兩起水電廠主變壓器冷卻器故障引起機組非停的分析與改進

陳啟萍

（貴州烏江水電開發有限責任公司，貴州省貴陽市 550002）

0 引言

水電廠“遠程集控、少人維護”模式是指[1]：機組開停、調相等工況轉換操作，機組有功功率、無功功率、主變壓器中性點接地開關、AGC和AVC投退調整以及一些重要量的監視由設置的集中控制中心進行遠程監控，水電站將運行、檢修維護人員獨立工作方式，改變為運行人員與維護人員合并上班，實現運維合一的運維人員現場大倒班工作方式，每個班次或定期現場僅留少數設備巡檢維護人員，定期巡視、處理存在的問題，并滿足緊急事故處理要求的生產管控方式。

貴州烏江水電開發有限責任公司（以下簡稱烏江公司）2013年初開始著手謀劃水電站“遠程集控、少人維護”推進工作，2015年4月洪家渡、東風、索風營、烏江渡、構皮灘、思林、沙沱和烏江支流清水河上的大花水、格里橋等9座水電站機組控制權全部移交集控中心，集控中心在幾百公里外的貴陽實現對電站機組的遠程操控。

1 基本情況

事件一：2017年12月25日14時26分，某水電廠1因1號主變壓器冷卻器雙電源切換裝置故障，導致在400V自用廠用電倒換后主變壓器冷卻器全停超時動作，甩負荷226MW，1號機組變非停。

事件二：2018年7月4日20時37分，某水電廠2因1號主變壓器冷卻器控制柜PLC 24V電源正極故障，導致該主變壓器冷卻器控制柜內PLC電源空開跳閘，PLC停止運行，主變壓器冷卻器全停，主變壓器溫度過高保護動作，甩負荷70MW，1號機組變非停。

以上兩起事件反映出在“遠程集控、少人維護”模式下，由于電廠不再長期有人在現場進行設備監盤、操作等工作，水電廠變壓器過載及溫度過高時，如不能及時發現并采取措施，將會造成機組非停，嚴重時會造成主變壓器損壞。需要研究制定防止變壓器非停的智能化手段，將水電廠主變壓器過載及溫度過高等異常工況交由軟件自動判斷，并自動執行控制流程，同時完善提前預警功能，避免人員響應不及時造成的主變壓器非停，甚至主變壓器損壞事故，以適應新的管控模式的需要。

2 主變壓器冷卻器及其控制系統原理

主變壓器在運行中由于銅損、鐵損的存在而發熱，它的溫升直接影響變壓器絕緣材料的壽命、機械強度、負荷能力及使用年限，主變壓器冷卻器是主變壓器的重要輔助設備之一，其作用就是降低變壓器中絕緣油的溫度，從而降低變壓器繞組和鐵芯的溫度，使主變壓器正常運行。

主變壓器冷卻器控制系統具有以下功能[2]：

（1）當變壓器投入運行時，能使相應數量的工作冷卻器自動投入運行；在變壓器停止運行時，能使冷卻器全部自動停止運行。

（2）當運行的變壓器頂層油溫（或繞組溫度）或負載電流達到規定值時，能使輔助冷卻器自動投入運行；當運行中的冷卻器發生故障時，能使備用冷卻器自動投入運行。

（3）當冷卻器全停時，能使變壓器延時跳閘。

（4）主變壓器冷卻器控制系統采用兩路獨立工作電源供電，可任選一路為工作電源，另一路為備用電源，當一路出現故障時，另一路電源能自動投入運行。

（5）每組冷卻器的工作狀態分為：停止、工作、輔助、備用。在投入運行前，應根據具體情況來確定每組冷卻器的工作狀態。

（6）冷卻器控制回路設有邏輯保護功能。冷卻器系統在運行發生故障時，能發出事故報警信號。

3 主變壓器冷卻器控制系統存在問題分析

烏江公司九座水電廠44臺主變壓器，均采用油浸強迫循環水冷卻方式。主變壓器冷卻器控制系統均采用PLC+手動控制回路方式進行控制，手動控制回路與PLC相互獨立。除東風1～3號主變壓器和烏江渡7臺主變壓器未設置繞組溫度測點外，所有主變壓器均設置有油溫和繞組溫度測點，并且計算機監控系統能采集到主變壓器油溫和繞組溫度模擬量值。根據水電廠“遠程集控、少人維護”模式需要，烏江公司組織對各水電廠主變壓器冷卻器控制系統硬件配置、控制邏輯等進行了分析和梳理，主要存在以下問題：

3.1 硬件部分

（1）動力電源方面。烏江公司九座水電廠主變壓器冷卻器控制系統動力電源均取自兩段不同的廠用AC 400V電源，兩路AC 400V動力電源經自動切換裝置（或接觸器）自動切換后作為冷卻器工作電源，除大花水電站和格里橋水電站外，其他廠站對兩段動力電源進線均設有監視繼電器。大花水電站和格里橋水電站易發生當有一段動力電源丟失時，不能及時發現問題。

（2）PLC電源方面。PLC工作電源均為DC24V，東風發電廠主變壓器冷卻器控制系統采用一路AC220V（取自切換后的主電源）經一塊開關電源轉換后供電，PLC供電可靠性低；洪家渡發電廠、格里橋水電站、大花水電站采用兩路AC220V經兩塊開關電源轉換后并聯供電，無DC220V直流供電，不能保證PLC的可靠供電；其余電廠采用交直流兩路電源經開關電源模塊轉換后并聯供電。

3.2 控制邏輯部分

（1）自動控制邏輯方面。烏江渡發電廠一號廠（四臺主變壓器）和大花水電站在啟動第3臺主變壓器冷卻器控制條件中，只判斷了主變壓器油溫，無“電流啟動”條件，啟動條件單一，不能保證冷卻器的可靠啟動。

（2）單臺冷卻器故障判斷方面。東風發電廠、烏江渡發電廠在判斷主變壓器冷卻器故障條件中，只判斷了油泵運行后油流中斷，無“油泵運行后水流中斷”條件。

（3）主變壓器冷卻器全停邏輯判斷方面。除東風發電廠使用硬接點方式進行判斷外，其余八家水電廠主變壓器冷卻器全停邏輯均在主變壓器冷卻器控制系統PLC程序中進行判斷后，再輸出到計算機監控系統進行報警。當PLC故障后，主變壓器冷卻器全停信號將不能正常上送計算機監控系統，存在較大的安全隱患。

（4）PLC故障信號方面。當PLC模塊故障或停運后，洪家渡等四家電廠因未在主變壓器冷卻器控制系統PLC輸出中配置故障監視繼電器，當PLC模塊故障或停運后，不能及時計算機監控系統發出PLC故障信號。

（5）PLC故障后冷卻器啟動方面。主變壓器冷卻器控制系統PLC故障后，除索風營發電廠能通過PLC狀態監視繼電器閉接點自動啟動兩臺冷卻器，烏江渡發電廠運行的冷卻器能通過自保持回路繼續運行外，其他廠站主變壓器冷卻器將會全停，需人員手動啟動，若反應不及時，存在保護動作停運主變壓器甩機組負荷或損壞主變壓器的危險。

（6）主變壓器溫度保護配置方面。七家水電廠未配置和投入主變壓器油溫升高降負荷保護，而在已投入主變壓器油溫升高降負荷動作邏輯的兩個電廠中，東風發電廠未退出機組AGC[3]就直接減負荷，烏江渡發電廠直接將負荷減至空載狀態。

（7）主變壓器冷卻器全停保護配置方面。烏江渡等四家未投入主變壓器冷卻器全停保護，不滿足DL/T 572—2010《電力變壓器運行規程》[4]中3.1.6條規定：“無人值班的變電站內安裝的強油循環冷卻的變壓器，應有保證在冷卻系統失去電源時，變壓器溫度不超過規定值的可靠措施”的規定。洪家渡等五家水電廠雖投入了主變壓器冷卻器全停保護，但動作邏輯均不滿足DL/T 572—2010中6.3.2條規定：“強油循環風冷和強油循環水冷變壓器，在運行中，當冷卻系統發生故障切除全部冷卻器時，變壓器在額定負載下允許運行時間不小于20min。當油面溫度尚未達到75℃時，允許上升到75℃，但冷卻器全停的最長運行時間不得超過1h。對于同時具有多種冷卻方式（ONAN、ONAF或OFAF），變壓器應按照制造廠規定執行。冷卻裝置部分故障時，變壓器的允許負載和運行時間應參考制造廠規定”。

4 主變壓器冷卻器控制回路改進措施

綜合以上主變壓器冷卻器控制系統暴露出來的問題，結合水電廠實際運行使用經驗和“遠程集控、少人維護”模式需求，對主變壓器冷卻器控制系統提出如下改進措施：

4.1 硬件部分

（1） 在兩段AC 400V動力電源進線端增加電源監視繼電器，并將動力電源監視信號上送至計算機監控系統，以增加電源可靠性。

（2）PLC工作電源配置兩塊開關電源模塊，兩塊開關電源模塊輸入端分別取自一路AC 220V和一路DC 220V電源，實現PLC冗余供電。

4.2 控制邏輯部分

（1）在啟動輔助冷卻器的條件中，增加電流啟動條件，實現主變壓器油溫和電流任一達到啟動值時，啟動冷卻器。

（2）在判斷單臺主變壓器冷卻器故障條件中，除油流中斷外，增加“油泵運行后水流中斷”條件（圖1為單臺冷卻器故障判斷基本邏輯示例，可根據實際情況進行增補完善）。

圖1 單臺冷卻器故障判斷基本邏輯圖Figure 1 Basic Logic Diagram of the Fault Judgment of Single Main transformer cooling controller

（3）主變壓器冷卻器全停信號采用硬接線判斷方式，使上送計算機監控系統的主變壓器冷卻器全停信號不受主變壓器冷卻器控制系統PLC故障影響（圖2為主變壓器冷卻器全停信號動作基本邏輯示例，可根據實際情況進行增補完善）。

圖2 主變壓器冷卻器全停信號動作基本邏輯圖Figure 2 Basic Logic Diagram of Action of Full Stop Signal for the Main transformer cooling controller

（4）為保證主變壓器冷卻器控制系統PLC模塊故障或停運后，計算機監控系統能及時收到PLC故障信號，在PLC開出回路中增加一個監視繼電器，繼電器常閉接點接入監控系統報警[5]。PLC正常運行中，繼電器動作，當PLC故障或停運后，繼電器自動復歸，其常閉接點接通報警。

（5）對主變壓器冷卻器控制回路進行完善，保證PLC故障后，除正常報警外，還能通過PLC故障監視繼電器接點自動啟動至少兩臺冷卻器或保持運行中的冷卻器繼續正常運行。

（6）配置并投入主變壓器油溫升高降負荷保護，避免現場不再長期有人進行設備監盤、操作等工作，因主變壓器油溫繼續升高引起機組非停事故（圖3為主變壓器油溫升高降負荷動作基本邏輯示例，可根據實際情況進行增補完善。圖中油溫定值由電廠自定，該值應高于啟冷卻器溫度值，并低于冷卻器全停超溫保護動作的溫度值；機組有功定值、機組減負荷到多少，可由電廠結合試驗情況自行確定，但建議不需直接將負荷減至零）。

圖3 主變壓器油溫升高降負荷動作基本邏輯圖Figure 3 Basic Logic Diagram of the Load Reduction Action of the Temperature Elevation of the Main transformer Oil

（7）完善主變壓器冷卻器全停超溫保護動作邏輯，并投入該保護（圖4為主變壓器冷卻器全停超溫保護動作基本邏輯示例，可根據實際情況進行增補完善；圖中油溫定值由各廠站結合實際情況自行確定，但建議不超過DL/T 572—2010中6.3.2條規定的75℃）。

圖4 主變壓器冷卻器全停超溫保護動作基本邏輯圖Figure 4 Basic Logic Diagram of Over-Temperature Protection Action for Full Stop of the Main transformer cooling controller

4.3 管理方面

（1）將主變壓器冷卻器控制系統動力電源切換加入定期試驗計劃，定期（建議至少每3月/次）開展切換工作，保證主電源切換裝置的可靠運行。

（2）建立和完善主變壓器冷卻器控制系統相關應急響應方案，方案中應明確在主變壓器冷卻全停、主變壓器溫度升高報警、主變壓器溫度過高動作等異常情況下的應急響應措施。

5 結束語

水電廠中主變壓器冷卻器能夠控制主變壓器的溫度，使主變壓器能夠穩定可靠運行，對整個電廠正常供電十分重要。烏江公司九座水電廠按主變壓器冷卻器控制回路改進措施加強硬件、控制邏輯和管理方面的各項措施后，至今再未發生因上述情況導致的主變壓器冷卻器保護誤動情況。因此在水電廠“遠程集控、少人維護”模式下，對主變壓器冷卻器電源可靠性、啟動和故障控制邏輯、故障報警、主變壓器油溫升高降負荷和全停保護、定期試驗等方面，結合現場實際情況進行認真的梳理和優化是十分必要的，只有這樣才能夠使主變壓器冷卻器和主變壓器得到更好的運行。