两起水电厂主变压器冷却器故障引起机组非停的分析与改进

陈启萍

（贵州乌江水电开发有限责任公司，贵州省贵阳市 550002）

0 引言

水电厂“远程集控、少人维护”模式是指[1]：机组开停、调相等工况转换操作，机组有功功率、无功功率、主变压器中性点接地开关、AGC和AVC投退调整以及一些重要量的监视由设置的集中控制中心进行远程监控，水电站将运行、检修维护人员独立工作方式，改变为运行人员与维护人员合并上班，实现运维合一的运维人员现场大倒班工作方式，每个班次或定期现场仅留少数设备巡检维护人员，定期巡视、处理存在的问题，并满足紧急事故处理要求的生产管控方式。

贵州乌江水电开发有限责任公司（以下简称乌江公司）2013年初开始着手谋划水电站“远程集控、少人维护”推进工作，2015年4月洪家渡、东风、索风营、乌江渡、构皮滩、思林、沙沱和乌江支流清水河上的大花水、格里桥等9座水电站机组控制权全部移交集控中心，集控中心在几百公里外的贵阳实现对电站机组的远程操控。

1 基本情况

事件一：2017年12月25日14时26分，某水电厂1因1号主变压器冷却器双电源切换装置故障，导致在400V自用厂用电倒换后主变压器冷却器全停超时动作，甩负荷226MW，1号机组变非停。

事件二：2018年7月4日20时37分，某水电厂2因1号主变压器冷却器控制柜PLC 24V电源正极故障，导致该主变压器冷却器控制柜内PLC电源空开跳闸，PLC停止运行，主变压器冷却器全停，主变压器温度过高保护动作，甩负荷70MW，1号机组变非停。

以上两起事件反映出在“远程集控、少人维护”模式下，由于电厂不再长期有人在现场进行设备监盘、操作等工作，水电厂变压器过载及温度过高时，如不能及时发现并采取措施，将会造成机组非停，严重时会造成主变压器损坏。需要研究制定防止变压器非停的智能化手段，将水电厂主变压器过载及温度过高等异常工况交由软件自动判断，并自动执行控制流程，同时完善提前预警功能，避免人员响应不及时造成的主变压器非停，甚至主变压器损坏事故，以适应新的管控模式的需要。

2 主变压器冷却器及其控制系统原理

主变压器在运行中由于铜损、铁损的存在而发热，它的温升直接影响变压器绝缘材料的寿命、机械强度、负荷能力及使用年限，主变压器冷却器是主变压器的重要辅助设备之一，其作用就是降低变压器中绝缘油的温度，从而降低变压器绕组和铁芯的温度，使主变压器正常运行。

主变压器冷却器控制系统具有以下功能[2]：

（1）当变压器投入运行时，能使相应数量的工作冷却器自动投入运行；在变压器停止运行时，能使冷却器全部自动停止运行。

（2）当运行的变压器顶层油温（或绕组温度）或负载电流达到规定值时，能使辅助冷却器自动投入运行；当运行中的冷却器发生故障时，能使备用冷却器自动投入运行。

（3）当冷却器全停时，能使变压器延时跳闸。

（4）主变压器冷却器控制系统采用两路独立工作电源供电，可任选一路为工作电源，另一路为备用电源，当一路出现故障时，另一路电源能自动投入运行。

（5）每组冷却器的工作状态分为：停止、工作、辅助、备用。在投入运行前，应根据具体情况来确定每组冷却器的工作状态。

（6）冷却器控制回路设有逻辑保护功能。冷却器系统在运行发生故障时，能发出事故报警信号。

3 主变压器冷却器控制系统存在问题分析

乌江公司九座水电厂44台主变压器，均采用油浸强迫循环水冷却方式。主变压器冷却器控制系统均采用PLC+手动控制回路方式进行控制，手动控制回路与PLC相互独立。除东风1～3号主变压器和乌江渡7台主变压器未设置绕组温度测点外，所有主变压器均设置有油温和绕组温度测点，并且计算机监控系统能采集到主变压器油温和绕组温度模拟量值。根据水电厂“远程集控、少人维护”模式需要，乌江公司组织对各水电厂主变压器冷却器控制系统硬件配置、控制逻辑等进行了分析和梳理，主要存在以下问题：

3.1 硬件部分

（1）动力电源方面。乌江公司九座水电厂主变压器冷却器控制系统动力电源均取自两段不同的厂用AC 400V电源，两路AC 400V动力电源经自动切换装置（或接触器）自动切换后作为冷却器工作电源，除大花水电站和格里桥水电站外，其他厂站对两段动力电源进线均设有监视继电器。大花水电站和格里桥水电站易发生当有一段动力电源丢失时，不能及时发现问题。

（2）PLC电源方面。PLC工作电源均为DC24V，东风发电厂主变压器冷却器控制系统采用一路AC220V（取自切换后的主电源）经一块开关电源转换后供电，PLC供电可靠性低；洪家渡发电厂、格里桥水电站、大花水电站采用两路AC220V经两块开关电源转换后并联供电，无DC220V直流供电，不能保证PLC的可靠供电；其余电厂采用交直流两路电源经开关电源模块转换后并联供电。

3.2 控制逻辑部分

（1）自动控制逻辑方面。乌江渡发电厂一号厂（四台主变压器）和大花水电站在启动第3台主变压器冷却器控制条件中，只判断了主变压器油温，无“电流启动”条件，启动条件单一，不能保证冷却器的可靠启动。

（2）单台冷却器故障判断方面。东风发电厂、乌江渡发电厂在判断主变压器冷却器故障条件中，只判断了油泵运行后油流中断，无“油泵运行后水流中断”条件。

（3）主变压器冷却器全停逻辑判断方面。除东风发电厂使用硬接点方式进行判断外，其余八家水电厂主变压器冷却器全停逻辑均在主变压器冷却器控制系统PLC程序中进行判断后，再输出到计算机监控系统进行报警。当PLC故障后，主变压器冷却器全停信号将不能正常上送计算机监控系统，存在较大的安全隐患。

（4）PLC故障信号方面。当PLC模块故障或停运后，洪家渡等四家电厂因未在主变压器冷却器控制系统PLC输出中配置故障监视继电器，当PLC模块故障或停运后，不能及时计算机监控系统发出PLC故障信号。

（5）PLC故障后冷却器启动方面。主变压器冷却器控制系统PLC故障后，除索风营发电厂能通过PLC状态监视继电器闭接点自动启动两台冷却器，乌江渡发电厂运行的冷却器能通过自保持回路继续运行外，其他厂站主变压器冷却器将会全停，需人员手动启动，若反应不及时，存在保护动作停运主变压器甩机组负荷或损坏主变压器的危险。

（6）主变压器温度保护配置方面。七家水电厂未配置和投入主变压器油温升高降负荷保护，而在已投入主变压器油温升高降负荷动作逻辑的两个电厂中，东风发电厂未退出机组AGC[3]就直接减负荷，乌江渡发电厂直接将负荷减至空载状态。

（7）主变压器冷却器全停保护配置方面。乌江渡等四家未投入主变压器冷却器全停保护，不满足DL/T 572—2010《电力变压器运行规程》[4]中3.1.6条规定：“无人值班的变电站内安装的强油循环冷却的变压器，应有保证在冷却系统失去电源时，变压器温度不超过规定值的可靠措施”的规定。洪家渡等五家水电厂虽投入了主变压器冷却器全停保护，但动作逻辑均不满足DL/T 572—2010中6.3.2条规定：“强油循环风冷和强油循环水冷变压器，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℃时，允许上升到75℃，但冷却器全停的最长运行时间不得超过1h。对于同时具有多种冷却方式（ONAN、ONAF或OFAF），变压器应按照制造厂规定执行。冷却装置部分故障时，变压器的允许负载和运行时间应参考制造厂规定”。

4 主变压器冷却器控制回路改进措施

综合以上主变压器冷却器控制系统暴露出来的问题，结合水电厂实际运行使用经验和“远程集控、少人维护”模式需求，对主变压器冷却器控制系统提出如下改进措施：

4.1 硬件部分

（1） 在两段AC 400V动力电源进线端增加电源监视继电器，并将动力电源监视信号上送至计算机监控系统，以增加电源可靠性。

（2）PLC工作电源配置两块开关电源模块，两块开关电源模块输入端分别取自一路AC 220V和一路DC 220V电源，实现PLC冗余供电。

4.2 控制逻辑部分

（1）在启动辅助冷却器的条件中，增加电流启动条件，实现主变压器油温和电流任一达到启动值时，启动冷却器。

（2）在判断单台主变压器冷却器故障条件中，除油流中断外，增加“油泵运行后水流中断”条件（图1为单台冷却器故障判断基本逻辑示例，可根据实际情况进行增补完善）。

图1 单台冷却器故障判断基本逻辑图Figure 1 Basic Logic Diagram of the Fault Judgment of Single Main transformer cooling controller

（3）主变压器冷却器全停信号采用硬接线判断方式，使上送计算机监控系统的主变压器冷却器全停信号不受主变压器冷却器控制系统PLC故障影响（图2为主变压器冷却器全停信号动作基本逻辑示例，可根据实际情况进行增补完善）。

图2 主变压器冷却器全停信号动作基本逻辑图Figure 2 Basic Logic Diagram of Action of Full Stop Signal for the Main transformer cooling controller

（4）为保证主变压器冷却器控制系统PLC模块故障或停运后，计算机监控系统能及时收到PLC故障信号，在PLC开出回路中增加一个监视继电器，继电器常闭接点接入监控系统报警[5]。PLC正常运行中，继电器动作，当PLC故障或停运后，继电器自动复归，其常闭接点接通报警。

（5）对主变压器冷却器控制回路进行完善，保证PLC故障后，除正常报警外，还能通过PLC故障监视继电器接点自动启动至少两台冷却器或保持运行中的冷却器继续正常运行。

（6）配置并投入主变压器油温升高降负荷保护，避免现场不再长期有人进行设备监盘、操作等工作，因主变压器油温继续升高引起机组非停事故（图3为主变压器油温升高降负荷动作基本逻辑示例，可根据实际情况进行增补完善。图中油温定值由电厂自定，该值应高于启冷却器温度值，并低于冷却器全停超温保护动作的温度值；机组有功定值、机组减负荷到多少，可由电厂结合试验情况自行确定，但建议不需直接将负荷减至零）。

图3 主变压器油温升高降负荷动作基本逻辑图Figure 3 Basic Logic Diagram of the Load Reduction Action of the Temperature Elevation of the Main transformer Oil

（7）完善主变压器冷却器全停超温保护动作逻辑，并投入该保护（图4为主变压器冷却器全停超温保护动作基本逻辑示例，可根据实际情况进行增补完善；图中油温定值由各厂站结合实际情况自行确定，但建议不超过DL/T 572—2010中6.3.2条规定的75℃）。

图4 主变压器冷却器全停超温保护动作基本逻辑图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）将主变压器冷却器控制系统动力电源切换加入定期试验计划，定期（建议至少每3月/次）开展切换工作，保证主电源切换装置的可靠运行。

（2）建立和完善主变压器冷却器控制系统相关应急响应方案，方案中应明确在主变压器冷却全停、主变压器温度升高报警、主变压器温度过高动作等异常情况下的应急响应措施。

5 结束语

水电厂中主变压器冷却器能够控制主变压器的温度，使主变压器能够稳定可靠运行，对整个电厂正常供电十分重要。乌江公司九座水电厂按主变压器冷却器控制回路改进措施加强硬件、控制逻辑和管理方面的各项措施后，至今再未发生因上述情况导致的主变压器冷却器保护误动情况。因此在水电厂“远程集控、少人维护”模式下，对主变压器冷却器电源可靠性、启动和故障控制逻辑、故障报警、主变压器油温升高降负荷和全停保护、定期试验等方面，结合现场实际情况进行认真的梳理和优化是十分必要的，只有这样才能够使主变压器冷却器和主变压器得到更好的运行。