某電廠主變冷卻器控制柜技術優化改造

臺山核電合營有限公司 孫兆文 張 峰

主變壓器是發電廠里直接影響發電機組可用率的重要設備。在主變正常運行期間，變壓器內部的絕緣油在潛油泵的帶動下循環至散熱器，再通過冷卻風扇的吹掃冷卻。若主變冷卻設備（潛油泵、冷卻風扇）故障失效，變壓器油溫會迅速上升，最終導致主變停運，影響機組發電。主變冷卻器控制柜的作用是控制潛油泵、冷卻風扇的正常運行。某電廠的主變分A、B、C 相布置，每一相的主變均有一個單獨的冷卻器控制柜。

冷卻器控制柜左側主要是動力元器件，元器件不多、空間布置較松散，有利于元器件散熱；其右側主要是繼電器、接觸器、PLC 等控制元器件，由于元器件多且空間有限，元器件緊密布置，熱量容易積聚，疊加室外的日照、高溫影響，柜內運行溫度非常高，可達近80℃。

1 問題和根本原因分析

1.1 問題

某電廠主控觸發主變A 相油流故障報警，冷卻器第6組故障停運，第1/2/4/5組冷卻器運行，主變油溫48℃穩定。維修人員現場檢查發現第6組冷卻器接觸器故障燒毀，更換接觸器后冷卻器恢復正常運行。初步判斷故障原因為控制柜內溫度高導致接觸器過熱燒毀。此前主變冷卻器控制柜出現過此類故障，且機組正在滿功率運行，出于對機組可用率的考慮，未對冷卻器控制柜進行進一步檢查和處理。

2020年11月29日，一號機主控在21∶19發生主變A 相冷卻系統故障報警和主變A 相油流故障報警，一號機主變A 相冷卻風扇全部停運，現場檢查發現冷卻器控制柜中多組冷卻器油泵、風機的接觸器燒毀，現場緊急更換燒毀的接觸器并將冷卻器打到手動狀態后，冷卻器恢復正常運行。此次事件造成了機組發電功率的損失。

上述兩次故障表象均是冷卻器控制柜內接觸器故障導致冷卻器停運，接觸器故障后解體情況表現為主觸頭燒毀。

1.2 根本原因分析

1.2.1 接觸器主觸頭燒毀因素分析

接觸器是利用電磁力與彈簧彈力相配合的原理，實現主觸頭的接通和分斷功能。接觸器是控制裝置中常用的一種低壓控制元件。接觸器的主觸頭具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。一般情況下，主觸頭的電氣壽命可達200萬次，最大的帶負載操作頻率為600次/h。通常情況下，接觸器主觸頭燒毀可歸因于下述因素：主觸頭達到電氣使用壽命，整體電氣性能降低，最終導致燒毀；主觸頭持續流通電流大于額定值，長期處于過載狀態，最終導致主觸頭燒毀；主觸頭頻繁分合，分合操作瞬時電流一般是5～10額定電流，對主觸頭損害較大，頻繁操作會導致主觸頭燒毀。

1.2.2 接觸器主觸頭燒毀因素分析

上述冷卻器停運故障發生的直接原因是接觸器故障。接觸器的主要作用是控制冷卻風扇和油泵的啟停，一組冷卻器包含1臺潛油泵和3臺冷卻風扇。油泵電機的額定電流為11.5A（實測電流為8.2A），其上游接觸器額定電流18A，滿足設計配合要求。3臺冷卻風扇電機的額定電流均為6A（實測電流為5.2A），其上游接觸器額定電流9A，滿足設計要求的配合要求。由上述分析可知，接觸器選型合適，與下游電機相匹配。接觸器設計選型沒有問題。

1.2.3 故障現象分析

上述兩次冷卻器停運故障發生時僅接觸器燒毀，其他任何元器件未發生異常。接觸器上游的電機保護斷路器具有過載和速斷保護功能，經現場核定，冷卻器風機電機過載定值設定為8A（小于其接觸器額定電流9A），油泵電機過載定值設定為13A（小于其接觸器額定電流18A）。但故障發生時，接觸器上游電機保護斷路器過載和速斷保護均未動作。同時對油泵電機、風機電機進行檢查也未發現異常，證明電機正常運行，電流處于正常值，冷卻器本體無異常。由上述分析可知，冷卻器運行期間油泵、風機電機正常，接觸器的燒毀與電機運行電流無關。

1.2.4 接觸器可靠性分析

每組冷卻器的油泵電機上游接觸器型號是LC1—D18M7（施耐德產品）；冷卻風扇電機上游接觸器型號是LC1—D09M7（施耐德產品）。LC 系列接觸器是成熟的產品，應用范圍廣泛。經咨詢施耐德廠家，該系列接觸器電氣壽命為分合200萬次。廠家反饋該型號接觸器故障率極低，動作可靠，是一款及其成熟的產品。結合廠家反饋及其他基地應用情況咨詢，該系列繼電器較可靠。本次接觸器故障應不是產品質量問題導致。由上述分析可知，本次接觸器故障的原因基本可排除設計配置不合理、運行電流異常、產品不可靠的因素。僅剩接觸器主觸頭頻繁分合的故障原因未被排除。

1.2.5 接觸器主觸頭頻繁分合原因分析

造成接觸器主觸頭頻繁分合的可能原因有3個：接觸器線圈工作電壓不穩定；油流繼電器串入PLC控制回路的常閉接點頻繁抖動；PLC 輸出模塊異常。對以上三個原因分別進行分析：

接觸器線圈電壓為AC220V，如供電電壓不穩定，頻繁波動會造成接觸器銜鐵頻繁吸合，嚴重時發生觸頭拉弧燒壞接觸器；主變冷卻器控制柜的電源取自常規島Lk＊系統的400V 電源，為雙路供電，接觸器線圈電源取自雙路電源切換后的單相電，電源穩定。1#主變A 相故障發生時B 相、C相未見異常；從A 相第4組冷卻器運行狀態曲線來看，開始正常啟動，運行10min 后跳閘，未出現冷卻器頻繁啟停現象，說明接觸器線圈供電正常，可排除供電電壓不穩定造成冷卻器大面積停運的可能。

油流繼電器常閉接點串入PLC 輸入模塊：如果油流繼電器在油泵切換投運期間，內部擋板在油流作用下頻繁抖動，則會造成常閉接點來回分合，造成PLC 頻繁向油泵、風機發出起停指令信號，表現出接觸器頻繁分合造成拉弧，最終過熱直至燒損。主變冷卻器控制柜內油泵接觸器的輔助觸點通過PLC 的內模塊采集后通過CPU 邏輯處理，處理后通過DO 輸出卡驅動24V 繼電器，通過繼電器的干接點送往DCS。經出票對1#主變A 相油流相關節點錄波，發現4個接觸器有3個能看到電壓回彈情況，即油流動作后100ms 回彈，電壓從0V 升至24V，持續20ms 后恢復0V。

考慮回彈應是油流擋板到位后反彈一下造成的，且持續時間很短、沒有出現頻繁抖動的情況，24V電壓整體穩定。持續觀察現場油流繼電器流量穩定，無流量波動現象；由于PLC 邏輯中風冷器啟動指令為長指令，回路中串入了油流故障信號常閉觸點，但是這個油流故障信號在PLC 邏輯中油流消失有10s 延時，信號一旦觸發會進行自保持，僅在冷卻器進行手自動切換才消失。因此，可排除油流繼電器輸出信號頻繁閃發故障導致PLC 輸出異常的可能性排除。

PLC 輸出模塊故障：主變冷卻器控制柜通過PLC 控制接觸器的分合，進而實現冷卻器的啟停功能，上述兩次故障都是在PLC 執行冷卻器定期切換的過程中發生的，因此需對PLC 進行分析。從控制回路原理（圖1）可看出，PLC 的一個OUTPUTS（輸出）模塊控制著主變冷卻器的全部24個接觸器的線圈，若OUTPUTS（輸出）模塊的電源、公共端、接地等異常，則可能影響全部冷卻器的正常投運甚至導致全停。

1.3 分析結論

綜合上述分析，冷卻器全停故障直接原因是接觸器頻繁進行分合動作，根本原因是PLC 控制故障。另經調研和廠家反饋，PLC 模塊存在運行環境的要求高、故障影響范圍大、故障原因排查難、使用壽命短等缺點。因此從設備可靠性的角度出發，采用傳統繼電器搭接的冷卻器控制邏輯更為可靠。

2 改造方案

根據本次故障原因分析、日常運行缺陷反饋、其他基地冷卻器控制柜運行經驗等因素，對某電廠一期的冷卻器控制柜進行技術改進換型。在保證冷卻器控制柜原有功能不變的情況下，做出如下主要技術改進：

消除單一故障導致冷卻器全停的風險，取消冷卻器控制柜PLC 控制，通過電氣傳統元器件實現冷卻器的控制邏輯；為了防止因電壓繼電器故障導致控制柜雙電源主接觸器頻繁分合，將主接觸器控制回路改為自投不自復，兩路電源主接觸器之間增加電氣閉鎖，并增加主接觸器異常報警[1]；為了防止非重要元器件故障引發冷卻器停運，控制柜內照明、插座、加熱器電源獨立布置，與冷卻器動力、控制回路分開，采用不同的電源來源[2]；為了防止指示燈短路造成電源跳閘，指示燈回路設置單獨空開[3]。

為保證控制柜在自然散熱條件下可靠運行，增大控制柜尺寸、元器件、導線按大容量選型（動力線截面≥4mm2）、元器件分散布置（各元器件間距不小于9mm）；制柜增設空調，優化柜內元器件運行環境，防止過熱引起元器件老化或故障，保證控制柜長期穩定運行[2]；油泵、風機使用的熱繼電器定值邀請主變制造廠家進行重新核驗，給出定值范圍；在電壓繼電器的選型上，避開經驗反饋中質量較差的型號和品牌；取消負荷控制冷卻器啟停功能，優化輔助組冷卻器投用條件，并取消溫度計接點回差功能的使用，冷卻器啟停的控制采用兩對接點。

控制柜全部失電或冷卻器全停報警不設延時，不與變壓器溫度關聯；為了方便主控操縱員對報警的確認和響應，優化報警卡，每臺冷卻器單獨設立報警；優化冷卻器控制柜的安裝，優化朝向（面朝汽機廠房，避免長時間光照）并提高防臺風能力（柜體采用單向開門方式，背靠防火墻，底座、防火墻雙側固定）；優化了主變隔刀接點控制冷卻器停運的邏輯。

3 改造成果和推廣

改造成果：在電氣、儀控、土建等多個專業共同配合下，通過對安全和質量風險的提前識別和管控，改造團隊克服了風險高（涉及起重、動火、徒手搬運等高風險作業）、交叉作業嚴重、戶外作業受制于天氣條件等諸多困難，經歷近40天晝夜奮戰，完成了2400余根電纜線芯的拆接與核對、48個報警信號的修改、百余個回路的驗證、近百個功能試驗，圓滿完成了改造工作。隨著發電機組的并網，主變冷卻器投運一次成功。至今，改造后的冷卻器控制柜運行已有半年時間，整體運行情況良好：消除了冷卻器全停風險；未出現過任何異常或報警；日常巡檢進行紅外測溫顯示，冷卻器控制柜內接觸器運行溫度約50℃左右，與改造前相比有很大改善。

成果推廣：某電廠冷卻器控制柜改造的成果，是吸取了內外部主變冷卻器控制的教訓并凝聚了專家團隊的集體技術力量的結果。改造方案和取得的成效獲得集團專家的高度評價，并通過技術指令單的方式在集團各電廠基地進行推廣實施。截至目前，已有2個基地開始同樣的改造項目實施工作。

4 結語

主變冷卻器控制柜，在電力系統中是十分常見且相對比較成熟的產品。但是由于設備制造廠家與設備使用廠家是獨立的個體，現場的使用情況（特別是異常）難以反饋至制造廠家，致使制造廠生產的產品千篇一律，不能做到實時的優化和改進，導致控制柜的各種小缺陷一直無法得到有效解決；另外，由于運行環境不同，同一型號的冷卻器控制柜在不同地區的運行情況可能大相徑庭。

主變冷卻器控制柜對于主變正常運行十分重要，這就要求在主變冷卻器控制柜選型階段，選用適合現場運行環境的型號，同時在運行期間收集整理運行經驗反饋，將分散的缺陷在主變停運窗口消除掉，以免影響主變正常運行；同時希望制造廠家收集整理其產品在不同地方的使用反饋，積極進行產品的優化升級。本文使用的故障原因調查和技術改進優化方法，值得推廣和借鑒。