某电厂主变冷却器控制柜技术优化改造
时间：2023-02-20 11:10:07 来源：千叶帆 本文已影响人
台山核电合营有限公司 孙兆文 张 峰
主变压器是发电厂里直接影响发电机组可用率的重要设备。在主变正常运行期间，变压器内部的绝缘油在潜油泵的带动下循环至散热器，再通过冷却风扇的吹扫冷却。若主变冷却设备（潜油泵、冷却风扇）故障失效，变压器油温会迅速上升，最终导致主变停运，影响机组发电。主变冷却器控制柜的作用是控制潜油泵、冷却风扇的正常运行。某电厂的主变分A、B、C 相布置，每一相的主变均有一个单独的冷却器控制柜。
冷却器控制柜左侧主要是动力元器件，元器件不多、空间布置较松散，有利于元器件散热；
其右侧主要是继电器、接触器、PLC 等控制元器件，由于元器件多且空间有限，元器件紧密布置，热量容易积聚，叠加室外的日照、高温影响，柜内运行温度非常高，可达近80℃。
1.1 问题
某电厂主控触发主变A 相油流故障报警，冷却器第6组故障停运，第1/2/4/5组冷却器运行，主变油温48℃稳定。维修人员现场检查发现第6组冷却器接触器故障烧毁，更换接触器后冷却器恢复正常运行。初步判断故障原因为控制柜内温度高导致接触器过热烧毁。此前主变冷却器控制柜出现过此类故障，且机组正在满功率运行，出于对机组可用率的考虑，未对冷却器控制柜进行进一步检查和处理。
2020年11月29日，一号机主控在21∶19发生主变A 相冷却系统故障报警和主变A 相油流故障报警，一号机主变A 相冷却风扇全部停运，现场检查发现冷却器控制柜中多组冷却器油泵、风机的接触器烧毁，现场紧急更换烧毁的接触器并将冷却器打到手动状态后，冷却器恢复正常运行。此次事件造成了机组发电功率的损失。
上述两次故障表象均是冷却器控制柜内接触器故障导致冷却器停运，接触器故障后解体情况表现为主触头烧毁。
1.2 根本原因分析
1.2.1 接触器主触头烧毁因素分析
接触器是利用电磁力与弹簧弹力相配合的原理，实现主触头的接通和分断功能。接触器是控制装置中常用的一种低压控制元件。接触器的主触头具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。一般情况下，主触头的电气寿命可达200万次，最大的带负载操作频率为600次/h。通常情况下，接触器主触头烧毁可归因于下述因素：主触头达到电气使用寿命，整体电气性能降低，最终导致烧毁；
主触头持续流通电流大于额定值，长期处于过载状态，最终导致主触头烧毁；
主触头频繁分合，分合操作瞬时电流一般是5～10额定电流，对主触头损害较大，频繁操作会导致主触头烧毁。
1.2.2 接触器主触头烧毁因素分析
上述冷却器停运故障发生的直接原因是接触器故障。接触器的主要作用是控制冷却风扇和油泵的启停，一组冷却器包含1台潜油泵和3台冷却风扇。油泵电机的额定电流为11.5A（实测电流为8.2A），其上游接触器额定电流18A，满足设计配合要求。3台冷却风扇电机的额定电流均为6A（实测电流为5.2A），其上游接触器额定电流9A，满足设计要求的配合要求。由上述分析可知，接触器选型合适，与下游电机相匹配。接触器设计选型没有问题。
1.2.3 故障现象分析
上述两次冷却器停运故障发生时仅接触器烧毁，其他任何元器件未发生异常。接触器上游的电机保护断路器具有过载和速断保护功能，经现场核定，冷却器风机电机过载定值设定为8A（小于其接触器额定电流9A），油泵电机过载定值设定为13A（小于其接触器额定电流18A）。但故障发生时，接触器上游电机保护断路器过载和速断保护均未动作。同时对油泵电机、风机电机进行检查也未发现异常，证明电机正常运行，电流处于正常值，冷却器本体无异常。由上述分析可知，冷却器运行期间油泵、风机电机正常，接触器的烧毁与电机运行电流无关。
1.2.4 接触器可靠性分析
每组冷却器的油泵电机上游接触器型号是LC1—D18M7（施耐德产品）；
冷却风扇电机上游接触器型号是LC1—D09M7（施耐德产品）。LC 系列接触器是成熟的产品，应用范围广泛。经咨询施耐德厂家，该系列接触器电气寿命为分合200万次。厂家反馈该型号接触器故障率极低，动作可靠，是一款及其成熟的产品。结合厂家反馈及其他基地应用情况咨询，该系列继电器较可靠。本次接触器故障应不是产品质量问题导致。由上述分析可知，本次接触器故障的原因基本可排除设计配置不合理、运行电流异常、产品不可靠的因素。仅剩接触器主触头频繁分合的故障原因未被排除。
1.2.5 接触器主触头频繁分合原因分析
造成接触器主触头频繁分合的可能原因有3个：接触器线圈工作电压不稳定；
油流继电器串入PLC控制回路的常闭接点频繁抖动；
PLC 输出模块异常。对以上三个原因分别进行分析：
接触器线圈电压为AC220V，如供电电压不稳定，频繁波动会造成接触器衔铁频繁吸合，严重时发生触头拉弧烧坏接触器；
主变冷却器控制柜的电源取自常规岛Lk＊系统的400V 电源，为双路供电，接触器线圈电源取自双路电源切换后的单相电，电源稳定。1#主变A 相故障发生时B 相、C相未见异常；
从A 相第4组冷却器运行状态曲线来看，开始正常启动，运行10min 后跳闸，未出现冷却器频繁启停现象，说明接触器线圈供电正常，可排除供电电压不稳定造成冷却器大面积停运的可能。
油流继电器常闭接点串入PLC 输入模块：如果油流继电器在油泵切换投运期间，内部挡板在油流作用下频繁抖动，则会造成常闭接点来回分合，造成PLC 频繁向油泵、风机发出起停指令信号，表现出接触器频繁分合造成拉弧，最终过热直至烧损。主变冷却器控制柜内油泵接触器的辅助触点通过PLC 的内模块采集后通过CPU 逻辑处理，处理后通过DO 输出卡驱动24V 继电器，通过继电器的干接点送往DCS。经出票对1#主变A 相油流相关节点录波，发现4个接触器有3个能看到电压回弹情况，即油流动作后100ms 回弹，电压从0V 升至24V，持续20ms 后恢复0V。
考虑回弹应是油流挡板到位后反弹一下造成的，且持续时间很短、没有出现频繁抖动的情况，24V电压整体稳定。持续观察现场油流继电器流量稳定，无流量波动现象；
由于PLC 逻辑中风冷器启动指令为长指令，回路中串入了油流故障信号常闭触点，但是这个油流故障信号在PLC 逻辑中油流消失有10s 延时，信号一旦触发会进行自保持，仅在冷却器进行手自动切换才消失。因此，可排除油流继电器输出信号频繁闪发故障导致PLC 输出异常的可能性排除。
PLC 输出模块故障：主变冷却器控制柜通过PLC 控制接触器的分合，进而实现冷却器的启停功能，上述两次故障都是在PLC 执行冷却器定期切换的过程中发生的，因此需对PLC 进行分析。从控制回路原理（图1）可看出，PLC 的一个OUTPUTS（输出）模块控制着主变冷却器的全部24个接触器的线圈，若OUTPUTS（输出）模块的电源、公共端、接地等异常，则可能影响全部冷却器的正常投运甚至导致全停。
1.3 分析结论
综合上述分析，冷却器全停故障直接原因是接触器频繁进行分合动作，根本原因是PLC 控制故障。另经调研和厂家反馈，PLC 模块存在运行环境的要求高、故障影响范围大、故障原因排查难、使用寿命短等缺点。因此从设备可靠性的角度出发，采用传统继电器搭接的冷却器控制逻辑更为可靠。
根据本次故障原因分析、日常运行缺陷反馈、其他基地冷却器控制柜运行经验等因素，对某电厂一期的冷却器控制柜进行技术改进换型。在保证冷却器控制柜原有功能不变的情况下，做出如下主要技术改进：
消除单一故障导致冷却器全停的风险，取消冷却器控制柜PLC 控制，通过电气传统元器件实现冷却器的控制逻辑；
为了防止因电压继电器故障导致控制柜双电源主接触器频繁分合，将主接触器控制回路改为自投不自复，两路电源主接触器之间增加电气闭锁，并增加主接触器异常报警[1]；
为了防止非重要元器件故障引发冷却器停运，控制柜内照明、插座、加热器电源独立布置，与冷却器动力、控制回路分开，采用不同的电源来源[2]；
为了防止指示灯短路造成电源跳闸，指示灯回路设置单独空开[3]。
为保证控制柜在自然散热条件下可靠运行，增大控制柜尺寸、元器件、导线按大容量选型（动力线截面≥4mm2）、元器件分散布置（各元器件间距不小于9mm）；
制柜增设空调，优化柜内元器件运行环境，防止过热引起元器件老化或故障，保证控制柜长期稳定运行[2]；
油泵、风机使用的热继电器定值邀请主变制造厂家进行重新核验，给出定值范围；
在电压继电器的选型上，避开经验反馈中质量较差的型号和品牌；
取消负荷控制冷却器启停功能，优化辅助组冷却器投用条件，并取消温度计接点回差功能的使用，冷却器启停的控制采用两对接点。
控制柜全部失电或冷却器全停报警不设延时，不与变压器温度关联；
为了方便主控操纵员对报警的确认和响应，优化报警卡，每台冷却器单独设立报警；
优化冷却器控制柜的安装，优化朝向（面朝汽机厂房，避免长时间光照）并提高防台风能力（柜体采用单向开门方式，背靠防火墙，底座、防火墙双侧固定）；
优化了主变隔刀接点控制冷却器停运的逻辑。
改造成果：在电气、仪控、土建等多个专业共同配合下，通过对安全和质量风险的提前识别和管控，改造团队克服了风险高（涉及起重、动火、徒手搬运等高风险作业）、交叉作业严重、户外作业受制于天气条件等诸多困难，经历近40天昼夜奋战，完成了2400余根电缆线芯的拆接与核对、48个报警信号的修改、百余个回路的验证、近百个功能试验，圆满完成了改造工作。随着发电机组的并网，主变冷却器投运一次成功。至今，改造后的冷却器控制柜运行已有半年时间，整体运行情况良好：消除了冷却器全停风险；
未出现过任何异常或报警；
日常巡检进行红外测温显示，冷却器控制柜内接触器运行温度约50℃左右，与改造前相比有很大改善。
成果推广：某电厂冷却器控制柜改造的成果，是吸取了内外部主变冷却器控制的教训并凝聚了专家团队的集体技术力量的结果。改造方案和取得的成效获得集团专家的高度评价，并通过技术指令单的方式在集团各电厂基地进行推广实施。截至目前，已有2个基地开始同样的改造项目实施工作。
主变冷却器控制柜，在电力系统中是十分常见且相对比较成熟的产品。但是由于设备制造厂家与设备使用厂家是独立的个体，现场的使用情况（特别是异常）难以反馈至制造厂家，致使制造厂生产的产品千篇一律，不能做到实时的优化和改进，导致控制柜的各种小缺陷一直无法得到有效解决；
另外，由于运行环境不同，同一型号的冷却器控制柜在不同地区的运行情况可能大相径庭。
主变冷却器控制柜对于主变正常运行十分重要，这就要求在主变冷却器控制柜选型阶段，选用适合现场运行环境的型号，同时在运行期间收集整理运行经验反馈，将分散的缺陷在主变停运窗口消除掉，以免影响主变正常运行；
同时希望制造厂家收集整理其产品在不同地方的使用反馈，积极进行产品的优化升级。本文使用的故障原因调查和技术改进优化方法，值得推广和借鉴。
