110 kV主變壓器風控箱的改造與優化

馮 超，何利平，王 暉

(石家莊供電公司，石家莊 050091)

1 概述

近年來，為防止主變壓器風冷控制系統全停故障的情況發生，主變壓器風控箱都采用雙路電源設計，在一路工作電源出現故障時，迅速投入另一路電源。為降低設備成本、減少控制元件數量，110 kV主變壓器風控箱的兩路電源多采用不同的控制結構，一般將一路電源作為工作電源，另一路作為備用電源。石家莊地區110 kV主變壓器多采用XKWF-1型風控箱，該型設備在2003年后大量投入使用，但投運后，經常發生電源切換故障，需運行人員到現場對工作電源進行手動復位才能消除故障信號。

2 原因分析

2.1 電源故障切換功能不完善

2.1.1 兩路電源故障切換的原理

XKWF-1型風控箱控制原理見圖1，合上單聯空氣開關QM1、QM2后，投入電源切換控制回路，控制回路由兩路電源中的一相同時供電，無論投入哪一路電源，控制回路都發揮功能。

圖1 XKWF-1型風控箱控制原理示意

如1號電源出現斷相故障，則相應的電壓保護繼電器K1、K2或K3的繞組失去電壓，其在電源缺相自投保護回路中的常開接點閉合。在此情況下，只要中間繼電器K常閉接點閉合，主接觸器KMM2的繞組即可通電，投入2號工作電源，同時KMM2的常開接點斷開KMM1繞組支路，使其保持斷電狀態。當因主回路、控制回路發生短路、接地而使電源側空氣開關SM1跳開后，SM1跳閘常閉接點閉合，中間繼電器K4繞組通電，其串入“電源斷相自投保護回路”中的常開接點斷開，使接觸器KMM2繞組無法通電；正常情況下，中間繼電器K4繞組無電壓，其常開接點閉合，使斷相自投保護回路能夠正常切換。

2.1.2 2個主接觸器的“搶電源”現象

如采用“自動”控制方式，而變壓器頂層油溫和負荷電流未達到啟動值，則風冷控制系統處于停止狀態。此時中間繼電器K1、K2、K3在“電源斷相自投保護”回路中的常開接點全部閉合，一旦中間繼電器K的常閉接點閉合，便可能使主接觸器KMM2繞組先于KMM1而通電，投入2號工作電源，同時發出“電源斷相故障信號”。這種故障現象在設備運行中不斷出現，經常需要運行人員到現場進行電源復位操作，增加了日常工作量。

2.1.3 兩路電源故障切換的“盲區”

在“電源斷相自投保護”回路中，串入了中間繼電器K4的常開接點。當電源側空氣開關SM1因器件自身故障跳開時，其輔助跳閘接點接通，K4繞組通電時，“電源斷相及保護”回路失去作用，使2號電源無法投入，從而造成風冷控制系統全停。這是該型設計存在的一個重要缺陷，可能造成變壓器風冷控制系統全停故障。

2.2 控制元器件未得到充分利用

“電源斷相自投保護”回路中，使用3只中間繼電器對電源斷相故障進行響應，其器件使用率低、靈敏度差，僅使用了一對常開接點，客觀上造成了原材料的浪費，同時還過多占用了風控箱的內部空間。

2.3 交、直流回路間未采取有效隔離措施

遠方“電機故障信號”采用直流電源，接在電機空氣開關外掛的跳閘接點上，容易發生交、直流回路間的短路，引發直流控制系統故障。另外，在對風控箱進行檢修時，往往不能隨意斷開直流信號回路，客觀上，使工作人員常常處于帶電作業的危險狀態，容易造成人身觸電事故。

3 改造措施

3.1 改造電源缺相自投保護回路

將中間繼電器K1、K2、K3用一個相序繼電器KX3取代，對主接觸器下口的斷相、欠壓故障進行響應。在“電源斷相自投保護”回路中將KX3的常開接點、KMM1的常開接點與KMM2的常閉接點并聯后與KMM2繞組串聯，起到電源故障切換、保護的作用。另外，在電源側空氣開關SM1、SM2下口分別設置相序繼電器KX1、KX2，用于發送電源故障信號。改造后的雙路電源控制回路見圖2。

3.2 解決接觸器KMM1、KMM2的“搶電源”現象

為防止KMM2繞組先于KMM1繞組導通，從而切斷KMM1繞組電源，導致所謂“搶電源”的現象，在KMM2繞組前加入時間繼電器KT2的延時閉合接點。KT2繞組并接在“電源斷相及保護”回路中K常閉接點后側，KMM2繞組在KT2繞組通電后，延時導通，從而避免了“搶電源”現象的發生。基于以上考慮，對風控箱原有設計進行修改，見圖2。

圖2 改造后風控箱控制回路示意

4 優化方案

4.1 系統結構

4.1.1 取消“小母線”結構

取消了習慣上的“小母線”結構，改用帶有絕緣外殼的大電流端子“MT”代替，起到集線器的作用，從而節省箱內空間，保證檢修人員的工作安全。

4.1.2 對相序繼電器的優化選型

XKWF-1型風控箱采用3只3TH8244型中間繼電器對小母線三相電壓進行監測，其靈敏度難以滿足要求。現采用1只RM4-TR32型相序保護繼電器代替原有3只中間繼電器的功能，除可對電源缺相故障進行迅速、準確的響應外，還可對過電壓、欠電壓、反相序等電源故障進行精確響應。此類相序保護繼電器一般設有多個指示燈，可對電源故障及保護自身動作情況進行直觀指示，為檢修人員進行故障分析和判斷提供便利條件。

相序保護繼電器體積小，原有3TH8244型中間繼電器尺寸為45 mm×80 mm×100 mm，現采用的RM4-TR32型相序保護繼電器尺寸為22.5 mm×78 mm×80 mm，總體積縮小為原來的1/7～1/8，節約了箱內空間。

4.1.3 消除交、直流回路的相互影響

采用中間繼電器K2發出本地和遠方“電機故障信號”。電機保護開關上僅保留交流信號線，去掉了直流信號端子，更有利于保障檢修人員的工作安全，降低交、直流回路之間短路的風險。

4.2 基本回路

4.2.1 主回路

風冷系統電氣主回路包括兩組獨立的空氣開關和接觸器，經3個大電流端子“MT”連接到電機保護開關。主接觸器KMM1或KMM2閉合后，大電流端子帶電，合上電機保護開關即可投入相應的風機。設計上將接觸器KMM1作為首選接觸器，接觸器KMM2吸合的前提是頂層油溫達到溫度上限、工作電源或KMM1出現故障。

4.2.2 控制回路

4.2.2.1 溫度控制

當變壓器頂層油溫超過65 ℃后，溫度計BT1接點③-④閉合，導通中間繼電器K1繞組，K1常閉接點閉合，導通1號電源主接觸器KMM1繞組，風機投入轉動；同時，K1常閉接點經溫度計BT155 ℃溫控接點①-②實現自保持。當溫度降至55 ℃以下后，K1繞組斷電，K1常閉接點斷開，主接觸器KMM1繞組斷電，風機停轉。

無論采用“手動”或“自動”方式，當1號電源故障時，中間繼電器K1均可導通主接觸器KMM2繞組，投入2號電源。

4.2.2.2 “手動”和“自動”控制方式的轉換

a. 正常控制狀態。采用“手動”控制時，直接將電機投入運行；采用“自動”控制方式時，主接觸器的分、合受溫度控制。

b. 故障控制狀態。采用“自動”控制方式時，在風冷系統投運期間，如果1號電源或其主接觸器下口出現斷相、欠壓故障時，相序保護繼電器KX3動作，導通主接觸器KMM2繞組，風機電源改經KMM2供給；采用“手動”控制方式時，如果1號電源出現故障，而變壓器頂層油溫已達到自動啟動風冷的溫度定值，仍可經由中間繼電器K1、相序繼電器KX3等器件的接點繞組，導通主接觸器KMM2繞組，投入2號電源。

4.3 電機保護

a. 短路跳閘保護。當回路中有短路或接地故障時，相應的電機保護開關或主電源開關迅速脫扣跳開，將短路部分切除。

b. 電機過電流保護。 當電動機出現過電流后，經過一段時間，相應的電機保護開關跳開，及時切除過流故障。

4.4 故障信號

4.4.1 本地故障信號

a. 工作電源缺相信號。主接觸器KMM2輔助常閉接點繞組閉合，導通紅色信號燈HLRD1,發出本地工作電源斷相故障信號。

b. 本地全停信號。主接觸器KMM1、KMM2輔助常開接點繞組閉合，導通紅色信號燈HLRD2,發出本地工作電源全停信號。

c. 風機故障信號。當某臺風機發生故障，其空氣開關跳開后，空氣開關外掛跳閘常閉接點閉合，導通中間繼電器K2的繞組，K2輔助常閉接點繞組閉合，導通紅色信號燈HLRD3,發出本地電機故障信號。

4.4.2 遠方故障信號

a. 電源缺相信號及主電源故障信號。1號電源發生故障后，主接觸器KMM2吸合，KMM1繞組斷電后其常開接點繞組或相序繼電器KX1常開接點繞組閉合，發出遠方“電源缺相信號”。當第2路電源的空氣開關SM2下口出現缺相故障時，可通過KX2發出遠方“電源缺相信號”。

b. 電源故障信號。當變壓器頂層油溫超過風冷自動啟動的溫度上限，溫度計BT1接點繞組⑤-⑥導通，如此時主接觸器KMM1未吸合，則其常開接點繞組保持導通狀態，發出遠方“電源故障信號”。

c. 電機故障信號。當某臺電機發生故障，其空氣開關跳開，外掛輔助接點繞組閉合，導通中間繼電器K2繞組，K2吸合，同時發出本地及遠方“風機故障信號”。

5 結束語

通過對本地區110 kV主變壓器典型風控箱的改造與優化，消除了主接觸器“搶電源”、雙路電源故障切換失靈等設計缺陷，增強了風控箱的功能，完善了其內部結構。新型設計經過試驗驗證，性能穩定，使用安全，故予以定型。

新設計的定型產品型號為XKWF-15/4-16，自2007年開始投入批量生產和使用。目前，該型風控箱已在110 kV留村1號、2號主變壓器，車站1號、2號主變壓器，南郊1號、2號主變壓器，北道岔1號主變壓器等設備上使用3年多，其功能完善、運行穩定，在投運后未出現任何缺陷。它所提供的各類信號和故障指示直觀、明確，為實時監測設備的運行狀態提供了可靠依據。