基于PLC控制的主變壓器水冷卻器故障分析及處理

何雙軍，梁紹泉

（山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司，山東省泰安市 271000）

基于PLC控制的主變壓器水冷卻器故障分析及處理

何雙軍，梁紹泉

（山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司，山東省泰安市 271000）

本文介紹了一起抽水蓄能電站主變壓器水冷卻器故障導致閉鎖機組其他工況啟動事件，通過對主變壓器水冷卻器PLC邏輯控制程序進行研究分析，及時完成故障處理。同時，結合現場設備運行的實際情況，對主變壓器水冷卻器PLC邏輯控制程序進行優化完善，有效解決了主變壓器冷卻器故障導致機組工況閉鎖問題，從而提高了機組設備運行的可靠性。

主變壓器；冷卻系統；故障；PLC；邏輯；程序

0 引言

山東泰山抽水蓄能電站位于山東省泰安市西約5km，處在泰山山脈西南麓，電站安裝4臺額定容量為250MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機組，4臺主變壓器采用SSP-300MVA/220KV型無載調壓油浸式變壓器，機組與主變壓器為一機一變的單元接線方式。電站在山東電網中承擔著調峰、填谷、調頻調相及電網緊急事故備用的作用，當系統需要時，機組具備快速響應調度命令并網能力。電站主變壓器冷卻系統原控制邏輯中，冷卻器故障導致主變壓器冷卻系統故障，相應機組閉鎖，若不能及時完成處理，相應機組不能啟動，對電網將造成較大備用容量的損失。

1 主變壓器冷卻系統簡介

電站變壓器油采用強迫導向油循環水冷卻方式，每臺主變壓器設置4臺水冷卻器。采用西門子S7-300系列可編程控制器，正常運行模式PLC控制柜方式選擇開關置“自動”由PLC程序自動切換，空負荷狀態下只有一臺冷卻器處于運行狀態。負荷時，主變壓器冷卻器有4種工作方式：

（1）方式1：1、2號冷卻器工作，3號冷卻器輔助，4號冷卻器備用。

（2）方式2：2、3號冷卻器工作，4號冷卻器輔助，1號冷卻器備用。

（3）方式3：3、4號冷卻器工作，1號冷卻器輔助，2號冷卻器備用。

（4）方式4：4、1號冷卻器工作，2號冷卻器輔助，3號冷卻器備用。

正常負荷狀況下只有兩臺冷卻器在工作狀態，若變壓器繞組溫度升高到75℃或負荷增大至70%，輔助冷卻器啟動，當繞組溫度降低至65℃或負荷減小至70%額定負荷以下時，輔助冷卻器退出運行；若工作冷卻器或輔助冷卻器故障，則啟動備用冷卻器。

當有一臺冷卻器發生故障，剩余3臺冷卻器運行仍能滿足機組滿負荷時正常運行要求。

2 故障現象及處理過程

2011年9月8日，19時7分省調令3號機組P工況啟動，19時12分監控系統報警欄出現3號主變壓器“MT cooler 3 ALARM”“MT cooling SYSTEM ALARM”報警信息，監控畫面顯示C冷卻器在開啟狀態，MT cooler 3 ALARM燈指示為黃色報警狀態，19時13分機組P工況并網，D冷卻器啟動，監控因主變壓器冷卻系統故障閉鎖該機組其他工況?，F地檢查C冷卻器指示為開啟狀態，但是流量計顯示無流量，冷卻系統控制盤顯示：C冷卻器水閥故障、C冷卻器水流量低報警。檢查3號主變壓器A、B、C、D冷卻器實際均在開啟狀態。

19時42分3號機組解列，機組穩態后仍閉鎖機組工況。20時6分現地復歸報警，機組恢復備用。

故障時，運行值班人員現地檢查C冷卻器實際已開啟并在全開位置。據此，維護消缺人員現地檢查主變冷卻系統控制柜各報警回路元器件，但均未發現異常，手動啟停C冷卻器試驗運行均未發現異常，分析報警信號可能是由某一元件瞬時故障引起。

根據主變壓器冷卻系統程序邏輯，分別對監控系統與現地控制柜上出現的故障報警信號進行分析。

首先監控系統報警分析如下：

圖1為冷卻系統故障報警“MT cooling system ALARM”邏輯程序圖。

圖1 冷卻系統故障報警

程序段59中Q13.2～Q13.5分別為4臺冷卻器故障信號，Q14.5為主變壓器冷卻系統故障輸出。信號分別送至繼電器KA22、計算機監控系統。

圖1程序邏輯為：任意一臺冷卻器出現故障時會觸發主變壓器冷卻系統故障報警。

當日監控系統上同時出現報警信號： “MT cooler 3 ALARM”“MT cooling SYSTEM ALARM”，可程序段59判斷為C冷卻器故障導致主變壓器冷卻系統故障，在監控系統程序中主變壓器冷卻系統故障閉鎖機組工況。

圖2為C冷卻器故障報警“MT cooler 3 ALARM”邏輯程序圖。

圖2 C冷卻器故障報警

程序段57輸出Q13.4為C冷卻器故障“MT cooler 3 ALARM”。信號分別送至繼電器KA11、計算機監控系統。以下任意一信號滿足觸發該報警：

M7.3：C冷卻器故障

M10.4：C冷卻器開/水流判斷

M10.5：C冷卻器開/油流判斷

M11.4：C冷卻器油泵關判斷

M11.5：C冷卻器水閥關判斷

現地控制柜報警信號分析：

“C冷卻器水流量低”報警邏輯程序如圖3所示。

Q17.2為C冷卻水流量低報警輸出，I5.7為C冷卻水流量正常信號，信號來源于C冷卻器水流計；I8.4為 C冷卻器水閥全開信號，信號來源于C電動水閥全開位置接點。

圖3 C冷卻水流量低報警

程序段82解析：當C冷卻器水閥全開時，延時（設定為8s）后水流量未達到運行設定值，輸出報警。

從現地檢查情況來看，控制柜出現“C冷卻器水流量低”報警，但控制柜上位置指示全開，而閥門本體實際也指示在全開位置，初步判斷為C冷卻器水流信號故障，冷卻器在開啟時水流量信號未滿足設定值而報警，原因可能為低流量報警接點仍在接通狀態。

“C冷卻水閥故障報警”邏輯程序如圖4所示。

圖4 C冷卻水閥故障報警

圖4 中Q16.2為C冷卻水閥故障報警邏輯輸出，信號輸出至現地報警燈。I1.2為C冷卻器水電動閥斷路器跳閘，信號來源于C水閥斷路器QFC輔助接點；I8.6為C冷卻器水電動閥故障，信號來源于C冷卻水電動閥本體故障；M10.4為C冷卻器開水流判斷（見圖5）；M11.5為C冷卻器水閥關判斷（見圖6）。

圖5 C冷卻器開水流判斷

圖6 C冷卻器水閥關判斷邏輯

I14.0為冷卻器自動控制，信號來源于控制轉換開關；Q12.4為C冷卻器啟動，信號送繼電器KA5-C冷卻器油泵起；I5.7為C冷卻水流量正常信號，信號來源于C冷卻器水流計；Q12.5：C冷卻器停止，由信號繼電器KA6動作控制。

圖5程序解析：自動控制方式下（I14.0），C冷卻器收到指令啟動（Q12.4），30s內沒有再收到關閉命令(Q12.5)，冷卻水流量(I5.7)未達到設定值時，M10.4輸出。

I8.5：C冷卻水電動閥全關，信號來源于C電動水閥全關位置接點。

程序段41解析：自動控制方式下（I14.0），C冷卻器收到指令停止（Q12.5）30s內沒有再收到開啟命令(Q12.4)條件下，當電動閥仍沒有到達全關位置(I8.5)時，M11.5輸出。

因在開機過程中出現故障，當時C冷卻器水電動閥門應該是在停止轉變為開啟狀態，M11.5應當沒有輸出（見圖6）。由水流量故障信號(I5.7)引起開水流判斷邏輯M10.4輸出。M10.4觸發“C冷卻水閥故障”報警Q16.2（見圖4）與C冷卻器故障報警“MT cooler 3 ALARM” Q13.4（見圖2）。而C冷卻器故障報警Q13.4觸發了主變壓器冷卻系統故障Q14.5“MT cooling SYSTEM ALARM”（見圖1）。

經以上分析可得出結論，3號主變壓器C流量開關動作不可靠引起冷卻系統故障并導致機組工況閉鎖。實際主變壓器運行時因設計有輔助及備用冷卻器，仍能滿足機組啟動及滿負荷運行時主變壓器冷卻要求。主變壓器冷卻系統程序段59（見圖1）中設計一臺冷卻器故障即導致機組閉鎖條件不合理。

3 處理過程

維護消缺人員對3號主變壓器故障流量開關進行更換處理，多次啟停試驗3號冷卻器，未發現異常。考慮到原有的該型流量開關投入運行已有一定年限，且其他主變壓器也存在因流量開關在運行中存在動作不穩定，主變壓器空負荷時出現誤報警導致冷卻器切換、觸發主變壓器冷卻系統總報警信號及機組運行時閉鎖機組其他工況等問題。在2011年底利用檢修間隙將其他3臺主變壓器冷卻器流量開關全部更換，并更改相關邏輯。

修改主變壓器冷卻系統故障邏輯程序段59報警邏輯條件，將原一臺冷卻器故障觸發冷卻系統故障更改為任意兩臺冷卻器故障時觸發主變壓器冷卻系統故障。修改后冷卻系統故障報警報警邏輯如圖7所示。

圖7 修改后冷卻系統故障報警報警邏輯

主變壓器單臺冷卻器故障報警程序段未做改動，因此當某一冷卻器有故障仍能正常發出報警信號至現地控制柜及監控系統，不影響值班運維人員對故障的發現及判斷。經過長時間運行，主變壓器一臺冷卻器引發的類似故障未出現。

但是在2012年4月14日上午11時左右，1號主變壓器空負荷運行時，監控出現1號主變壓器C冷卻器故障、B冷卻器故障、主變壓器冷卻系統故障，1號機組各種工況均被閉鎖。

現地查看1號主變壓器冷卻器控制柜顯示“B冷卻器流量低”“C冷卻器流量低”“空載水流量低”報警。檢查B、C冷卻器電動閥門均在開啟位置，流量開關指示無流量。經檢查確認1號主變壓器空負荷供水濾水器排污，導致實際水流量低（接近0bar），引起運行中的C冷卻器故障，由此聯動開啟備用冷卻器B，在B冷卻器開啟過程中，濾水器排污仍在進行（5min），流過B冷卻器的實際水流量仍低，因此B冷卻器也報出故障，兩臺冷卻器故障超過程序設定的延時時間后（延時為30s），同時發出報警，觸發1號主變壓器冷卻系統故障并送至監控系統，閉鎖機組工況。

對比監控系統上出現的報警信號結果與之前更改后的程序段59輸出結果一致，進一步驗證了程序更改后滿足實際要求，并且更換后的流量開關在水流異常時能正常動作。但需要解決由主變壓器空負荷供水濾水器排污時引起的冷卻器流量低報警問題。

通過分析相關程序，在充分考慮保證主變壓器安全運行的前提下，對相關時間定值做相應的優化，修改空負荷供水流量低報警條件，將空負荷供水總管水流低判斷時間由無延時設定為7min，躲過濾水器排污（5min）時間。

程序修改后，啟動1號空負荷泵濾水器排污試驗，直至濾水器結束，主變壓器冷卻系統相關報警及故障未出現，機組正常備用未閉鎖。

4 結束語

隨著電站機組設備投入運行年限的不斷增加，設備故障幾率也會相應增加，對陳舊且故障頻發元器件需要密切關注，并及時更新換型，選擇性能更穩定、可靠的產品既可減少維護成本，又能提高設備運行的穩定性。另外，在相關設備的故障分析處理過程中不斷摸索規律，總結經驗，發現設備設計缺陷或不合理的地方，根據設備實際運行情況進行優化改進，使設備運行達到最佳性能。

劉華波，何文雪，王雪.西門子S7-300/400編程與應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

何雙軍（1982—），男，電氣班班長，工程師，工學學士，主要從事大型抽水蓄能電站電氣一、二次設備檢修維護工作。E-mail: heshuang3276@163.com

梁紹泉（1985—），男，遼寧開原人，電氣班專責，助理工程師，主要從事大型抽水蓄能電站電氣一、二次設備檢修維護工作。

An Analysis of the Main Transformer’s Fault Watercooler based on PLC

HE Shuangjun，LIANG Shaoquan
（Shandong Taishan pumped storage power station Co. Ltd.,Taian 271000）

Introduced with pumping watercooler of main transformer station fault causes the latching unit other conditions start event energy storage，through to the main variable watercooler PLC logic control program of research and analysis，the timely completion of fault treatment.At the same time，based on the actual situation of the equipment operation，to optimize the main variable watercooler PLC logic control program，effectively solves the main transformer cooler fault causes the unit condition locking problems，thus improving the reliability of equipment operation unit.

the main transformer；cooling-system；fault；PLC；the program