秦山CANDU機組主變冷卻系統全停故障處理及優化研究

王里鵬

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦山CANDU 機組主變壓器由3 臺單相變壓器組成，型號PTH1761，生產廠家為通用電氣阿爾斯通公司，2000年生產，2002 年投運，主變的額定容量為3×277MVA，高壓側額定電壓為515kV，低壓側額定電壓為22kV；冷卻方式為強迫油循環、強迫風冷[1]。變壓器正常運行期間，若冷卻器失電，且期間無其他冷卻干預措施，將導致油溫上升到90℃的降功率溫度[2]。

根據圖1 主變冷卻系統控制圖可以看出，一旦控制變壓器T1 失電，將導致油泵及風扇接觸器線圈失電，繼而發生冷卻系統全停故障[3]。

圖1 主變冷卻系統控制圖Fig.1 Control diagram of main transformer cooling system

1 秦山CANDU機組主變冷卻系統故障實例

1.1 冷卻系統故障統計

2018 年到2019 年間，秦山CANDU 機組主變冷卻系統發生故障共計4 次：

1）2018 年7 月出現2# 主變B 相油泵電機開關PMCBA 非熱跳，導致油泵停運。

2）2019 年1 月出現2# 主變B 相油泵空氣開關PMCBB 熱跳，導致油泵停運。

3）2019 年8 月出現1#主變C 相風扇接觸器FMCA2及控制變壓器T1 故障，導致冷卻器全部停運。

4）2019 年8 月出現1#主變B 相風扇接觸器FMCB1及控制變壓器T1 故障和一次熔絲故障，導致冷卻器全部停運。

1.2 冷卻系統典型故障概述

由于故障類似，本文只針對最典型的第4 次冷卻系統全部停運故障展開論述：

1）2019 年8 月，運行人員在執行1#主變B 相就地控制屏進線開關主/備電源切換試驗時，切換后發現主變冷卻器B 列B1 風扇停運。

2）近1min 后，B1 接觸器冒煙，隨后控制變壓器T1（380/110V）冒煙，主變B 相6 臺風扇及2 臺油泵全部停運。

3）1#主變B 相油溫最高達到87℃，運行OM 手冊中規定如果油溫達到90℃，則開始降功率操作至停機，并切換機組外電源啟備變供電。

1.3 典型故障處理方案

由于冷卻器全部停運，并且油溫已接近停機值，經決策：

1）首先，安排消防人員對主變進行人工噴淋降溫。

2）在噴淋的同時，檢查就地控制屏內冷卻系統回路。

檢查發現：控制變壓器一次側熔絲FS3 熔斷，控制變壓器一次側線圈直流電阻異常，B1 風扇接觸器FMCB1 線圈直流電阻異常，具體故障點如圖2 所示。

圖2 故障檢查結果圖示Fig.2 Diagram of fault inspection results

為保證主變失去冷卻時間最短，決定分3 步執行：

1）在噴淋的同時在冷卻系統中接入110V 臨時電源，以恢復冷卻系統的臨時運行。

2）在線更換B1 故障風扇接觸器，恢復B1 風扇運行。

3）在線更換故障控制變壓器T1，恢復主變冷卻系統的正常運行。

1.4 典型故障處理過程

1.4.1 冷卻系統臨時供電措施

臨時供電措施分4 步進行：

1）拆除故障控制變壓器。

2）臨時電布線：為主變B相冷卻器控制回路提供110V 電源，接入點如圖3 所示。

3）臨時電送電。

4）臨時電送電后巡視。

1.4.2 在線更換故障接觸器FMCB1

由于環境溫度在30℃左右，此工作需在溫度較低的凌晨4:00 ～6:00 時間進行，準備消防人員待命，以備不測。由于接觸器線圈特殊的接線方式，此工作需分兩步進行：

1）零線跳線：斷開空氣開關FMCBB3，在接觸器FMCBB3 處進行零線跳線，接入點如圖4 所示。

圖4 接觸器線圈特殊的接線方式Fig.4 Special wiring method for contactor coil

圖5 故障樹Fig.5 Fault tree analysis

說明：若直接拆除故障接觸器B1 線圈，將導致B2、B3 線圈失電，繼而導致兩臺風扇停運。

2）拆除故障接觸器并安裝已校驗好的新接觸器。

1.4.3 在線更換故障控制變壓器

按照以下步驟可將主變失去冷卻時間控制在15min 以內，具體為兩個步驟：

1）拆除故障變壓器安裝已校驗好的新控制變壓器本體。

2）斷開冷卻系統動力電源對控制變壓器進行接線。

1.4.4 控制變壓器安裝后正式送電

送電順序如下：

1）檢查確認控制變壓器接線正確，在就地控制屏內的面板處安裝控制變壓器高壓側熔絲FS3（共2 個）。先合就地控制屏進線主電源開關ISL1，再合備用電源開關ISL2。

2）依次恢復就地控制屏內開關PMCBA、PMCBB、FMCBA1、FMCBA2、FMCBA3、FMCBB1、FMCBB2、FMCBB3。

1.5 秦山CANDU機組主變冷卻系統故障處理效果

2018 年故障處理后，未出現主變冷卻系統類似問題，保障了秦山CANDU 機組主變的安全穩定運行。

1.6 秦山CANDU機組主變冷卻系統故障原因分析

1.6.1 故障元件檢查

控制變壓器T1 一次側熔絲FS3 熔斷，二次側熔絲FS4完好：

① 故障控制變壓器（見圖6）T1 檢查：變壓器對地絕緣良好，變壓器出線端子無燒蝕痕跡，一次側線圈直阻為11.2Ω，二次側線圈直流電阻為5.2Ω；正常變壓器直阻（一次側85Ω、二次側5.2Ω）。

圖6 故障控制變壓器圖示Fig.6 Fault control transformer diagram

② 故障接觸器（見圖7）B1 檢查：接觸器線圈直流電阻為1.5Ω（正常值為137Ω），接觸器解體發現接觸器線圈已燒熔，線圈底座的塑料部件熔化變形。

圖7 故障接觸器檢查結果圖示Fig.7 Diagram of inspection results for faulty contactors

1.6.2 故障原因分析

根據1.6.1.故障元件檢查及故障樹：

① 故障控制變壓器一次側供電電源為MCC 母線，母線電壓波動范圍很小，并且兩路電源MCC 均未出現報警或跳閘。由此判定：控制變壓器一次側電壓未受到母線高電壓沖擊。

② 控制變壓器及接觸器自建廠以來無預維項目且長期處于最高75℃的高溫狀態，線圈絕緣漆存在老化現象。

③ 主/備電源切換時，8 個接觸器線圈短時失電并迅速得電（線圈吸合電流0.56A，保持電流67.4mA），使得控制變壓器二次側電流瞬時增大8 ～9 倍，一次側電流也相應增大8 ～9 倍，加快匝間絕緣老化。一次側匝間壓差升高，導致匝間短路的發生[4]。

④ 檢查故障控制變壓器線圈，一次每匝平均直阻為61mΩ、二次每匝線圈平均直阻12.51mΩ，可得：故障控制變壓器原有一次線圈匝數1393 匝，二次線圈匝數416 匝，符合變壓器變比。由于一次線圈匝間短路，一次側線圈降為184 匝（根據一次線圈故障直阻11.2Ω 可得）。此時，控制變壓器由降壓變壓器變為升壓變壓器。

⑤ 故障控制變壓器T1 一次側、二次側熔絲熔斷電流相同，一次側熔絲FS3 熔斷，二次側熔絲FS4 完好。若接觸器先發生短路故障，則控制變壓器二次側熔絲先熔斷，與事實不符，可判定：控制變壓器故障導致接觸器故障。

⑥ 控制變壓器二次側電壓升高，導致2 臺油泵和6 臺風扇供電接觸器線圈兩端電壓驟升，油泵及風扇的8 個接觸器存在個體差異，電壓升高導致B1 接觸器線圈匝間絕緣首先被部分擊穿并持續惡化，接觸器斷開，熱量在接觸器內累積，最終導致線圈燒熔。

⑦ 故障控制變壓器T1 一次側、二次側熔絲熔斷電流相同，由于控制變壓器由降壓變壓器變為升壓變壓器，一次側電流大于二次側電流，一次側熔絲FS3 先熔斷，電壓變化率瞬間劇增，二次側感應瞬時高電壓，接觸器線圈再次受到高壓電沖擊；然后，由于熔絲熔斷，油泵及風扇全部停運。

1.6.3 結論

控制變壓器及接觸器運行10 多年未更換，存在絕緣老化現象。在主備電源切換試驗時，控制變壓器二次側線圈受接觸器吸合電流沖擊，匝間電壓升高導致一次側匝間短路，造成二次側電壓升高；控制變壓器持續匝間短路，由降壓變壓器變為升壓變壓器。

控制變壓器一次側熱量聚集，發生冒煙；接觸器線圈承受高電壓持續匝間短路，熱量聚集，發生冒煙；一次側電流大于二次側電流，一次側熔絲先熔斷，接著控制變壓器失電，冷卻系統全部停運。

2 秦山CANDU機組主變冷卻系統性能優化研究

2.1 主變冷卻系統原有設計缺陷

◇ 主變原廠設計冷卻器只有AB 兩列，包括2 臺潛油泵和6 臺風扇，容量只能滿足正常運行要求，無備用冗余。極端情況下（夏天炎熱天氣、滿負荷條件下），一旦出現單列散熱器失效必將導致油溫短時上升至90℃。

◇ 主變就地控制屏位于高溫區域，用紅外成像觀察發現冷卻系統回路溫度在70℃左右，且靠近防火墻里側不利于散熱，電氣元件老化速度明顯比廠房內快，運行壽命短，故障概率高。

◇ 潛油泵和風扇的控制回路存在單點敏感部件（380V/110V 交流控制變壓器），失效即造成AB 列散熱器全停，油溫無法通過自然循環進行控制。

◇ 潛油泵和風扇的控制回路電源側故障無報警功能，無法及時發現故障。

◇ 潛油泵和風扇的動力和控制回路的電氣元件安裝方式不利于在線處理。

2.2 主變冷卻系統性能優化建議

◇ 冷卻系統擴容：在不對變壓器本體進行改造的前提下，整體更換散熱器（包括風機），提升散熱器的容量，降低變壓器正常運行時的油溫，延長散熱器故障后的干預時間，延長變壓器運行壽命[5]。

◇ 更改就地控制屏位置：整體更換主變就地控制屏并改變安裝位置，從主變低壓側防火墻內部移至封閉母線下方（常溫區域），距離原位置在2m 左右，可完全消除高溫環境對元器件的影響。

◇ 優化電路設計：保留動力回路雙電源切換的原設計，增加控制回路雙電源切換以及失效報警功能，消除SPV 單點敏感部件，避免主變散熱器全停的故障出現。

◇ 優化電路元器件安裝方式：更改就地控制屏內所有電氣元器件的安裝接線方式，便于故障元器件的在線處理。

2.3 主變冷卻系統性能優化實施具體思路

2.3.1 冷卻系統擴容

冷卻系統擴容通過提升散熱器的容量來實現，具體優化措施為：整體更換主變散熱器，沿用原潛油泵，增加油流繼電器，增加潛油泵隔離閥以便運行期間出現故障時可以應急更換；同時增加散熱片強度，以解決散熱片原有不能抽真空的設計缺陷。

潛油泵不變不會提升油流速度，從而避免增加油流帶電（在強迫油循環的大型電力變壓器中，由于變壓器油流過絕緣紙板的表面時，會發生油流帶靜電的現象，簡稱油流帶電）的影響，散熱器容量的提升范圍需滿足變壓器廠家的規定。

冷卻器的安裝方式不變，利用本體原支撐架，接口不變。由于冷卻器體積擴大，在安裝時需拆除主變周圍一部分消防噴淋的支管，冷卻器安裝完成后恢復即可。

就地控制屏和散熱器風機的更換有可能導致目前的400V MCC 進線開關（60A）容量不夠，需要更換為容量更大的開關，更換開關技術成熟可實施，具體是否需更換隨風機選型確定后確定。

2.3.2 更改主變就地控制屏位置

整體更換主變就地控制屏并改變安裝位置，從主變低壓側防火墻內部移至封閉母線下方（常溫區域）。由于位置改變，主變本體的所有部件至就地控制屏的接線需要全部更換。

就地控制屏改變安裝位置后靠近汽機廠房，所以送至主控的電流、報警、信號的原回路電纜不用改變，重新接線至新屏即可。

2.3.3 優化電路設計

就地控制屏內布線與現有的控制原理保持一致，為確保報警、保護、信號邏輯不改變，柜內元器件、端子排代號及接線位置需與現控制屏保持一致。

就地控制屏內的電氣元件安裝時需留有裕量，所有電氣元件的電源進線需采用母排供電，確保逐一替換元器件時不存在陪停、跳線等現象，增大器件之間的距離便于故障元器件的在線處理。

保留動力回路雙電源切換的原設計，增加控制回路雙電源切換以及失效報警功能，消除SPV 單點敏感部件，避免主變散熱器全停的故障出現。

3 結束語

本文對主變冷卻系統進行了詳細的介紹，包含主變冷卻系統的工作原理、冷卻系統實際發生故障時的外在表現以及相應的故障處理方法，重點對冷卻系統故障的原因進行了詳細分析，同時提出了該系統存在的設計缺陷：無備用冗余，存在單點敏感部件，電源側故障無報警功能，主變就地控制屏位于使電氣元件加速老化的高溫區域，電氣元件安裝方式不利于在線處理。針對設計缺陷給出了具體的優化措施，為同類型主變冷卻器類似問題提供了解決思路。