166。其中：
数据交互接口161集成以太网、RS485等通信的硬件电路及元件，可以支持多种通讯协议，如modbus-RTU、EtherNet等，用于与人机界面单元13、物联网单元12、输入控制单元11进行实时数据交互。
温度控制单元163一方面连接温度检测单元14，控制并接受其检测到的电力变压器3内部温度，然后将温度信号进行综合运算，获取电力变压器3内部各个位置的真实温度，用于电力变压器3的过热保护及温度智能控制，通过温度智能控制可实现设备的自动运行，无人值守。在本实施例中，温度智能控制具有单次加热模式和恒温工作模式。在单次加热模式下，电力变压器3内部温度到达设定温度后自动停机，并报警；在恒温工作模式下，电力变压器3加热到达设定温度1时，设备进入休眠状态，温度降到设定温度2后，自动开机，如此循环，在达到设定温度1后的时间超过设定的恒温时间后，设备自动停机并报警，其过程如说明书附图8所示。
电压电流检测接口164用于检测输出到电力变压器3的电压和电流，将信号处理后送到控制器162，控制器162依据实际的电压和电流调节当前功率电子电路165的输出。
功率电子电路165的拓扑结构采用整流-直流储能-逆变的形式，整流部分由功率二极管组成，将输入控制单元11输送过来的三相交流电压变换为直流电压；直流储能部分配有大容量的电解电容，用以维持直流电压的稳定；逆变部分由大功率IGBT组成，可产生频率电压可调的电源输出，逆变部分可以输出三相电源或者单相电源，供用户灵活选择。
能量回收接口166接到功率电子电路165的直流回路，由于电力变压器3为感性负载，在电力变压器3一次侧电流交变瞬间可能释放出较大的能量，通过该接口可以将此部分能量传导给能量回收单元15，以保护功率电子电路165的主要部件不受损坏。
控制器162是智能逆变单元的核心，控制功率电子电路165，使其产生频率和电压可变的交流输出电源。接收并处理温度采集单元的数据，根据温度控制功率电子电路165的输出功率，实现自动加热。此外还与数据交互接口161交换数据，实现设备的网络化。还要根据设备运行状态判断是否有异常，采取相应的保护措施。而控制器162的核心功能为产生频率和电压可变的低频电力电源。由于逆变所用的IGBT模块有电流限额，所以在改变输出电压的同时要保证电流可控。
在本实施例中，控制器162采用电流闭环PI调节。根据检测到的输出电流计算和指令的误差，通过比例积分(PI)调节器，控制功率电子电路165中IGBT的占空比，或者输出电压的大小，使输出电流跟随指令的规律而变化。PI调节器为工程领域常规知识，不再详述。而在电力变压器3加热应用中，如何降低电流交变瞬间释放的电能，降低能量回收单元的负担，则十分有意义，本发明根据电力变压器的特点，将PI调节器中的电流指令设计为如说明书附图9所示的形式。其中，Ts为逆变单元输出电流的周期，Ts＝1/f，f为输出频率。Imax为根据装置的容量而设定的最大加热电流，t1到t4为前半个电流指令周期，t为时间。在前半周期内电流指令I*的表达式为：
后半周期与前半周期的电流指令正负对称，表达式类似。t2及t3时刻的位置在实际系统中与电力变压器3的短路时间常数关联，并可以由人机界面单元或物联网单元设置。通过此种设计，可以降低能量回收单元的容量，节约设备占地面积及设备成本。
能量回收单元15用以消耗吸收电力变压器电流交变瞬间所释放的电能。其形式有两种，当系统功率不大时，电力变压器一次侧电流交变瞬间释放的电能比较小，此时采用能量泄放电路将能量消耗在发热电阻上。当系统功率较大时，使用三相交流回馈单元的方式将能量回馈至电网。
温度检测单元14的内部框图如说明书附图10所示，温度检测单元14主要由温度传感器、信号调理电路142和信号选择电路141组成，在该实施例中，温度传感器采用PT100/KTY84/PT1000等温敏电阻传感器，信号调理电路142将温敏电阻传感器的电阻值转换为电压信号，并送至信号选择电路141。信号选择电路141的控制端和信号输出接到智能逆变单元16的温度控制单元163。，温度控制单元163控制当前需要采集的通道，并将对应通道的信号采集走。
人机界面单元13用于给操作员进行设备操作及调试。具体的，在该实施例中，其显示操作主界面如说明书附图11所示，主界面分为操作页面切换区、波形显示区、快捷配置区、状态显示区及操作按钮区。快捷配置区用于设置被加热电力变压器3的短路电阻、短路电感等参数，并设定系统的加热电流、最大加热功率；操作按钮区用于控制设备的启动和停止；波形显示区可以实时显示设备当前的输出电流、电压等波形图，供直观分析；状态显示区可以显示累计加热时间，当前温度，当前输出功率、电压、电流以及报警记录等信息。人机界面单元13通过数据交互接口161与智能逆变单元16交互信息，一方面将用户的配置参数及操作数据发送给智能逆变单元16，另一方面将智能逆变单元16的运行状态显示到波形显示区以及状态显示区。
物联网单元12用于实现远程信息监控及报警提示。具体的，如说明书附图12所示，在该实施例中，物联网单元12包括远程终端、通讯模块、处理单元和数据总线。远程终端用以远程监控或操作设备，除了图中所示的计算机外，也可以是手机等智能设备；通讯模块提供可配置的通讯类型模块，可以是WIFI、GSM、GPRS、以太网RJ45方式，在这类通讯方式的基础上，该模块支持一定的通讯协议如MQTT等专有协议用于与远程终端进行交互；处理单元用于处理数据总线上获得的数据传递给通讯模块，或将通通讯模块获得的控制指令转发给数据总线；数据总线连接到智能逆变单元16的数据交互接口161，使用以太网、RS485等通信方式，与智能逆变单元16进行数据交互。
则通过加热装置1将供电电源2的频率调低接入电力变压器3一次侧，电力变压器3二次绕组短接发热排除电力变压器绝缘层中水分的方式，不仅能耗低、供电电源电压要求低，提升安全性的同时，还可根据实际负载自由替换或在可调范围内调整配置，以适应不同的负载，而且可以使设备小型化，智能化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种大容量电力变压器的低频加热装置，其特征在于，包括：
输入控制单元，连接供电电源并控制所述供电电源的安全通断；
智能逆变单元，通过所述输入控制单元与所述供电电源连接在一起，并将所述供电电源传送过来的电能转换为低频电压，所述低频电压接入电力变压器的一次绕组，所述电力变压器的二次绕组短接，进行低频加热；
能量回收单元，与所述智能逆变单元连接在一起，吸收所述电力变压器一次侧电流交变瞬间释放的能量；
温度检测单元，检测所述电力变压器的内部温度，与所述智能逆变单元连接在一起进行恒温控制；
所述智能逆变单元包括功率电子电路和与所述功率电子电路连接的控制器；所述功率电子电路的拓扑结构采用整流-直流储能-逆变的形式，包括有直流回路；所述能量回收单元连接在所述功率电子电路的直流回路上；
还包括物联网单元，所述物联网单元包括数据总线，所述控制器还设置数据交互接口，所述数据交互接口与所述数据总线连接在一起；
控制器是智能逆变单元的核心，控制功率电子电路产生频率和电压可变的交流输出电源；接收并处理温度采集单元的数据且根据温度控制功率电子电路的输出功率，实现自动加热；与数据交互接口交换数据，实现设备的网络化。
2.根据权利要求1所述一种大容量电力变压器的低频加热装置，其特征在于，所述输入控制单元包括断路器，所述断路器连接于所述供电电源和所述智能逆变单元之间。
3.根据权利要求2所述一种大容量电力变压器的低频加热装置，其特征在于，连接所述功率电子电路与所述电力变压器一次绕组的线路上设置电压电流检测单元，所述控制器设置电压电流检测接口和温度控制单元，所述电压电流检测接口与所述电压电流检测单元连接，所述温度控制单元与所述温度检测单元连接，用于所述控制器控制所述功率电子电路输出可变的低频电压。
4.根据权利要求3所述一种大容量电力变压器的低频加热装置，其特征在于，所述控制器与所述温度检测单元连接，采用温度闭环PI调节或砰-砰控制实现恒温控制。
5.根据权利要求3所述一种大容量电力变压器的低频加热装置，其特征在于，所述智能逆变单元设置能量回收接口，所述能量回收接口与所述能量回收单元连接，所述能量回收单元采用三相交流电回馈装置，将所述电力变压器一次侧电流交变瞬间释放的能量回馈至电网。
6.根据权利要求3所述一种大容量电力变压器的低频加热装置，其特征在于，所述温度检测单元包括温度传感器、信号调理电路和信号选择电路，所述温度传感器设置于所述电力变压器的内部，所述信号调理电路将所述温度传感器的电阻值转换为电压信号，并传送给所述信号选择电路，所述信号选择电路的输出端与所述温度控制单元连接，用于实现温度闭环PI调节或砰-砰控制。
7.根据权利要求1-6任一项所述一种大容量电力变压器的低频加热装置，其特征在于，还包括人机界面单元，所述人机界面单元与所述智能逆变单元连接在一起。
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