主变风冷控制系统故障的原因分析与改进

裴丽秋

（淮浙电力有限责任公司凤台发电分公司）

0 引言

大型变压器是发电厂的主设备，其能否安全运行，关系到机组的安危，在正常运行过程中，变压器的空载损耗和负载损耗会产生大量的热量，其产生的热量多少与负载有关，而且温升直接影响到变压器绝缘材料的寿命、机械强度及使用年限。为了变压器油温不超过主设备绝缘所允许的温度，保证变压器安全经济地运行，必须采取有效的冷却方式进行冷却。国内大型变压器多采用强迫油循环风冷方式，变压器由于热损失而被加热的变压器油，经油泵从变压器油箱上部导入冷却器冷却管内，再从下部经油泵压入变压器油箱内，热量在油流动时被空气带走，此种冷却方式将带走热量散发在空气中，最终满足变压器制造厂的相关指标要求，确保变压器的正常运行。根据《电力变压器运行规程》要求：强油循环冷却变压器运行时，必须投入冷却器。各种负载下投入冷却器的相应台数，应按制造厂的规定，温度和负载投切冷却器的自动装置应保持正常；强油循环风冷变压器，在运行中，当冷却系统发生故障切除全部冷却器时，变压器在额定负载下允许运行时间不小于20min。当油面温度尚未达到75℃，允许上升到75℃，但冷却器全停的最长运行时间不得超过1h。由此可见，变压器风冷回路正常与否关系到主变压器的安全稳定运行。

1 主变风冷系统

1.1 主变风冷系统组成

主变冷却器系统主要由冷却器本体、潜油泵、油流继电器、冷却器控制柜以及接线盒等组成。

1.2 主变风冷系统各部件作用

潜油泵将变压器本体中的热油强行抽离并输送至散热器进行冷却，再将冷却后的油输送回变压器本体，从而冷却变压器内部的绕组和铁心，它是马达和泵装配在一起的涡流泵，由于是连续运行的，具有重量轻、运行稳定和寿命长等优点。

油流继电器用于探测变压器油环流的流动状况。一般装备在与冷却器相连的管道上，通过控制继电器结构，能够防止油流量降低到下限以下。它具有防水性、抗震性等优点。

冷却器本体一般是镀锌翅片插在冷却管上，通过扩管机拉动圆锥形扩管头，使冷却器与翅片紧密结合在一起，保证良好的导热性，另外，在镀锌翅片上设置沟槽，提高了空气一侧的热传导率。

冷却器控制柜，也就是常说的风冷控制柜，主要根据油温、绕组温度，以及运行规程，手动或自动控制冷却器启停的回路，它的好坏，直接关系到主变能否安全稳定运行，所以是检修维护中的重点。

1.3 主变风冷控制回路

（1）电源回路

主变风冷控制回路有两路动力电源，取自于380V母线段，因某厂1号主变为单相配置，遂设计之初配有主变总控柜，在主变总控柜内将两路动力电源进行再分配，引至每相分控制箱，如图1所示。

图1 主变风冷总控制柜接线示意图

每相主变分控制箱均引接两路来自主变总控柜的动力电源，考虑到主变风冷的重要性，每一路动力电源均设置电压监视继电器，便于及时发现电源供电异常，如图2所示。

图2 主变风冷分控制箱接线示意图

图例说明：QF01／QF02：主变风冷总控柜交流电源1／2；QF011／QF021／QF031：A相／B相／C相分控制箱交流电源1；QF012／QF022／QF032：A相／B相／C相分控制箱交流电源2；KV1／KV2：分控制箱交流电源监视继电器1／2；KMS1／KMS2：分控制箱交流接触器1／2；SS：工作电源选取转换开关；K：主变停运连锁动作继电器；K1／K2：第一路／第二路电源监视继电器。

变压器投运前，将两组独立动力电源送电，主电源I、主电源II供电至主变总控制柜，进而经小母线供电至A相／B相／C相分控制箱，根据SS转换开关手柄放在选定的工作位置进行工作电源选取，主变风冷运行于其中一路电源。随着变压器投入电网运行，并网断路器动断辅助触点打开，K继电器线圈失磁，其动断触电闭合，使得KMS1线圈激磁，KMS1接触器主触头闭合，接通I电源。KMS2线圈由于KMS1动断触头打开而没有激磁，KMS2接触器主触头不能闭合，故不接通II电源。当I电源因电缆异常、上级开关故障、上级母线失压或任何一相断相等原因造成电压异常时，K1线圈断电，K1动合触点打开，KMS1主触头断开，动断辅助触点闭合，使得KMS2线圈得到激磁，KMS2接触器主触头闭合，接通II电源。若I电源电压恢复或断相线重新接通时，KMS1线圈重新激磁，其动合触点闭合，动断触点打开，KMS2线圈断电，主触头打开，恢复原来的状态。当SS转换开关手柄选取另一路为工作电源时，情况类同。即不论是总控制柜内主电源I、主电源II发生一路失电，还是A相／B相／C相分控制箱内交流电源1、交流电源2发生一路失电，风冷回路均会正常运行于第二路电源，而且会发出报警上送至DCS，提醒运维人员及时处理。

（2）控制回路

变压器投运前，将SC1-SCN转换开关，按照运行规程事先将手柄放在“工作”、 “辅助”或“备用”位置，将所有Q1-QN断路器合上。如选定1号冷却器为工作冷却器，这样只要变压器投入运行，选定的“工作”位置冷却器的控制油泵电机所需的KM1线圈和控制风扇电机的KM11线圈，分别通过热继电器的动断触点和SC转换开关触点激磁，使得KM1、KM11接触器的主触点闭合，油泵和风扇投入运行。油泵投入后，冷却器内变压器油开始流动，当流速达到一定值时，装在冷却器联管上的流动继电器，它的动合接点闭合，动断接点打开，表示冷却器已投入正常运行。当油泵或风扇电机发生故障时，KH1或KH11、KH12热继电器动作，造成KM1或KM11线圈断电，接触器的主触头打开，从而保护了电机。另外，接触器的辅助动断触点闭合，接通备用冷却器控制回路，经过延时KT2后，接通K5线圈，K5动合触点闭合，一对辅助触点启动备用冷却器回路，另一对辅助触点接通信号回路，发出冷却器故障信号，如图3所示。

图3 主变冷却器典型设计控制回路

当冷却器内油流速不正常，低于规定值时，流动继电器的动合触点打开，表示冷却器内部管路发生故障。K01动断触点，启动备用冷却器控制回路，考虑到启动油泵到油流速达到规定值需一段时间，为了避免刚启动油泵时，流动继电器动断触点来不及打开而启动备用冷却器，故KT2时间继电器整定时间一定要和流动继电器动断触点断开时间相配合。辅助冷却器在变压器刚投运时和负荷较低时，是不投入运行的。当变压器负荷增加，绕组温度随着增加，当温度达到规定值，K4线圈激磁，K4动合触点闭合，K3线圈激磁，K3动合触点闭合，使辅助冷却器投入运行。另外，当变压器顶层油温达到规定值以上，温度指示器PWI触点闭合，亦使K3线圈激磁，辅助冷却器亦投入运行。

备用冷却器在正常情况下，油泵和风扇是不投入运行的，仅在工作冷却器或辅助冷却器发生故障时，才会启动备用冷却器控制回路，使K5动合触点闭合，备用冷却器油泵和风扇投入运行。一旦发生故障的冷却器修好重新投入运行，因备用冷却器控制回路被切断，备用冷却器的油泵和风扇就退出运行。当备用冷却器投入运行后，若发生故障，经延时使K6线圈激磁，其动合触点闭合，发出故障信号。

2 某厂主变风冷控制系统故障分析及改进

2.1 主变风冷控制系统故障分析

某厂主变压器为常州东芝变压器有限公司生产，型号为DFP-240000／500，变压器采用ODAF冷却方式，即强迫导向油循环风冷。主变相数为单相，连接组别为YNd11，电压组合为风冷设备为变压器厂配套提供，装置自投运后运行稳定。

2022年1月16日集控室大屏报警“1号机主变风冷电源1故障”，继保人员立即赶至现场检查，发现A相／B相／C相风扇电源控制转换开关均选择在交流电源1，而A相／B相／C相冷却器控制电源均运行在交流电源2，即分相控制柜内KMS1接触器未动作，KMS2接触器吸合。此外，分相控制柜内第一路电源监视继电器KV1报警，第二路电源监视继电器KV2运行正常。

针对A相／B相／C相冷却器控制电源均运行在交流电源2，而电源控制转换开关均选择在交流电源1这一情况，可以判断故障出现在分控制箱共用回路部分，进而根据系统接线检查总控制柜，控制柜内有明显焦糊味，但无空开跳闸，进一步检查发现主电源I进线电压正常，出线电压B相对地异常，对应B相出线电缆外皮焦糊，如图4所示。

图4 主变总控制柜内主电源I B相出线电缆外皮焦糊

对该空开进行拆解发现，开关内部过热严重，已变色，且空开合闸后，B相阻值为无穷大。相较之下，A相和C相与B相连接处也存在过热痕迹，但A相和C相在空开合闸时，阻值为0.3Ω，如图5和图6所示。至此，可以明确判断本次主变风冷电源故障原因为主变总控制柜内主电源I空开因发热损坏导致B相电源缺相，进而致使分控箱内交流电源1监视继电器返回，遂主变冷却器均切至交流电源2供电。

图5 主变总控制柜内主电源I新旧空开解体后正面照片比对

图6 主变总控制柜内主电源I新旧空开解体后出线侧照片比对

从本次事件可以看出，主变风冷回路接线越复杂，存在的故障点可能越多，本次事件中主变是分相的，导致总控制箱的存在，接线变得更为复杂，本次事件的原因也正是由于总控制箱内的设备及接线异常导致的。

2.2 主变风冷控制系统优化

针对风冷回路故障事件的深入隐患排查，也为了设备的本质安全考虑，决定对厂家典型设计中主变冷却器全停回路及冷却器电源回路进行优化。

（1）主变冷却器全停回路

主变冷却器全停回路厂家典型设计为在主变分控制箱内由继电器搭接实现，具体逻辑为检测到主变冷却器两路电源均失去，而且在主变油温未达到75℃时，冷却器全停时间达到60min，或者，在主变油温达到75℃时，冷却器全停时间达到20min时，主变冷却器全停跳闸启动回路接通，送至发变组保护动作于跳闸。此设计的最终出口跳闸回路是由多个继电器、节点搭接组成的，可靠性不高，而且引至发变组的跳闸回路是单点逻辑，且无延时，存在电缆故障或干扰等引起的误动作情况，综上考虑，决定将冷却器延时改至发变组保护实现，实现方式为将主变冷却器全停瞬动节点和主变油温节点均引至发变组保护，具体逻辑为主变分控制箱检测到主变冷却器两路电源均失去，立即发出报警信号，并上送至DCS，此外，也送至发变组保护启动冷却器全停延时，大大提高设备可靠性，如图7所示。

图7 主变冷却器全停逻辑

（2）主变冷却器电源回路

主变冷却器电源回路厂家典型设计为6组冷却器动力电源取自同一切换后电源，控制电源取自动力电源切换后经隔离变转换电源。如果控制电源所用隔离变故障或总控制回路出现接触不良的异常，均会对所有冷却器造成影响，直接结果是所有接触器失电，冷却器全停故障；如果某一动力电源回路出现电缆故障异常，会造成主电源失电，即使电源切换回路切换正常，切至备用电源供电后，因电缆故障异常依然存在，会再次造成备用电源失去，结果依然是冷却器全停故障。

针对此隐患，将两组动力电源间设置保护型空开，每三组冷却器经空开隔离，冷却器控制电源取自该组冷却器动力电源，这样就彻底解决了上述隐患，可以看出，如果控制电源出现异常，仅仅影响该组冷却器正常运行，其他冷却器完全不受影响；如果任一组冷却器动力电源回路出现电缆故障，会造成连接与保护型空开同侧的冷却器跳闸，但另一侧的三组冷却器仍可正常运行，不影响主设备的正常运行，如图8所示。

图8 主变冷却器优化设计控制回路

3 结束语

主变压器厂家不同，配套设置的冷却器全停及电源回路实现方式会有所不同，但总的原则类同，考虑到运维的安全可靠性，尽量减少回路的复杂程度，降低单点保护的设置，关注设备及元器件的质量。此外，定期进行红外成像工作，也能大大降低故障的发生概率，比如，前文中举例的主变冷却器故障案例，如果运维人员加强平时的红外成像检测工作，及时发现异常发热现象，及时处理，也可避免本次事件的发生。主变冷却器全停后果严重，降低主变冷却器全停误动事件的发生也尤为重要，本文的主变冷却器全停及电源回路优化改造对其他机组具有推广意义。