主變風冷控制系統(tǒng)故障的原因分析與改進

裴麗秋

（淮浙電力有限責任公司鳳臺發(fā)電分公司）

0 引言

大型變壓器是發(fā)電廠的主設備，其能否安全運行，關系到機組的安危，在正常運行過程中，變壓器的空載損耗和負載損耗會產生大量的熱量，其產生的熱量多少與負載有關，而且溫升直接影響到變壓器絕緣材料的壽命、機械強度及使用年限。為了變壓器油溫不超過主設備絕緣所允許的溫度，保證變壓器安全經(jīng)濟地運行，必須采取有效的冷卻方式進行冷卻。國內大型變壓器多采用強迫油循環(huán)風冷方式，變壓器由于熱損失而被加熱的變壓器油，經(jīng)油泵從變壓器油箱上部導入冷卻器冷卻管內，再從下部經(jīng)油泵壓入變壓器油箱內，熱量在油流動時被空氣帶走，此種冷卻方式將帶走熱量散發(fā)在空氣中，最終滿足變壓器制造廠的相關指標要求，確保變壓器的正常運行。根據(jù)《電力變壓器運行規(guī)程》要求：強油循環(huán)冷卻變壓器運行時，必須投入冷卻器。各種負載下投入冷卻器的相應臺數(shù)，應按制造廠的規(guī)定，溫度和負載投切冷卻器的自動裝置應保持正常；強油循環(huán)風冷變壓器，在運行中，當冷卻系統(tǒng)發(fā)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℃，允許上升到75℃，但冷卻器全停的最長運行時間不得超過1h。由此可見，變壓器風冷回路正常與否關系到主變壓器的安全穩(wěn)定運行。

1 主變風冷系統(tǒng)

1.1 主變風冷系統(tǒng)組成

主變冷卻器系統(tǒng)主要由冷卻器本體、潛油泵、油流繼電器、冷卻器控制柜以及接線盒等組成。

1.2 主變風冷系統(tǒng)各部件作用

潛油泵將變壓器本體中的熱油強行抽離并輸送至散熱器進行冷卻，再將冷卻后的油輸送回變壓器本體，從而冷卻變壓器內部的繞組和鐵心，它是馬達和泵裝配在一起的渦流泵，由于是連續(xù)運行的，具有重量輕、運行穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點。

油流繼電器用于探測變壓器油環(huán)流的流動狀況。一般裝備在與冷卻器相連的管道上，通過控制繼電器結構，能夠防止油流量降低到下限以下。它具有防水性、抗震性等優(yōu)點。

冷卻器本體一般是鍍鋅翅片插在冷卻管上，通過擴管機拉動圓錐形擴管頭，使冷卻器與翅片緊密結合在一起，保證良好的導熱性，另外，在鍍鋅翅片上設置溝槽，提高了空氣一側的熱傳導率。

冷卻器控制柜，也就是常說的風冷控制柜，主要根據(jù)油溫、繞組溫度，以及運行規(guī)程，手動或自動控制冷卻器啟停的回路，它的好壞，直接關系到主變能否安全穩(wěn)定運行，所以是檢修維護中的重點。

1.3 主變風冷控制回路

（1）電源回路

主變風冷控制回路有兩路動力電源，取自于380V母線段，因某廠1號主變?yōu)閱蜗嗯渲茫煸O計之初配有主變總控柜，在主變總控柜內將兩路動力電源進行再分配，引至每相分控制箱，如圖1所示。

圖1 主變風冷總控制柜接線示意圖

每相主變分控制箱均引接兩路來自主變總控柜的動力電源，考慮到主變風冷的重要性，每一路動力電源均設置電壓監(jiān)視繼電器，便于及時發(fā)現(xiàn)電源供電異常，如圖2所示。

圖2 主變風冷分控制箱接線示意圖

圖例說明：QF01／QF02：主變風冷總控柜交流電源1／2；QF011／QF021／QF031：A相／B相／C相分控制箱交流電源1；QF012／QF022／QF032：A相／B相／C相分控制箱交流電源2；KV1／KV2：分控制箱交流電源監(jiān)視繼電器1／2；KMS1／KMS2：分控制箱交流接觸器1／2；SS：工作電源選取轉換開關；K：主變停運連鎖動作繼電器；K1／K2：第一路／第二路電源監(jiān)視繼電器。

變壓器投運前，將兩組獨立動力電源送電，主電源I、主電源II供電至主變總控制柜，進而經(jīng)小母線供電至A相／B相／C相分控制箱，根據(jù)SS轉換開關手柄放在選定的工作位置進行工作電源選取，主變風冷運行于其中一路電源。隨著變壓器投入電網(wǎng)運行，并網(wǎng)斷路器動斷輔助觸點打開，K繼電器線圈失磁，其動斷觸電閉合，使得KMS1線圈激磁，KMS1接觸器主觸頭閉合，接通I電源。KMS2線圈由于KMS1動斷觸頭打開而沒有激磁，KMS2接觸器主觸頭不能閉合，故不接通II電源。當I電源因電纜異常、上級開關故障、上級母線失壓或任何一相斷相等原因造成電壓異常時，K1線圈斷電，K1動合觸點打開，KMS1主觸頭斷開，動斷輔助觸點閉合，使得KMS2線圈得到激磁，KMS2接觸器主觸頭閉合，接通II電源。若I電源電壓恢復或斷相線重新接通時，KMS1線圈重新激磁，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，KMS2線圈斷電，主觸頭打開，恢復原來的狀態(tài)。當SS轉換開關手柄選取另一路為工作電源時，情況類同。即不論是總控制柜內主電源I、主電源II發(fā)生一路失電，還是A相／B相／C相分控制箱內交流電源1、交流電源2發(fā)生一路失電，風冷回路均會正常運行于第二路電源，而且會發(fā)出報警上送至DCS，提醒運維人員及時處理。

（2）控制回路

變壓器投運前，將SC1-SCN轉換開關，按照運行規(guī)程事先將手柄放在“工作”、 “輔助”或“備用”位置，將所有Q1-QN斷路器合上。如選定1號冷卻器為工作冷卻器，這樣只要變壓器投入運行，選定的“工作”位置冷卻器的控制油泵電機所需的KM1線圈和控制風扇電機的KM11線圈，分別通過熱繼電器的動斷觸點和SC轉換開關觸點激磁，使得KM1、KM11接觸器的主觸點閉合，油泵和風扇投入運行。油泵投入后，冷卻器內變壓器油開始流動，當流速達到一定值時，裝在冷卻器聯(lián)管上的流動繼電器，它的動合接點閉合，動斷接點打開，表示冷卻器已投入正常運行。當油泵或風扇電機發(fā)生故障時，KH1或KH11、KH12熱繼電器動作，造成KM1或KM11線圈斷電，接觸器的主觸頭打開，從而保護了電機。另外，接觸器的輔助動斷觸點閉合，接通備用冷卻器控制回路，經(jīng)過延時KT2后，接通K5線圈，K5動合觸點閉合，一對輔助觸點啟動備用冷卻器回路，另一對輔助觸點接通信號回路，發(fā)出冷卻器故障信號，如圖3所示。

圖3 主變冷卻器典型設計控制回路

當冷卻器內油流速不正常，低于規(guī)定值時，流動繼電器的動合觸點打開，表示冷卻器內部管路發(fā)生故障。K01動斷觸點，啟動備用冷卻器控制回路，考慮到啟動油泵到油流速達到規(guī)定值需一段時間，為了避免剛啟動油泵時，流動繼電器動斷觸點來不及打開而啟動備用冷卻器，故KT2時間繼電器整定時間一定要和流動繼電器動斷觸點斷開時間相配合。輔助冷卻器在變壓器剛投運時和負荷較低時，是不投入運行的。當變壓器負荷增加，繞組溫度隨著增加，當溫度達到規(guī)定值，K4線圈激磁，K4動合觸點閉合，K3線圈激磁，K3動合觸點閉合，使輔助冷卻器投入運行。另外，當變壓器頂層油溫達到規(guī)定值以上，溫度指示器PWI觸點閉合，亦使K3線圈激磁，輔助冷卻器亦投入運行。

備用冷卻器在正常情況下，油泵和風扇是不投入運行的，僅在工作冷卻器或輔助冷卻器發(fā)生故障時，才會啟動備用冷卻器控制回路，使K5動合觸點閉合，備用冷卻器油泵和風扇投入運行。一旦發(fā)生故障的冷卻器修好重新投入運行，因備用冷卻器控制回路被切斷，備用冷卻器的油泵和風扇就退出運行。當備用冷卻器投入運行后，若發(fā)生故障，經(jīng)延時使K6線圈激磁，其動合觸點閉合，發(fā)出故障信號。

2 某廠主變風冷控制系統(tǒng)故障分析及改進

2.1 主變風冷控制系統(tǒng)故障分析

某廠主變壓器為常州東芝變壓器有限公司生產，型號為DFP-240000／500，變壓器采用ODAF冷卻方式，即強迫導向油循環(huán)風冷。主變相數(shù)為單相，連接組別為YNd11，電壓組合為風冷設備為變壓器廠配套提供，裝置自投運后運行穩(wěn)定。

2022年1月16日集控室大屏報警“1號機主變風冷電源1故障”，繼保人員立即趕至現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)A相／B相／C相風扇電源控制轉換開關均選擇在交流電源1，而A相／B相／C相冷卻器控制電源均運行在交流電源2，即分相控制柜內KMS1接觸器未動作，KMS2接觸器吸合。此外，分相控制柜內第一路電源監(jiān)視繼電器KV1報警，第二路電源監(jiān)視繼電器KV2運行正常。

針對A相／B相／C相冷卻器控制電源均運行在交流電源2，而電源控制轉換開關均選擇在交流電源1這一情況，可以判斷故障出現(xiàn)在分控制箱共用回路部分，進而根據(jù)系統(tǒng)接線檢查總控制柜，控制柜內有明顯焦糊味，但無空開跳閘，進一步檢查發(fā)現(xiàn)主電源I進線電壓正常，出線電壓B相對地異常，對應B相出線電纜外皮焦糊，如圖4所示。

圖4 主變總控制柜內主電源I B相出線電纜外皮焦糊

對該空開進行拆解發(fā)現(xiàn)，開關內部過熱嚴重，已變色，且空開合閘后，B相阻值為無窮大。相較之下，A相和C相與B相連接處也存在過熱痕跡，但A相和C相在空開合閘時，阻值為0.3Ω，如圖5和圖6所示。至此，可以明確判斷本次主變風冷電源故障原因為主變總控制柜內主電源I空開因發(fā)熱損壞導致B相電源缺相，進而致使分控箱內交流電源1監(jiān)視繼電器返回，遂主變冷卻器均切至交流電源2供電。

圖5 主變總控制柜內主電源I新舊空開解體后正面照片比對

圖6 主變總控制柜內主電源I新舊空開解體后出線側照片比對

從本次事件可以看出，主變風冷回路接線越復雜，存在的故障點可能越多，本次事件中主變是分相的，導致總控制箱的存在，接線變得更為復雜，本次事件的原因也正是由于總控制箱內的設備及接線異常導致的。

2.2 主變風冷控制系統(tǒng)優(yōu)化

針對風冷回路故障事件的深入隱患排查，也為了設備的本質安全考慮，決定對廠家典型設計中主變冷卻器全停回路及冷卻器電源回路進行優(yōu)化。

（1）主變冷卻器全停回路

主變冷卻器全停回路廠家典型設計為在主變分控制箱內由繼電器搭接實現(xiàn)，具體邏輯為檢測到主變冷卻器兩路電源均失去，而且在主變油溫未達到75℃時，冷卻器全停時間達到60min，或者，在主變油溫達到75℃時，冷卻器全停時間達到20min時，主變冷卻器全停跳閘啟動回路接通，送至發(fā)變組保護動作于跳閘。此設計的最終出口跳閘回路是由多個繼電器、節(jié)點搭接組成的，可靠性不高，而且引至發(fā)變組的跳閘回路是單點邏輯，且無延時，存在電纜故障或干擾等引起的誤動作情況，綜上考慮，決定將冷卻器延時改至發(fā)變組保護實現(xiàn)，實現(xiàn)方式為將主變冷卻器全停瞬動節(jié)點和主變油溫節(jié)點均引至發(fā)變組保護，具體邏輯為主變分控制箱檢測到主變冷卻器兩路電源均失去，立即發(fā)出報警信號，并上送至DCS，此外，也送至發(fā)變組保護啟動冷卻器全停延時，大大提高設備可靠性，如圖7所示。

圖7 主變冷卻器全停邏輯

（2）主變冷卻器電源回路

主變冷卻器電源回路廠家典型設計為6組冷卻器動力電源取自同一切換后電源，控制電源取自動力電源切換后經(jīng)隔離變轉換電源。如果控制電源所用隔離變故障或總控制回路出現(xiàn)接觸不良的異常，均會對所有冷卻器造成影響，直接結果是所有接觸器失電，冷卻器全停故障；如果某一動力電源回路出現(xiàn)電纜故障異常，會造成主電源失電，即使電源切換回路切換正常，切至備用電源供電后，因電纜故障異常依然存在，會再次造成備用電源失去，結果依然是冷卻器全停故障。

針對此隱患，將兩組動力電源間設置保護型空開，每三組冷卻器經(jīng)空開隔離，冷卻器控制電源取自該組冷卻器動力電源，這樣就徹底解決了上述隱患，可以看出，如果控制電源出現(xiàn)異常，僅僅影響該組冷卻器正常運行，其他冷卻器完全不受影響；如果任一組冷卻器動力電源回路出現(xiàn)電纜故障，會造成連接與保護型空開同側的冷卻器跳閘，但另一側的三組冷卻器仍可正常運行，不影響主設備的正常運行，如圖8所示。

圖8 主變冷卻器優(yōu)化設計控制回路

3 結束語

主變壓器廠家不同，配套設置的冷卻器全停及電源回路實現(xiàn)方式會有所不同，但總的原則類同，考慮到運維的安全可靠性，盡量減少回路的復雜程度，降低單點保護的設置，關注設備及元器件的質量。此外，定期進行紅外成像工作，也能大大降低故障的發(fā)生概率，比如，前文中舉例的主變冷卻器故障案例，如果運維人員加強平時的紅外成像檢測工作，及時發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象，及時處理，也可避免本次事件的發(fā)生。主變冷卻器全停后果嚴重，降低主變冷卻器全停誤動事件的發(fā)生也尤為重要，本文的主變冷卻器全停及電源回路優(yōu)化改造對其他機組具有推廣意義。