兩起水電廠主變壓器冷卻器故障引起機(jī)組非停的分析與改進(jìn)

陳啟萍

（貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州省貴陽市 550002）

0 引言

水電廠“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”模式是指[1]：機(jī)組開停、調(diào)相等工況轉(zhuǎn)換操作，機(jī)組有功功率、無功功率、主變壓器中性點(diǎn)接地開關(guān)、AGC和AVC投退調(diào)整以及一些重要量的監(jiān)視由設(shè)置的集中控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，水電站將運(yùn)行、檢修維護(hù)人員獨(dú)立工作方式，改變?yōu)檫\(yùn)行人員與維護(hù)人員合并上班，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維合一的運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)大倒班工作方式，每個(gè)班次或定期現(xiàn)場(chǎng)僅留少數(shù)設(shè)備巡檢維護(hù)人員，定期巡視、處理存在的問題，并滿足緊急事故處理要求的生產(chǎn)管控方式。

貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司（以下簡稱烏江公司）2013年初開始著手謀劃水電站“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”推進(jìn)工作，2015年4月洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營、烏江渡、構(gòu)皮灘、思林、沙沱和烏江支流清水河上的大花水、格里橋等9座水電站機(jī)組控制權(quán)全部移交集控中心，集控中心在幾百公里外的貴陽實(shí)現(xiàn)對(duì)電站機(jī)組的遠(yuǎn)程操控。

1 基本情況

事件一：2017年12月25日14時(shí)26分，某水電廠1因1號(hào)主變壓器冷卻器雙電源切換裝置故障，導(dǎo)致在400V自用廠用電倒換后主變壓器冷卻器全停超時(shí)動(dòng)作，甩負(fù)荷226MW，1號(hào)機(jī)組變非停。

事件二：2018年7月4日20時(shí)37分，某水電廠2因1號(hào)主變壓器冷卻器控制柜PLC 24V電源正極故障，導(dǎo)致該主變壓器冷卻器控制柜內(nèi)PLC電源空開跳閘，PLC停止運(yùn)行，主變壓器冷卻器全停，主變壓器溫度過高保護(hù)動(dòng)作，甩負(fù)荷70MW，1號(hào)機(jī)組變非停。

以上兩起事件反映出在“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”模式下，由于電廠不再長期有人在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)盤、操作等工作，水電廠變壓器過載及溫度過高時(shí)，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，將會(huì)造成機(jī)組非停，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成主變壓器損壞。需要研究制定防止變壓器非停的智能化手段，將水電廠主變壓器過載及溫度過高等異常工況交由軟件自動(dòng)判斷，并自動(dòng)執(zhí)行控制流程，同時(shí)完善提前預(yù)警功能，避免人員響應(yīng)不及時(shí)造成的主變壓器非停，甚至主變壓器損壞事故，以適應(yīng)新的管控模式的需要。

2 主變壓器冷卻器及其控制系統(tǒng)原理

主變壓器在運(yùn)行中由于銅損、鐵損的存在而發(fā)熱，它的溫升直接影響變壓器絕緣材料的壽命、機(jī)械強(qiáng)度、負(fù)荷能力及使用年限，主變壓器冷卻器是主變壓器的重要輔助設(shè)備之一，其作用就是降低變壓器中絕緣油的溫度，從而降低變壓器繞組和鐵芯的溫度，使主變壓器正常運(yùn)行。

主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)具有以下功能[2]：

（1）當(dāng)變壓器投入運(yùn)行時(shí)，能使相應(yīng)數(shù)量的工作冷卻器自動(dòng)投入運(yùn)行；在變壓器停止運(yùn)行時(shí)，能使冷卻器全部自動(dòng)停止運(yùn)行。

（2）當(dāng)運(yùn)行的變壓器頂層油溫（或繞組溫度）或負(fù)載電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，能使輔助冷卻器自動(dòng)投入運(yùn)行；當(dāng)運(yùn)行中的冷卻器發(fā)生故障時(shí)，能使備用冷卻器自動(dòng)投入運(yùn)行。

（3）當(dāng)冷卻器全停時(shí)，能使變壓器延時(shí)跳閘。

（4）主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)采用兩路獨(dú)立工作電源供電，可任選一路為工作電源，另一路為備用電源，當(dāng)一路出現(xiàn)故障時(shí)，另一路電源能自動(dòng)投入運(yùn)行。

（5）每組冷卻器的工作狀態(tài)分為：停止、工作、輔助、備用。在投入運(yùn)行前，應(yīng)根據(jù)具體情況來確定每組冷卻器的工作狀態(tài)。

（6）冷卻器控制回路設(shè)有邏輯保護(hù)功能。冷卻器系統(tǒng)在運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，能發(fā)出事故報(bào)警信號(hào)。

3 主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)存在問題分析

烏江公司九座水電廠44臺(tái)主變壓器，均采用油浸強(qiáng)迫循環(huán)水冷卻方式。主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)均采用PLC+手動(dòng)控制回路方式進(jìn)行控制，手動(dòng)控制回路與PLC相互獨(dú)立。除東風(fēng)1～3號(hào)主變壓器和烏江渡7臺(tái)主變壓器未設(shè)置繞組溫度測(cè)點(diǎn)外，所有主變壓器均設(shè)置有油溫和繞組溫度測(cè)點(diǎn)，并且計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能采集到主變壓器油溫和繞組溫度模擬量值。根據(jù)水電廠“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”模式需要，烏江公司組織對(duì)各水電廠主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)硬件配置、控制邏輯等進(jìn)行了分析和梳理，主要存在以下問題：

3.1 硬件部分

（1）動(dòng)力電源方面。烏江公司九座水電廠主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)動(dòng)力電源均取自兩段不同的廠用AC 400V電源，兩路AC 400V動(dòng)力電源經(jīng)自動(dòng)切換裝置（或接觸器）自動(dòng)切換后作為冷卻器工作電源，除大花水電站和格里橋水電站外，其他廠站對(duì)兩段動(dòng)力電源進(jìn)線均設(shè)有監(jiān)視繼電器。大花水電站和格里橋水電站易發(fā)生當(dāng)有一段動(dòng)力電源丟失時(shí)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

（2）PLC電源方面。PLC工作電源均為DC24V，東風(fēng)發(fā)電廠主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)采用一路AC220V（取自切換后的主電源）經(jīng)一塊開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后供電，PLC供電可靠性低；洪家渡發(fā)電廠、格里橋水電站、大花水電站采用兩路AC220V經(jīng)兩塊開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后并聯(lián)供電，無DC220V直流供電，不能保證PLC的可靠供電；其余電廠采用交直流兩路電源經(jīng)開關(guān)電源模塊轉(zhuǎn)換后并聯(lián)供電。

3.2 控制邏輯部分

（1）自動(dòng)控制邏輯方面。烏江渡發(fā)電廠一號(hào)廠（四臺(tái)主變壓器）和大花水電站在啟動(dòng)第3臺(tái)主變壓器冷卻器控制條件中，只判斷了主變壓器油溫，無“電流啟動(dòng)”條件，啟動(dòng)條件單一，不能保證冷卻器的可靠啟動(dòng)。

（2）單臺(tái)冷卻器故障判斷方面。東風(fēng)發(fā)電廠、烏江渡發(fā)電廠在判斷主變壓器冷卻器故障條件中，只判斷了油泵運(yùn)行后油流中斷，無“油泵運(yùn)行后水流中斷”條件。

（3）主變壓器冷卻器全停邏輯判斷方面。除東風(fēng)發(fā)電廠使用硬接點(diǎn)方式進(jìn)行判斷外，其余八家水電廠主變壓器冷卻器全停邏輯均在主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)PLC程序中進(jìn)行判斷后，再輸出到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)PLC故障后，主變壓器冷卻器全停信號(hào)將不能正常上送計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，存在較大的安全隱患。

（4）PLC故障信號(hào)方面。當(dāng)PLC模塊故障或停運(yùn)后，洪家渡等四家電廠因未在主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)PLC輸出中配置故障監(jiān)視繼電器，當(dāng)PLC模塊故障或停運(yùn)后，不能及時(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出PLC故障信號(hào)。

（5）PLC故障后冷卻器啟動(dòng)方面。主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)PLC故障后，除索風(fēng)營發(fā)電廠能通過PLC狀態(tài)監(jiān)視繼電器閉接點(diǎn)自動(dòng)啟動(dòng)兩臺(tái)冷卻器，烏江渡發(fā)電廠運(yùn)行的冷卻器能通過自保持回路繼續(xù)運(yùn)行外，其他廠站主變壓器冷卻器將會(huì)全停，需人員手動(dòng)啟動(dòng)，若反應(yīng)不及時(shí)，存在保護(hù)動(dòng)作停運(yùn)主變壓器甩機(jī)組負(fù)荷或損壞主變壓器的危險(xiǎn)。

（6）主變壓器溫度保護(hù)配置方面。七家水電廠未配置和投入主變壓器油溫升高降負(fù)荷保護(hù)，而在已投入主變壓器油溫升高降負(fù)荷動(dòng)作邏輯的兩個(gè)電廠中，東風(fēng)發(fā)電廠未退出機(jī)組AGC[3]就直接減負(fù)荷，烏江渡發(fā)電廠直接將負(fù)荷減至空載狀態(tài)。

（7）主變壓器冷卻器全停保護(hù)配置方面。烏江渡等四家未投入主變壓器冷卻器全停保護(hù)，不滿足DL/T 572—2010《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》[4]中3.1.6條規(guī)定：“無人值班的變電站內(nèi)安裝的強(qiáng)油循環(huán)冷卻的變壓器，應(yīng)有保證在冷卻系統(tǒng)失去電源時(shí)，變壓器溫度不超過規(guī)定值的可靠措施”的規(guī)定。洪家渡等五家水電廠雖投入了主變壓器冷卻器全停保護(hù)，但動(dòng)作邏輯均不滿足DL/T 572—2010中6.3.2條規(guī)定：“強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷和強(qiáng)油循環(huán)水冷變壓器，在運(yùn)行中，當(dāng)冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障切除全部冷卻器時(shí)，變壓器在額定負(fù)載下允許運(yùn)行時(shí)間不小于20min。當(dāng)油面溫度尚未達(dá)到75℃時(shí)，允許上升到75℃，但冷卻器全停的最長運(yùn)行時(shí)間不得超過1h。對(duì)于同時(shí)具有多種冷卻方式（ONAN、ONAF或OFAF），變壓器應(yīng)按照制造廠規(guī)定執(zhí)行。冷卻裝置部分故障時(shí)，變壓器的允許負(fù)載和運(yùn)行時(shí)間應(yīng)參考制造廠規(guī)定”。

4 主變壓器冷卻器控制回路改進(jìn)措施

綜合以上主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)暴露出來的問題，結(jié)合水電廠實(shí)際運(yùn)行使用經(jīng)驗(yàn)和“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”模式需求，對(duì)主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)提出如下改進(jìn)措施：

4.1 硬件部分

（1） 在兩段AC 400V動(dòng)力電源進(jìn)線端增加電源監(jiān)視繼電器，并將動(dòng)力電源監(jiān)視信號(hào)上送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以增加電源可靠性。

（2）PLC工作電源配置兩塊開關(guān)電源模塊，兩塊開關(guān)電源模塊輸入端分別取自一路AC 220V和一路DC 220V電源，實(shí)現(xiàn)PLC冗余供電。

4.2 控制邏輯部分

（1）在啟動(dòng)輔助冷卻器的條件中，增加電流啟動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)主變壓器油溫和電流任一達(dá)到啟動(dòng)值時(shí)，啟動(dòng)冷卻器。

（2）在判斷單臺(tái)主變壓器冷卻器故障條件中，除油流中斷外，增加“油泵運(yùn)行后水流中斷”條件（圖1為單臺(tái)冷卻器故障判斷基本邏輯示例，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增補(bǔ)完善）。

圖1 單臺(tái)冷卻器故障判斷基本邏輯圖Figure 1 Basic Logic Diagram of the Fault Judgment of Single Main transformer cooling controller

（3）主變壓器冷卻器全停信號(hào)采用硬接線判斷方式，使上送計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主變壓器冷卻器全停信號(hào)不受主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)PLC故障影響（圖2為主變壓器冷卻器全停信號(hào)動(dòng)作基本邏輯示例，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增補(bǔ)完善）。

圖2 主變壓器冷卻器全停信號(hào)動(dòng)作基本邏輯圖Figure 2 Basic Logic Diagram of Action of Full Stop Signal for the Main transformer cooling controller

（4）為保證主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)PLC模塊故障或停運(yùn)后，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)收到PLC故障信號(hào)，在PLC開出回路中增加一個(gè)監(jiān)視繼電器，繼電器常閉接點(diǎn)接入監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警[5]。PLC正常運(yùn)行中，繼電器動(dòng)作，當(dāng)PLC故障或停運(yùn)后，繼電器自動(dòng)復(fù)歸，其常閉接點(diǎn)接通報(bào)警。

（5）對(duì)主變壓器冷卻器控制回路進(jìn)行完善，保證PLC故障后，除正常報(bào)警外，還能通過PLC故障監(jiān)視繼電器接點(diǎn)自動(dòng)啟動(dòng)至少兩臺(tái)冷卻器或保持運(yùn)行中的冷卻器繼續(xù)正常運(yùn)行。

（6）配置并投入主變壓器油溫升高降負(fù)荷保護(hù)，避免現(xiàn)場(chǎng)不再長期有人進(jìn)行設(shè)備監(jiān)盤、操作等工作，因主變壓器油溫繼續(xù)升高引起機(jī)組非停事故（圖3為主變壓器油溫升高降負(fù)荷動(dòng)作基本邏輯示例，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增補(bǔ)完善。圖中油溫定值由電廠自定，該值應(yīng)高于啟冷卻器溫度值，并低于冷卻器全停超溫保護(hù)動(dòng)作的溫度值；機(jī)組有功定值、機(jī)組減負(fù)荷到多少，可由電廠結(jié)合試驗(yàn)情況自行確定，但建議不需直接將負(fù)荷減至零）。

圖3 主變壓器油溫升高降負(fù)荷動(dòng)作基本邏輯圖Figure 3 Basic Logic Diagram of the Load Reduction Action of the Temperature Elevation of the Main transformer Oil

（7）完善主變壓器冷卻器全停超溫保護(hù)動(dòng)作邏輯，并投入該保護(hù)（圖4為主變壓器冷卻器全停超溫保護(hù)動(dòng)作基本邏輯示例，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增補(bǔ)完善；圖中油溫定值由各廠站結(jié)合實(shí)際情況自行確定，但建議不超過DL/T 572—2010中6.3.2條規(guī)定的75℃）。

圖4 主變壓器冷卻器全停超溫保護(hù)動(dòng)作基本邏輯圖Figure 4 Basic Logic Diagram of Over-Temperature Protection Action for Full Stop of the Main transformer cooling controller

4.3 管理方面

（1）將主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)動(dòng)力電源切換加入定期試驗(yàn)計(jì)劃，定期（建議至少每3月/次）開展切換工作，保證主電源切換裝置的可靠運(yùn)行。

（2）建立和完善主變壓器冷卻器控制系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)急響應(yīng)方案，方案中應(yīng)明確在主變壓器冷卻全停、主變壓器溫度升高報(bào)警、主變壓器溫度過高動(dòng)作等異常情況下的應(yīng)急響應(yīng)措施。

5 結(jié)束語

水電廠中主變壓器冷卻器能夠控制主變壓器的溫度，使主變壓器能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)整個(gè)電廠正常供電十分重要。烏江公司九座水電廠按主變壓器冷卻器控制回路改進(jìn)措施加強(qiáng)硬件、控制邏輯和管理方面的各項(xiàng)措施后，至今再未發(fā)生因上述情況導(dǎo)致的主變壓器冷卻器保護(hù)誤動(dòng)情況。因此在水電廠“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”模式下，對(duì)主變壓器冷卻器電源可靠性、啟動(dòng)和故障控制邏輯、故障報(bào)警、主變壓器油溫升高降負(fù)荷和全停保護(hù)、定期試驗(yàn)等方面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行認(rèn)真的梳理和優(yōu)化是十分必要的，只有這樣才能夠使主變壓器冷卻器和主變壓器得到更好的運(yùn)行。