PLC的分段变压法在变压器干燥过程中应用

1、引言

    在变压器传统的干燥方法是将器身置于真空干燥罐内，采用pid控制器控制罐内温度，热源采用蒸汽。加热的同时抽罐内真空，不同电压等级的变压器对真空度要求是不同的，例如110kv等级的变压器罐内真空度必须达到133pa以下。在这样的条件下，加热阶段是在有氧条件下进行的，容易造成绝缘的老化，在高真空阶段，加热靠辐射，缺乏热对流，加热效率低，同时容易造成绝缘表面干燥过快，以至毛细管萎缩，影响绝缘深层水分的蒸发，最后只能靠延长干燥时间来保证水分蒸发，这样又加剧表层绝缘的老化。同时在加热过程中，由于真空度的变化，pid控制器的参数难于整定，又由于罐的体积很大，造成温度的滞后，最终造成温度的超调。因此针对上述问题，本文提出采用变压法代替原有的真空干燥方法；pid控制器采用智能自整定系统；执行器采用西门子plc，人机界面采用工控机平台下的组态软件；针对产品质量的检测，提出三段法的终点判断法。对改造前后系统运行效果进行比较，结果表明，改造后能有效改善系统的动态品质，提高抗干扰能力，减少干燥时间，提高产品质量。

    2、变压法干燥系统器的设计

    2.1 理想的变压法系统模型

    理想的变压法真空干燥系统内部的真空度与温度的曲线如图1所示。

图1  理想的变压法模型

    整个干燥过程分为4个阶段：

    (1) 预热阶段，此阶段罐内处于低真空，罐内压力在80kpa至40kpa之间变化，以确保水蒸汽处于不饱和状态，排除了水蒸气在铁心表面冷凝的可能性。此阶段铁心温度上升到72℃，可排除变压器35%至45%的水分；

    (2) 过渡阶段，罐内真空度逐级降到10kpa；

    (3)主干阶段(变压器脱水阶段)，抽真空一段时间(15min)，关闭主阀一段时间(15min)，抽真空时，将脱出的水蒸气抽走，此时真空度上升而温度下降，关闭主阀时，绝缘层中水分又蒸发出来，使真空度降低，水蒸汽又参与热对流传热，使器身温度上升，此阶段排除变压器45%至50%的水分；

    (4) 终干阶段，当主干阶段真空到0.5 kpa时，进入终干阶段，终干结束压力随变压器电压等级而不同。

    2.2 真空系统的设计

    真空系统主要由各种阀及抽真空的旋片泵、罗茨泵等构成，如图2所示。

图2 真空系统原理

    在干燥罐真空系统中，总气动挡板阀的作用是控制罐体抽真空的启停，系统若靠频繁启停泵来控制抽真空的启停，将对泵造成很大冲击，严重影响泵的寿命；总充气阀的作用是运行中充气和干燥完毕解除真空；旋片泵的作用是获得低真空；罗茨泵的作用是获得高真空，但罗茨泵不能单独使用，必须配置前级泵(如旋片泵)，以获得预真空；冷凝器的作用是将抽出水分冷凝，以避免润滑油乳化。

    2.3 执行器的设计

    plc的设计主要包括数字量输入和输出，模拟量的输入和输出。数字量的输入主要包括：现场按钮旋钮状态、限位开关位置、阀的状态反馈、现场冷却水有无的检测等；数字量的输出主要包括泵和阀的控制、各种报警指示等；模拟量的输入主要包括温度的检测、真空的检测；模拟量输出主要是蒸汽阀门开度的控制，用以控制罐内温度。其总体结构如图3所示。

图3 可编程控系统原理

    2.4 人机界面的设计

    人机界面的硬件平台采用了研华ipc-610h工业计算机，组态软件[2]采用国内的力控组态软件，通讯采用rs-485总线，计算机的com口通过转接器与plc的485口相连，兼作通讯和编程用。人机界面的结构形式如图4所示。

图4 人机界面

    在初始画面下，首先登录，否则其他选项不能激活；如果是管理员登陆，还可以管理用户；进入自动后，首先选择相应的工艺参数，点击开始后输入工作号等自动开始，此外，系统还可查询工作记录、历史曲线、数据报表等历史记录，以便于管理。

    3、研发难点分析及解决方案

    3.1 真空的检测

    事实上，任何传感器在从大气压到几pa量级的高真空全程检测都是非常困难的[3]。选定的传感器ttr91s满足函数：u=c+1.286log10 p， 其中p为气压，c为常数6.143，使用中发现，在大气压至40kpa的范围，因为检测数值是指数函数，使用滤波等技术手段都无法消除数值的抖动，最后采用分段线性化消除了抖动。

    3.2 pid参数的整定

    对干燥罐的温度采用pid控制，由于罐内真空度是实时变化的，这样就造成传热介质的不稳定，pid的参数难于整定，加上罐的体积大(400m3)，通常会造成超调。在实践中采用西门子plc[4]的自整定控制，可以得到合理的参数(如图5所示)，因此有效地解决了超调问题。

图5 pid整定控制面板

    3.3 终点判断

    对于干燥终点的判断，传统的干燥方法只能是通过经验时间的数值大小来判断。本文所提出的变压法使用的是三段法，在终干阶段完成后，再连续抽两个小时，时间的长短可以通过参数调整，记录此时真空数值，停止抽半个小时后，记录水蒸汽的分压，连续三次，如果水蒸气分压递减则产品合格，否则重新抽真空判断。

    系统改造后即投入使用，根据改造前后的系统特性，以及投入以来的实际效果表明，人机界面加plc的运行模式较人机界面加计算机板卡的方式运行稳定性明显提高。采用pid自整定后，温度超调的现象消除了，终点判断程序投入后，操作者的劳动强度明显降低，整个过程不用人工干预，变压器干燥充分彻底，平均干燥用时减少了5至10小时。

    4、结束语

    采用分段变压法对变压器的器身进行干燥，较之原来的恒压干燥及热风循环干燥有明显的优点：首先，由于干燥时间的减少，以整个干燥系统的功率以50kw计算，每干燥一罐就能节约电250kwh～500kwh，因此具有很高的经济和社会价值；其次，干燥程度明显提高，变压器的质量明显提高，使用寿命明显延长；最后，整个干燥过程几乎不用人的干预，降低了操作者的劳动强度，自动化水平得以提高。

本文关键字：变压器  变压器，电工技术 - 变压器