臺山核電合營有限公司 孫兆文 張 峰

主變壓器是發(fā)電廠里直接影響發(fā)電機組可用率的重要設備。在主變正常運行期間，變壓器內(nèi)部的絕緣油在潛油泵的帶動下循環(huán)至散熱器，再通過冷卻風扇的吹掃冷卻。若主變冷卻設備（潛油泵、冷卻風扇）故障失效，變壓器油溫會迅速上升，最終導致主變停運，影響機組發(fā)電。主變冷卻器控制柜的作用是控制潛油泵、冷卻風扇的正常運行。某電廠的主變分A、B、C 相布置，每一相的主變均有一個單獨的冷卻器控制柜。

冷卻器控制柜左側(cè)主要是動力元器件，元器件不多、空間布置較松散，有利于元器件散熱；其右側(cè)主要是繼電器、接觸器、PLC 等控制元器件，由于元器件多且空間有限，元器件緊密布置，熱量容易積聚，疊加室外的日照、高溫影響，柜內(nèi)運行溫度非常高，可達近80℃。

1 問題和根本原因分析

1.1 問題

某電廠主控觸發(fā)主變A 相油流故障報警，冷卻器第6組故障停運，第1/2/4/5組冷卻器運行，主變油溫48℃穩(wěn)定。維修人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)第6組冷卻器接觸器故障燒毀，更換接觸器后冷卻器恢復正常運行。初步判斷故障原因為控制柜內(nèi)溫度高導致接觸器過熱燒毀。此前主變冷卻器控制柜出現(xiàn)過此類故障，且機組正在滿功率運行，出于對機組可用率的考慮，未對冷卻器控制柜進行進一步檢查和處理。

2020年11月29日，一號機主控在21∶19發(fā)生主變A 相冷卻系統(tǒng)故障報警和主變A 相油流故障報警，一號機主變A 相冷卻風扇全部停運，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)冷卻器控制柜中多組冷卻器油泵、風機的接觸器燒毀，現(xiàn)場緊急更換燒毀的接觸器并將冷卻器打到手動狀態(tài)后，冷卻器恢復正常運行。此次事件造成了機組發(fā)電功率的損失。

上述兩次故障表象均是冷卻器控制柜內(nèi)接觸器故障導致冷卻器停運，接觸器故障后解體情況表現(xiàn)為主觸頭燒毀。

1.2 根本原因分析

1.2.1 接觸器主觸頭燒毀因素分析

接觸器是利用電磁力與彈簧彈力相配合的原理，實現(xiàn)主觸頭的接通和分斷功能。接觸器是控制裝置中常用的一種低壓控制元件。接觸器的主觸頭具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。一般情況下，主觸頭的電氣壽命可達200萬次，最大的帶負載操作頻率為600次/h。通常情況下，接觸器主觸頭燒毀可歸因于下述因素：主觸頭達到電氣使用壽命，整體電氣性能降低，最終導致燒毀；主觸頭持續(xù)流通電流大于額定值，長期處于過載狀態(tài)，最終導致主觸頭燒毀；主觸頭頻繁分合，分合操作瞬時電流一般是5～10額定電流，對主觸頭損害較大，頻繁操作會導致主觸頭燒毀。

1.2.2 接觸器主觸頭燒毀因素分析

上述冷卻器停運故障發(fā)生的直接原因是接觸器故障。接觸器的主要作用是控制冷卻風扇和油泵的啟停，一組冷卻器包含1臺潛油泵和3臺冷卻風扇。油泵電機的額定電流為11.5A（實測電流為8.2A），其上游接觸器額定電流18A，滿足設計配合要求。3臺冷卻風扇電機的額定電流均為6A（實測電流為5.2A），其上游接觸器額定電流9A，滿足設計要求的配合要求。由上述分析可知，接觸器選型合適，與下游電機相匹配。接觸器設計選型沒有問題。

1.2.3 故障現(xiàn)象分析

上述兩次冷卻器停運故障發(fā)生時僅接觸器燒毀，其他任何元器件未發(fā)生異常。接觸器上游的電機保護斷路器具有過載和速斷保護功能，經(jīng)現(xiàn)場核定，冷卻器風機電機過載定值設定為8A（小于其接觸器額定電流9A），油泵電機過載定值設定為13A（小于其接觸器額定電流18A）。但故障發(fā)生時，接觸器上游電機保護斷路器過載和速斷保護均未動作。同時對油泵電機、風機電機進行檢查也未發(fā)現(xiàn)異常，證明電機正常運行，電流處于正常值，冷卻器本體無異常。由上述分析可知，冷卻器運行期間油泵、風機電機正常，接觸器的燒毀與電機運行電流無關(guān)。

1.2.4 接觸器可靠性分析

每組冷卻器的油泵電機上游接觸器型號是LC1—D18M7（施耐德產(chǎn)品）；冷卻風扇電機上游接觸器型號是LC1—D09M7（施耐德產(chǎn)品）。LC 系列接觸器是成熟的產(chǎn)品，應用范圍廣泛。經(jīng)咨詢施耐德廠家，該系列接觸器電氣壽命為分合200萬次。廠家反饋該型號接觸器故障率極低，動作可靠，是一款及其成熟的產(chǎn)品。結(jié)合廠家反饋及其他基地應用情況咨詢，該系列繼電器較可靠。本次接觸器故障應不是產(chǎn)品質(zhì)量問題導致。由上述分析可知，本次接觸器故障的原因基本可排除設計配置不合理、運行電流異常、產(chǎn)品不可靠的因素。僅剩接觸器主觸頭頻繁分合的故障原因未被排除。

1.2.5 接觸器主觸頭頻繁分合原因分析

造成接觸器主觸頭頻繁分合的可能原因有3個：接觸器線圈工作電壓不穩(wěn)定；油流繼電器串入PLC控制回路的常閉接點頻繁抖動；PLC 輸出模塊異常。對以上三個原因分別進行分析：

接觸器線圈電壓為AC220V，如供電電壓不穩(wěn)定，頻繁波動會造成接觸器銜鐵頻繁吸合，嚴重時發(fā)生觸頭拉弧燒壞接觸器；主變冷卻器控制柜的電源取自常規(guī)島Lk＊系統(tǒng)的400V 電源，為雙路供電，接觸器線圈電源取自雙路電源切換后的單相電，電源穩(wěn)定。1#主變A 相故障發(fā)生時B 相、C相未見異常；從A 相第4組冷卻器運行狀態(tài)曲線來看，開始正常啟動，運行10min 后跳閘，未出現(xiàn)冷卻器頻繁啟停現(xiàn)象，說明接觸器線圈供電正常，可排除供電電壓不穩(wěn)定造成冷卻器大面積停運的可能。

油流繼電器常閉接點串入PLC 輸入模塊：如果油流繼電器在油泵切換投運期間，內(nèi)部擋板在油流作用下頻繁抖動，則會造成常閉接點來回分合，造成PLC 頻繁向油泵、風機發(fā)出起停指令信號，表現(xiàn)出接觸器頻繁分合造成拉弧，最終過熱直至燒損。主變冷卻器控制柜內(nèi)油泵接觸器的輔助觸點通過PLC 的內(nèi)模塊采集后通過CPU 邏輯處理，處理后通過DO 輸出卡驅(qū)動24V 繼電器，通過繼電器的干接點送往DCS。經(jīng)出票對1#主變A 相油流相關(guān)節(jié)點錄波，發(fā)現(xiàn)4個接觸器有3個能看到電壓回彈情況，即油流動作后100ms 回彈，電壓從0V 升至24V，持續(xù)20ms 后恢復0V。

考慮回彈應是油流擋板到位后反彈一下造成的，且持續(xù)時間很短、沒有出現(xiàn)頻繁抖動的情況，24V電壓整體穩(wěn)定。持續(xù)觀察現(xiàn)場油流繼電器流量穩(wěn)定，無流量波動現(xiàn)象；由于PLC 邏輯中風冷器啟動指令為長指令，回路中串入了油流故障信號常閉觸點，但是這個油流故障信號在PLC 邏輯中油流消失有10s 延時，信號一旦觸發(fā)會進行自保持，僅在冷卻器進行手自動切換才消失。因此，可排除油流繼電器輸出信號頻繁閃發(fā)故障導致PLC 輸出異常的可能性排除。

PLC 輸出模塊故障：主變冷卻器控制柜通過PLC 控制接觸器的分合，進而實現(xiàn)冷卻器的啟停功能，上述兩次故障都是在PLC 執(zhí)行冷卻器定期切換的過程中發(fā)生的，因此需對PLC 進行分析。從控制回路原理（圖1）可看出，PLC 的一個OUTPUTS（輸出）模塊控制著主變冷卻器的全部24個接觸器的線圈，若OUTPUTS（輸出）模塊的電源、公共端、接地等異常，則可能影響全部冷卻器的正常投運甚至導致全停。

1.3 分析結(jié)論

綜合上述分析，冷卻器全停故障直接原因是接觸器頻繁進行分合動作，根本原因是PLC 控制故障。另經(jīng)調(diào)研和廠家反饋，PLC 模塊存在運行環(huán)境的要求高、故障影響范圍大、故障原因排查難、使用壽命短等缺點。因此從設備可靠性的角度出發(fā)，采用傳統(tǒng)繼電器搭接的冷卻器控制邏輯更為可靠。

2 改造方案

根據(jù)本次故障原因分析、日常運行缺陷反饋、其他基地冷卻器控制柜運行經(jīng)驗等因素，對某電廠一期的冷卻器控制柜進行技術(shù)改進換型。在保證冷卻器控制柜原有功能不變的情況下，做出如下主要技術(shù)改進：

消除單一故障導致冷卻器全停的風險，取消冷卻器控制柜PLC 控制，通過電氣傳統(tǒng)元器件實現(xiàn)冷卻器的控制邏輯；為了防止因電壓繼電器故障導致控制柜雙電源主接觸器頻繁分合，將主接觸器控制回路改為自投不自復，兩路電源主接觸器之間增加電氣閉鎖，并增加主接觸器異常報警[1]；為了防止非重要元器件故障引發(fā)冷卻器停運，控制柜內(nèi)照明、插座、加熱器電源獨立布置，與冷卻器動力、控制回路分開，采用不同的電源來源[2]；為了防止指示燈短路造成電源跳閘，指示燈回路設置單獨空開[3]。

為保證控制柜在自然散熱條件下可靠運行，增大控制柜尺寸、元器件、導線按大容量選型（動力線截面≥4mm2）、元器件分散布置（各元器件間距不小于9mm）；制柜增設空調(diào)，優(yōu)化柜內(nèi)元器件運行環(huán)境，防止過熱引起元器件老化或故障，保證控制柜長期穩(wěn)定運行[2]；油泵、風機使用的熱繼電器定值邀請主變制造廠家進行重新核驗，給出定值范圍；在電壓繼電器的選型上，避開經(jīng)驗反饋中質(zhì)量較差的型號和品牌；取消負荷控制冷卻器啟停功能，優(yōu)化輔助組冷卻器投用條件，并取消溫度計接點回差功能的使用，冷卻器啟停的控制采用兩對接點。

控制柜全部失電或冷卻器全停報警不設延時，不與變壓器溫度關(guān)聯(lián)；為了方便主控操縱員對報警的確認和響應，優(yōu)化報警卡，每臺冷卻器單獨設立報警；優(yōu)化冷卻器控制柜的安裝，優(yōu)化朝向（面朝汽機廠房，避免長時間光照）并提高防臺風能力（柜體采用單向開門方式，背靠防火墻，底座、防火墻雙側(cè)固定）；優(yōu)化了主變隔刀接點控制冷卻器停運的邏輯。

3 改造成果和推廣

改造成果：在電氣、儀控、土建等多個專業(yè)共同配合下，通過對安全和質(zhì)量風險的提前識別和管控，改造團隊克服了風險高（涉及起重、動火、徒手搬運等高風險作業(yè)）、交叉作業(yè)嚴重、戶外作業(yè)受制于天氣條件等諸多困難，經(jīng)歷近40天晝夜奮戰(zhàn)，完成了2400余根電纜線芯的拆接與核對、48個報警信號的修改、百余個回路的驗證、近百個功能試驗，圓滿完成了改造工作。隨著發(fā)電機組的并網(wǎng)，主變冷卻器投運一次成功。至今，改造后的冷卻器控制柜運行已有半年時間，整體運行情況良好：消除了冷卻器全停風險；未出現(xiàn)過任何異?；驁缶?；日常巡檢進行紅外測溫顯示，冷卻器控制柜內(nèi)接觸器運行溫度約50℃左右，與改造前相比有很大改善。

成果推廣：某電廠冷卻器控制柜改造的成果，是吸取了內(nèi)外部主變冷卻器控制的教訓并凝聚了專家團隊的集體技術(shù)力量的結(jié)果。改造方案和取得的成效獲得集團專家的高度評價，并通過技術(shù)指令單的方式在集團各電廠基地進行推廣實施。截至目前，已有2個基地開始同樣的改造項目實施工作。

4 結(jié)語

主變冷卻器控制柜，在電力系統(tǒng)中是十分常見且相對比較成熟的產(chǎn)品。但是由于設備制造廠家與設備使用廠家是獨立的個體，現(xiàn)場的使用情況（特別是異常）難以反饋至制造廠家，致使制造廠生產(chǎn)的產(chǎn)品千篇一律，不能做到實時的優(yōu)化和改進，導致控制柜的各種小缺陷一直無法得到有效解決；另外，由于運行環(huán)境不同，同一型號的冷卻器控制柜在不同地區(qū)的運行情況可能大相徑庭。

主變冷卻器控制柜對于主變正常運行十分重要，這就要求在主變冷卻器控制柜選型階段，選用適合現(xiàn)場運行環(huán)境的型號，同時在運行期間收集整理運行經(jīng)驗反饋，將分散的缺陷在主變停運窗口消除掉，以免影響主變正常運行；同時希望制造廠家收集整理其產(chǎn)品在不同地方的使用反饋，積極進行產(chǎn)品的優(yōu)化升級。本文使用的故障原因調(diào)查和技術(shù)改進優(yōu)化方法，值得推廣和借鑒。