1、研究目的和意义

能源是国民经济发展的命脉，关系到国计民生：电力作为一种使用方便的优质洁净能源，应用于国民经济的各个领域，与人民生活和工农业生产息息相关，是当今世界发展的核心能源。电力作为一种能源，在国民经济发展中扮演十分重要的角色。伴随着我国经济的快速发展，我国的电网运行水平也在不断提高，各级调度中心要求更多的信息，以便及时掌握电网及变电站的运行情况，提高变电站的可控性，进而要求更多地采用远方集中控制、操作、反事故措施等，即采用无人值班的管理模式，以减少人为误操作的可能性，提高运行的可靠性。同时在简化系统，信息共享，减少电缆，减少占地面积，降低造价等方面变电站已改变了运行的面貌，变电站自动化已转向了实用化阶段。国家电网公司先后出台了《国家电网公司“十一五”科技发展规划》、《关于开展电网运行管理控制技术研究和推广应用的实施意见》，将变电站综合自动化技术、高压输变电主设备安全运行技术作为重点技术领域，以便为建设坚强电网提供必要的技术支持和保障。截至2005年底，全国发电装机容量已超过5亿千瓦，预计到2020年我国人均装机容量将达到0.8 千瓦，总装机容量也将超过10亿千瓦。在电网规模如此大，电压等级如此高的情况下，一旦发生大面积的停电事故，将给国家造成巨大损失，给人民带来巨大不便，电力系统的可靠性问题就显得尤为重要。电力变压器是电力系统中最重要的、最昂贵的设备之一，它的可靠性直接关系到电网是否安全、高效、经济的运行。电力变压器是电网中能量转换、传输的核心，是国民经济各行各业和千家万户能量来源的必经之路。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事故，则可能导致大面积停电，其检修期- -般要 半年以上,造成巨大的经济损失。以一套三相500 kV，360 MVA 的大型变压器为例，若发生绝缘故障，其维修费用当在数百万元，停电一天的直接电量损失(按1 kWh电0.4元计)达280万元，若计入间接损失和社会损失,那么它给整个社会造成的损失将更大。同时随着特高压项目的起动建设，对变压器工作可靠性的要求更高。因为一旦特高压电网的枢纽电力变压器出现故障，其带来的损失将是500 kV等超高压变压器的3~4 倍甚至更高。变压器本身也是电力系统中最昂贵设备之一，单以其本身价格计算，进口的250 MVA/500 kV变压器平均约133万美元/台，国产同规格的也可达到1000万元/台。

在输变电系统中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。变压器在运行中是有损耗的，一种是空载损耗，它与负荷大小无关；另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。变压器运行中产生的损耗将转化为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。变压器的温升影响它的带负载能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，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，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；同时不管是天气以及外界温度的变化，也都造成了变压器油温的变化。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，使油温维持在一个固定的范围内。电力变压器作为电力系统和广大企业用户广泛应用的电气设备，联络电网，把供电网络的电压转换为用电设备或装置直接使用的电压，在电力输送、分配和使用过程中发挥着核心关键作用。变压器接入系统后，在它的铁心、绕组中就产生损耗，这些损耗转化为热量散发出来，使绕组的温度升高，并与周围媒质间产生温度差，这样一部热量使变压器各部分的温度升高，另一部分热量散到冷却媒质中去。温度慢慢升高时，单位时间内积累的热量就减少，而散发的热量就增加，最后达到一种动态平衡。随着变压器容量的增大，变压器的损耗同样会增大，单靠箱壁和散热器已不能散热要求，往往需采用强迫油循风冷，使热油经过强风冷却器，冷却后再用油泵送回变压器。

目前对电力系统中非自冷式的大型变压器冷却设备的控制与保护采用的是机电逻辑方式回路实现的，由于其逻辑电路是由各种接触器、热继电器及保险等器件组成的，所以在其运行过程中存在很多缺陷如：潜油泵及冷却器风机的主回路驱动采用的是接触器，因而机械触点多，电路组成复杂，故障率高，电动机的保护方式是保险外加热继电器，仅能对电动机提供短路及过载（缺相）保护，无法进行故障预测；油温检测采用胀管式电接点温度表，机械触点发令，设定困难，温度测控精度低；控制系统采用继电器逻辑控制，参数设定采用万能转换开关，自动化程度低。主回路、保护电路及控制回路复杂，就决定主变压器在运行中不可靠，显而易见增加了运行维护工作量，因而这种风冷控制系统不利于主变压器运行，给主变压器及电网的安全运行带来很多隐患；随着电网近年来的快速发展，国内无人值守变电站正在不断增多，并且己被认为是中近期发展的方向，考虑到20MVA及以上的变压器本身价值较高，损坏后造成的影响较大，因而需对变压器的温度进行远方监视，而传统的风冷控制系统是不能完成的；为了克服这些缺点和不足，保证电网的安全经济稳定运行、保证重要设备的安全及广大用户的可靠用电，对主变压器传统风冷控制系统的改进，是非常迫切和必要的。

2、国内外发展情况(文献综述)

2.1、变压器的冷却方式

目前国内外变压器的冷却方式主要有四种，即自然油循环自冷散热、自然油循环风冷散热、强迫油循环风冷散热和强迫油循环水冷散热。第一种冷却方式自然油循环自冷散热主要是小型配电变压器采用，不涉及风冷控制问题。第二、三种冷却方式是变电站主变广泛采用的散热方式。第四种冷却方式强迫油循环水冷散热只在个别大型变压器所采用。

自然油循环风冷散热方式是利用变压器绕组及铁心发热后，本体内的油形成对流，油流经散热器后，由冷却风扇吹出的风将热量带走，从而达到散热的目的，这种冷却方式主要用于中小型变压器。强迫油循环风冷散热方式通过油泵的作用，使变压器内的油被迫快速循环，在油流经散热器时，由冷却风扇吹出的风将热量带走，这种冷却方式土要用于大中型变压器。

电力系统中传统的非自冷式大型变压器冷却设备的控制与保护通常采用的是机电逻辑方式回路实现的，其逻辑电路是由各种接触器、热继电器及保险等器件组成的，基本属于20世纪60年代的技术水平。由于控制系统是靠机械触点逻辑电路实现，自动化程度低，在电网运行中存在以上几个方面的缺点和不足，如：潜油泵及冷却器风机的主回路驱动采用的是接触器，因而机械触点多，电路组成复杂，故障率高等。对安全运行带来很多隐患，不能适应当今无人值守变电站的需要。

针对变压器冷却设备机电控制回路的一些缺点，国内外近年来进行了一系列有意义的研究。主要方法是摒弃传统继电器逻辑处理方式，而使用传感器接收信号，在用单片机系统实现控制，这些装置大多采用无触点固体模块，替代传统控制系统中的交流接触开关、热继电器等电磁元件，具有关断速度快、避免触点烧坏、导致风机停运等特点。油温的检测采用的是集成式半导体温度传感器，替代原来的胀管式温度传感器，其温度测量误差小于1%。装置采用微处理器进行信号的采集、A / D转换及处理，具有油温测量与控制、主变压器过负荷启动风机控制、风机电源的自动投切、风冷系统全停跳主变压器三侧、冷却器分时投入。这些装置克服了常规风冷控制系统存在的系统控制回路复杂、可靠性低、风机的保护方式简单并且无法进行故障预测、主变压器油温测量精度低等问题，克服了控制误差大、故障率高、维护工作量大等实际问题。

2.2、温度控制器的组成部分

温度控制器可分为三大部分：温度检测部分、温度控制部分和显示部分。

1.温度检测部分：温度检测是温控系统的最关键部分，它直接影响整个系统的测量、控制精度。例如热电偶温度传感器目前在工业生产和科学研究中已得到了广泛的应用，它是将温度信号转化成电动势。目前热电偶温度传感器已形成系列化和标准化，主要优点是：它属于自发电型传感器，测量温度时可以不需要外加电源；结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制；测量温度范围广，高温热电偶测温高达1800℃以上，低温热电偶可测-260℃以下，目前主要用在高温测量工业生产现场中。热电阻温度传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特性来测量温度的，目前应用较为广泛的热材料是铜和铂。在铜电阻和铂电阻中，铂电阻性能最好，非常适合测量-200~ 960℃范围内的温度。国内统一设计的工业用铂电阻常用的分度号有Pt25、Pt100等，Pt100即表示该电阻的阻值在0℃时为100Ω。随着半导体集成电路技术的迅速发展，各种类型的集成温度传感器应用越来越多。集成温度传感器的工作原理是利用PN结的温度特性制成的，同热电偶、热电阻等传统的温度传感器相比，集成温度传感器主要特点有：灵敏度高；线性度好，一般不需要线性补偿；测量重复性好；响应速度快。但不足之处是测量温度较窄，通常为-55~ 150℃。根据本课题设计的要求，可选用集成温度传感器。由于温度传感器的直接输出信号一般都非常微弱，为了更好的测量和显示，需要放大器、滤波器等电路对信号进一步处理。对放大器的要求是精度要高，输入失调电压和输入失调电流要小，同时要求抑制共模干扰信号的能力要强。

2. 温度控制部分：实现对温度控制的方法很多，有采用模拟电路实现的，也有采用计算机构成的智能控制。模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。开关式控制是将检测的温度信号和设定的温度值通过比较器比较后，驱动一开关器件（一般是继电器）控制加热器的通断。如当测量的温度低于设定的温度值时，驱动电路使继电器接通加热器的电源，使温度上升；当温度高于设定的温度时，驱动电路使继电器断开加热器的电源，停止对加热器的加热，温度将下降。这样继电器反复动作，温度将被控制在设定值附近。