某電廠主變冷卻器控制模式優化

羅金嵩，李光耀，李 琛，周雨童

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某電廠主變壓器冷卻方式采用強迫油循環水冷方式，每臺主變配置6 臺強油循環水冷卻器。主變冷卻器的布置: 由于主變壓器低壓側電流大、頂部油溫高，因此是從主變油箱低壓側處引出兩根出油管進入主變冷卻器，而高壓側的底部油溫最低，因此從冷卻器出來的冷油便通過兩根回油管導入高壓側底部。主變冷卻器的強迫油循環泵安裝在冷卻器進油口處，冷卻器的冷卻水正向進口電動閥（簡稱水閥）裝設在冷卻器的上方。

冷卻器采用防堵型雙重管變壓器冷卻裝置。冷卻器采用雙層管，內層管流水，外層管通油。該冷卻器水流具有雙流向功能，上下布置2 個水箱。冷卻器能承受水壓力試驗為1.2 MPa，持續時間30 min；左岸電站供給變壓器冷卻器的水源是從機組壓力鋼管取上游水庫的水，通過濾水器和減壓閥供給變壓器水冷卻器。主變冷卻器原開啟模式為先打開外部技術供水為冷卻器水箱沖水，再開啟主變冷卻器運行。此開啟順序由于存在水錘效應，會導致水箱承受過大的水壓，長期如此會導致水箱焊縫受損，存在爆裂風險。

1 某廠主變冷卻器故障分析

1.1 冷卻器水箱故障漏水現象及分析

某廠主變壓器為西門子（保變）生產，冷卻器為德國GEA 生產，冷卻器水最大工作壓力1.6 MPa，變壓器運行中發現變壓器下端水箱裂縫漏水，裂縫長度幾乎貫穿整個水箱（水箱長度4.5 m）。

圖1 水箱焊縫開裂現場照片

主變冷卻器依靠水閥連通上下兩個水箱，原冷卻器的開啟流程為先開啟技術供水為冷卻器水箱充水，再打開冷卻器運行，冷卻器運行后，油泵開啟運行的同時，水閥打開到全開位置。在技術供水為冷卻器水箱充水的瞬間，壓力值陡增，根據監測，變壓器冷卻水壓力最高達到1.58 MPa，接近冷卻器水最大工作壓力1.6 MPa，為正常壓力10 倍（正常運行壓力0.13 MPa）。由于水箱為不銹鋼管，截面為方形，焊縫長等同于水箱長度，開機充水過程中水壓的波動對水箱焊縫產生了破壞性影響。

圖2 冷卻器開啟過程中主進水管壓力變化

1.2 原冷卻器啟動控制模式

主變冷卻器的控制為油泵與水閥聯動，水閥電機可雙向轉動。當開啟油泵后，油泵開啟接觸器K11 吸合，水閥開啟回路開始運行，當水閥開啟到位后，限位開關常閉接點斷開，電機停轉，限位開關常開接點閉合，水閥開啟信號燈回路閉合，顯示水閥開啟狀態。此時冷卻器水由于外部壓力存在，可進到水路中，油泵電機保持運行，使得油路中的熱油被冷卻。水閥的閉合控制同理。

圖3 改進前的主變冷卻器油泵水閥控制回路

1.3 主變冷卻器現有方式的優點分析

水閥與油泵聯動，符合現場運行實際需求，現場溫度低于40℃時，僅有3 組冷卻器油泵水閥開啟，另外3 組冷卻器水閥油泵處于關閉狀態，即僅在油泵開啟，有油循環的冷卻器中，流入冷卻水對油進行降溫，避免了水閥常開時水資源的浪費。聯動模式使得油路和水路始終保持同步性，使得油流、水流、油壓、水壓的狀態始終保持一致，方便現場運維人員發現缺陷以及異常現象。且聯動模式使得回路簡單、元器件數量少，降低了缺陷率。

變壓器主變冷卻器控制回路元器件連接多、接線復雜、維護工作量大，且易出現設計不足和功能缺陷。

該聯動模式已經在電站運行及推廣多年，冷卻器設備總體運行穩定可靠，貿然取消6 組冷卻器油泵水閥的聯動模式，不僅在回路設計、現場運維、設備故障率等方面存在諸多不確定性，而且對于PLC程序的設計提出巨大挑戰。原本冷卻器油泵的程序控制就受到啟停條件、循環輪換 、溫度啟動、故障啟動、冷卻器全停、遠方現地、自動/程控/手動、電源切換等邏輯的影響，現再加入6 組水閥的PLC 控制，會使得程序復雜程度出現幾何數級的增加，不利于現場運行對于自動化程度高、缺陷率低的需求。

故在后續的優化方案選擇上，盡量只考慮修改一組冷卻器的油泵水閥控制回路，且盡量減少對原PLC 程序的改動，在保持原有冷卻器控制模式不改動的基礎上，思考如何做到在冷卻器開啟前，保持一臺水閥的開啟；在冷卻器停運過程中，也保持一臺水閥的開啟，通過優化二次回路以及PLC 程序控制，使得水錘效應對冷卻器水箱的影響減到最小。

2 主變冷卻器控制模式優化方案

現優化主變冷卻器控制模式，通過取消油泵與水閥的聯動模式。考慮現場實際情況，來確保主變技術供水開啟前，以及主變冷卻器投入運行前，有一臺冷卻器的水閥在開啟狀態，聯通上下兩個水箱。在主變冷卻器停止運行后，以及主變技術供水關閉前，仍舊有一臺冷卻器的水閥在開啟狀態。且該水閥的開啟狀態，不影響6 組冷卻器的啟停條件、循環輪換 、溫度啟動、故障啟動、冷卻器全停、遠方現地、自動/程控/手動、電源切換模式。

2.1 二次控制回路優化

選擇1 號水閥作為常開水閥，來聯通上下2 個冷卻器水箱。對1 號水閥開啟與關閉回路進行修改，在回路加入水閥開啟與關閉的繼電器K47 的兩對接點，K47 繼電器為雙位置鎖存繼電器，開啟與關閉接點分別由PLC 輸出DO 脈沖進行控制。

S21 把手切現地控制模式后，K47 繼電器13-14接點被短接，K47 繼電器21-22 接點被斷開，該回路恢復到與舊控制回路相同的狀態，可以手動實現1 號油泵與水閥的開啟關閉操作。即該回路設計方案實現了冷卻器控制切現地后，1 號水閥開關控制模式與原模式一致。

圖4 改進后的1 號主變冷卻器油泵水閥控制回路

圖5 改進后新增主變冷卻器PLC 開出DO 回路

S21 把手切遠方控制模式會在下文結合PLC 程序修改進行分析。

2.2 PLC 控制程序優化

通過修改PLC 程序實現對水閥的開啟與關閉的控制，僅需增加一行程序即可實現上述需求的控制方式，使得1 號水閥作為常開水閥。DI_LQ2_PYX 至DI_LQ6_PYX 為2 號～6 號共5 臺冷卻器的油泵開啟接觸器的常開接點，TON 為延時輸出，TP為1 s 脈沖計時器。

圖6 冷卻器控制PLC 新增程序邏輯

2.2.1 冷卻器開停機過程分析

（1）正常運行時，遠方自動模式下，若1 號冷卻器處于運行狀態，1 號水閥打開。當主變冷卻器收到監控停運令后，所有正在運行的冷卻器油泵接觸器返回，油泵電機停運，油泵接觸器常開接點返回，左側與邏輯連通，右側上方1 號水閥遠方保護開令連通，輸出1 s 脈沖，K47 繼電器1 號水閥遠方保護開DO 勵磁，K47 的21-22 接點閉合，對照二次控制回路，1 號水閥關閉回路斷開，1 號水閥開啟回路接通，直至1 號水閥開啟到位。即1 號水閥能夠實現在冷卻器停運瞬間自動開啟，且保持在開啟狀態，直至下一次開機前。

（2）接上面的狀態，下一次開機時，1 號水閥保持在開啟狀態。遠方自動模式下，若1 號冷卻器為開啟的運行組之一，在2～6 號任意一臺冷卻器開啟后，左側與邏輯斷開，延時10 s 右側下方1 號水閥遠方自動控令連通，輸出1 s 脈沖，K47 繼電器1 號水閥遠方自動控DO 勵磁，K47 的13-14 接點閉合，對照二次控制回路，1 號水閥關閉與開啟回路與舊回路完全相同。即整個冷卻器開啟過程，1 號水閥保持開啟狀態，1 號水閥和油泵保持聯動開啟狀態。

（3）下一次開機時，1 號水閥保持在開啟狀態。遠方自動模式下，若1 號冷卻器為非運行組，在2～6號任意一臺冷卻器開啟后，左側與邏輯斷開，延時10 s 右側下方1 號水閥遠方自動控令連通，輸出1 s脈沖，K47 繼電器1 號水閥遠方自動控DO 勵磁，K47 的13-14 接點閉合，對照二次控制回路，1 號水閥關閉與開啟回路與舊回路完全相同。即整個冷卻器開啟過程，1 號水閥保持開啟狀態10 s，10 s 后其他冷卻器水閥已經開啟到位，之后1 號水閥和油泵保持聯動關閉狀態。

根據上述分析，正常運行時，遠方自動模式下，若1 號冷卻器處于停運狀態，1 號水閥會保持在關閉狀態。當主變冷卻器收到監控停運令后，所有正在運行的冷卻器油泵接觸器返回，油泵電機停運，油泵接觸器常開接點返回，左側與邏輯連通，右側上方1 號水閥開啟令連通，輸出1 s 脈沖，即1 號主變冷卻器的水閥在所有油泵停運瞬間會自動開啟，且在冷卻器完全停運后仍舊保持在開啟狀態，直至下一次開機前。

綜合上述分析，在冷卻器開停機的整個過程，均能保證6 組中有水閥處于開啟狀態。

2.2.2 其余運行工況分析

包括正常的操作與極端工況條件下對水閥控制模式的分析。

（1）冷卻器正常輪換：正常輪換過程中，2～6 號油泵總有處于運行的，K47 繼電器1 號水閥遠方自動控DO 勵磁，回路排除了K47 繼電器接點的影響，與原控制模式相同。

（2）交流電源切換過程：交流電源的切換會導致水閥電機回路短暫失電，但由于水閥控制回路的K47 繼電器為鎖存繼電器，故當電源恢復后，水閥仍舊維持失電前的模式。

（3）兩路直流消失：由于K47 繼電器為鎖存繼電器，該繼電器失電前狀態可以保持，若K47 繼電器1 號水閥遠方自動控DO 勵磁，則失電后水閥保持原開啟關閉狀態；若K47 繼電器1 號水閥遠方保護開DO 勵磁，則失電后1 號水閥開啟回路接通，1 號水閥關閉回路可靠斷開。

（4）全停故障恢復：全停故障發生后，由于所有油泵與水閥均失電，水閥均保持在失電前的狀態，在交流電源恢復后，隨著油泵電機的開啟，對應的水閥保持在開啟狀態。

（5）PLC 故障：此時為避免冷卻器出現全停，運行人員會將冷卻器控制模式切至現地，并手動開啟冷卻器，前文已分析現地模式下，與原控制模式完全相同。

3 優化后的效果

在主變冷卻器運行過程中，無論1 號冷卻器是否處于運行狀態，其控制模式與原模式相同，若1 號冷卻器為運行組，1 號油泵與水閥保持原聯動模式；若1 號冷卻器為非運行組，1 號油泵與水閥保持關閉狀態。故其溫度啟動、故障啟動、冷卻器全停、遠方現地、自動/程控/手動等模式也與原模式相同。

在主變冷卻器停運過程中，1 號水閥始終能保持開啟狀態。以最小的代價，相當好的解決了冷卻器充水期間的水錘效應。

冷卻器控制模式修改后，運行情況良好。

4 總結

綜上所述，在進行改動后，冷卻器啟停條件、循環輪換 、溫度啟動、故障啟動、冷卻器全停、遠方現地、自動/程控/手動、電源切換模式均與原模式保持一致。實現了開停機過程中，保證至少有1 臺水閥開啟，使冷卻器水路始終保持連通狀態，極大地削弱了水錘效應對水箱的沖擊，達到了優化設計方案的預期效果。