主變冷卻器二次回路安全可靠及經濟運行的措施

陸云峰

上海上電漕涇發電有限公司

0 引言

目前，大型變壓器的冷卻一般采用強迫油循環風冷方式，上海漕涇電廠2×1 000 MW機組的主變也不例外，其冷卻器控制柜具備了冷卻器雙電源自動切換回路、輔助及備用冷卻器自動啟動回路、冷卻器全停保護回路，以及冷卻器故障報警等回路。但在實際運行過程中發現該主變冷卻器二次回路仍有一系列問題，在安全可靠性方面存在隱患，故需采取有效改進和完善措施使上述問題得以解決，同時為使主變冷卻器能經濟節能運行，應對其運行方式進行優化調整。

1 從運行中發生的典型事例引入分析

某年3月14日18:00，當時2號機組負荷996 MW，運行監盤人員抄表時發現2號主變B相線圈溫度105℃及油溫76℃左右，有明顯上升現象且均已超過報警值，2號機組非電量保護畫面中2號主變線圈溫度高及油溫高均發出報警。當即派巡檢人員赴就地檢查，發現2號主變B相四組冷卻風扇全部停止工作，冷卻器就地控制柜內交流控制電源小開關QM1處于跳閘狀態，由此造成四組風扇的控制電源均失電。

經檢查，引起交流控制電源小開關QM1跳閘原因為第二組風扇電纜小線有接地短路現象。18:25運行人員切除故障回路風扇后將QM1小開關重新合閘，迅速恢復其它風扇的正常工作狀態。檢修人員對故障風扇回路進行檢查處理。

針對上述發生的主變冷卻器回路故障情況，電氣專業人員立刻展開分析，通過對變壓器冷卻器控制回路圖紙仔細查看及現場控制箱內電氣設備接線的核對，發現存在冷卻器全停保護在條件滿足時（油溫75℃且運行時間達20 min）未能動作以及DCS畫面缺少控制電源失電報警信號等一系列問題。

2 冷卻器全停保護作用及其回路分析與改進

2.1 冷卻器全停保護作用及其規定

目前，隨著變壓器容量不斷增大，保護變壓器的安全運行就顯得愈加重要。大型變壓器的冷卻一般采用強迫油循環風冷方式，以加強散熱，并且采用冷卻器全停保護動作啟動跳閘，使變壓器不發生過熱損害，防止由于溫度過高加快絕緣老化及絕緣油的劣化，從而影響變壓器使用壽命。上海漕涇電廠的1、2號主變也不例外，均由三臺保定天威生產的單相強迫油循環風冷無載調壓低損耗變壓器組成，每臺單相主變的額定容量為380 MVA，三相總容量達到1 140 MVA，故冷卻器全停保護作為主變的非電量保護有著重要的作用及意義。

依據DL/T572-2010《電力變壓器運行規程》規定，強迫油循環風冷方式的變壓器在運行中，當冷卻系統發生故障切除全部冷卻器時，在額定負載下允許運行時間不小于20 min。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1 h。

2.2 冷卻器全停保護回路分析

冷卻器控制柜采用保定天威卓創電工設備科技有限公司生產的XKWFP-35/4型產品，由兩路交流380 V電源供電。正常運行方式下，電源Ⅰ/電源Ⅱ切換開關SAM1切至電源Ⅰ位置，即電源Ⅰ作為工作電源，電源Ⅱ作為備用電源，并且雙電源能夠實行自動切換，即當工作電源故障時，能自動切換至備用電源供電，而當工作電源恢復后，又能自動切回到正常工作電源供電。KMM1與KMM2分別為電源Ⅰ及電源Ⅱ的交流接觸器，如圖1所示。

在兩路交流接觸器均失電斷開狀態時，KMM1與KMM2的常閉副接點串聯，一方面啟動“冷卻器全停延時跳閘”報警發信回路，如圖2所示。另一方面在該常閉副接點串聯回路后又再串聯了KT6及KT7時間繼電器的并聯回路，一旦接通，同時啟動如下兩個回路：KT6延時20 min閉合，并且當油面溫度達到75℃時，經冷卻器全停保護切換開關SAM3的“投入”位置接點1、2啟動保護動作出口中間繼電器K11，K11常開接點閉合后接通變壓器非電量保護屏中的冷卻器全停保護跳閘回路；KT7延時60 min閉合，也經冷卻器全停保護切換開關SAM3的“投入”位置接點1、2啟動保護動作出口中間繼電器K11，同樣在K11常開接點閉合后接通變壓器非電量保護屏中的冷卻器全停保護跳閘回路，如圖3所示。

圖3 冷卻器全停延時跳閘回路

由以上二次回路分析后得知，在3月14日冷卻器全停的事例中，由于冷卻器控制柜兩路交流進線電源并未失去，故該控制回路不發“冷卻器全停延時跳閘”報警信號及未啟動保護跳閘應屬正常。但是，通過此現象，該控制回路存在的問題也完全暴露出來。盡管兩路交流進線電源未失去，但因交流控制電源小開關QM1故障跳閘，導致了整個冷卻器控制回路失電，最終結果還是造成了冷卻器全停的發生，這時理應啟動冷卻器全停保護回路，在動作條件滿足后使主變跳閘，以保護變壓器不致過熱損害。

同時，經現場查看，發現保護動作出口中間繼電器K11布置在冷卻器控制柜的背面柜內最上層一排右側，采用西門子產品，型號為3TH42。在未通電狀態時，該繼電器接點聯動滑塊向外彈出，凸出繼電器裝置表面，而在通電狀態時向內吸持。因控制柜內結構緊湊，空間較小，運行或檢修人員現場檢查或維護時，易發生誤碰K11向外凸出的接點聯動滑塊，使K11常開接點人為造成閉合，故存在觸發冷卻器全停保護動作的隱患。

2.3 冷卻器全停保護控制回路的改進

根據以上問題分析，對冷卻器全停保護控制回路采取如下改進措施：

增加第一組至第四組冷卻器的交流接觸器KM1～KM4的常閉副接點并構成串聯回路，將此回路與原KMM1與KMM2常閉副接點串聯回路進行并聯。正常運行時，只要有一組冷卻器處于運轉狀態，該回路就斷開，而一旦發生四組冷卻器均停止運行（由于冷卻器本身故障或交流控制電源小開關QM1故障跳閘引起），也能啟動冷卻器全停保護回路。

同時，為增加K11保護動作出口中間繼電器的安全可靠，防止人員誤碰引起誤動作，決定增加一個中間繼電器K11-1（型號同K11），與原K11繼電器進行并聯，使二者能同時啟動。在原K11保護動作常開接點后再增加串聯了K11-1常開副接點。因此，只有當K11與K11-1兩副常開接點均動作閉合，才能啟動冷卻器全停保護跳閘回路并發出相應跳閘信號，從而確保了保護動作的可靠性、安全性。

以上控制回路的改進如圖4所示。

3 冷卻器系統報警信號回路的分析及改進

3.1 冷卻器系統報警信號內容

1）輔助冷卻器投入：當主變壓器頂層油溫達到60℃；或者主變高壓側負荷電流達到額定電流的70%（約880 A）時，輔助冷卻器自動投入。

2）備用冷卻器投入：當工作及輔助冷卻器發生故障時，備用冷卻器自動投入。

3）備用冷卻器投入后故障：當備用冷卻器投入運行后又出現故障停運。

4）加熱及交直流控制電源監視：冷卻器柜內加熱回路電源或交直流控制電源小開關跳閘時報警。

5）電源Ⅰ故障：當電源Ⅰ失電或交流接觸器KMM1故障斷開時報警。

6）電源Ⅱ故障：當電源Ⅱ失電或交流接觸器KMM2故障斷開時報警。

7）冷卻器全停延時跳閘：兩路交流進線電源失去使交流接觸器均斷開時報警。

圖4 改進后的冷卻器全停保護跳閘回路圖

3.2 冷卻器系統報警信號回路的分析及存在的問題

如上所述，由于“冷卻器全停延時跳閘”報警信號只通過兩路交流接觸器KMM1和KMM2的常閉接點串聯后觸發，當發生冷卻器因本身故障全部停運，將不會發出該報警信號，顯然存在不足之處，故需同時對此信號報警回路進行改進。

此外，反映上述報警信號內容主要通過就地控制柜內光字牌及DCS畫面上報警信號顯示兩種形式。一旦發生上述第1～第6條報警，在主變冷卻器就地控制柜內正面屏上都能通過光字牌顯示出來，便于運行人員在巡回檢查時能及時發現冷卻器回路故障及異常情況。但遠傳至集控室DCS報警畫面上的只有“冷卻器全停延時跳閘”報警信號，而其它冷卻器回路故障信號均無顯示。經現場檢查，發現冷卻器柜內各報警信號雖已遠傳至DCS接口端子，但并未將這些信號I/O點接入，完成報警畫面的組態。這就不利于運行監盤人員及時發現設備缺陷，以及對異常情況的全面分析、處理。

3月14日發生的事例中，導致冷卻風扇全停的首出原因是冷卻器交流控制電源小開關QM1因其中一組風扇回路電源小線接地短路而引發跳閘，最終使四組冷卻器均失去了控制電源而停運。如該故障信號能及時遠傳至DCS畫面報警，集控室監盤值班員就能及時發現報警信息，可迅速派人去現場檢查，盡早查找故障原因，盡快處理缺陷，也就不至于因冷卻器全停造成變壓器溫度不斷升高的后果，從而影響變壓器的安全運行。

3.3 冷卻器報警信號回路的改進

通過以上分析，針對實際發生的問題，冷卻器信號報警回路進行如下改進：

1）增加第一組至第四組冷卻器的交流接觸器KM1～KM4的常閉副接點并構成串聯回路，并與原KMM1與KMM2常閉副接點串聯回路并聯，以構成“冷卻器全停延時跳閘”報警信號回路，并通過柜內接線端子遠傳至集控室DCS畫面報警，如圖5所示。

圖5 改進后的冷卻器全停延時跳閘報警回路

2）對主變冷卻器回路相關報警信號進行梳理，編制成詳細的報警信號清單，交由熱控人員組態，在集控室DCS監視畫面上新增主變冷卻器回路報警子畫面，將“輔助冷卻器投入”“備用冷卻器投入”“備用冷卻器投入后故障”“加熱及交直流控制電源監視”“電源Ⅰ故障”“電源Ⅱ故障”等報警內容均增加至該畫面，如圖6所示。

圖6 新增變壓器冷卻器回路報警子畫面

一旦以上子畫面報警信號發出，能同時啟動電氣一級總報警畫面，“MT/HVT ABN”（主變/廠高變異常）報警窗由灰色變成紅色并閃動，發出音響進行報警，提醒運行監盤人員及時發現異常情況，以利于盡快消除設備缺陷，如圖7所示（最下面一排報警窗）。

圖7 電氣一級總報警畫面

4 主變冷卻器運行方式優化調整措施及其節能效果

4.1 冷卻器系統設備配置情況

主變的三臺單相變壓器采用ODAF(強迫油循環風冷)冷卻方式，每相主變有四組冷卻器，每組冷卻器配置一臺油泵（功率3 kW）、三臺風扇(功率2 kW/臺)。

4.2 調整前主變冷卻器運行方式

當主變投入運行時，每相主變冷卻器均設定為兩組工作、一組輔助、一組停用。

4.3 主變冷卻器在主變不同運行方式下運行工況分析

發變組正常運行時，以發電機1 000 MW滿負荷運行時為例，主變高壓側負荷電流約1 060 A，油溫和繞組溫度在環境溫度30℃時分別達到60℃和76℃左右，輔助冷卻器因主變高壓側負荷電流或油溫滿足啟動條件而自動投入，此時3組冷卻器投運就能滿足主變滿負荷連續運行要求。

發電機組停運后，發電機出口斷路器分閘，主變僅帶廠用電輕載運行，主變高壓側負荷電流降至15 A以內，油溫及繞組溫度一般情況下均在50℃以下，故在此情況下一組冷卻器投入工作就能滿足主變的安全運行，同時考慮在環境溫度高等影響條件下，可通過一組輔助冷卻器在滿足啟動條件時的自動投入，進一步加強冷卻。

4.4 對主變冷卻器系統運行方式采取如下優化調整措施

1）發電機停運，主變僅帶廠用電運行時，運行人員在發電機改冷備用后及時采取調整措施：停用其中1組工作冷卻器，主變冷卻器系統運行方式從“2組工作、1組輔助、1組備用”改為“1組工作、1組輔助、1組備用、1組停用”，并做好相應記錄。同時要求運行人員加強主變油溫、繞組溫度、輔助冷卻器啟動情況的監視，以便發生異常情況時能及時處理。

2）發電機恢復并網運行前，運行人員在發電機改熱備用后將主變冷卻器系統運行方式從“1組工作、1組輔助、1組備用、1組停用”恢復至“2組工作、1組輔助、1組備用”，滿足主變在正常運行工況下的冷卻要求。

4.5 主變冷卻器系統運行方式調整后節能效果分析

通過上述發電機組停運前后主變冷卻器系統運行方式對比，調整措施后的冷卻器系統運行方式較調整前能少投用1組冷卻器，而1組冷卻器包括一臺油泵（功率3 kW）和三臺風扇(功率6 kW)，總功率為9 kW，以一天24 h計算，耗電量為216 kWh，即可節約216 kWh，以2020年1月至7月份2號機組調停時間為例，共62天時間（3月份調停24天、4月份7天、6月份19天、7月份12天），約可節省13 392 kWh。由于電網調控等原因，機組調停次數有逐步增多趨勢，故在保證主變安全運行的前提下，通過調整其冷卻器系統運行方式，起到節約電能作用，使其經濟運行。

5 結束語

主變冷卻器全停保護及報警信號二次回路存在問題的改進及完善，使主變冷卻器全停保護能正確可靠動作，并增強了冷卻器系統報警信號的及時性、全面性。同時，在主變不同運行工況下對其冷卻器系統運行方式采取優化調整措施，使上海漕涇電廠兩臺主變能更好地滿足安全、經濟運行的需要。