某电厂主变冷却器控制模式优化

30第45卷 第07期
2022年07月
Vol.45 No.07
Jul.2022
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
0 引言
某电厂主变压器冷却方式采用强迫油循环水冷方式，每台主变配置6台强油循环水冷却器。

主变冷却器的布置: 由于主变压器低压侧电流大、顶部油温高，因此是从主变油箱低压侧处引出两根出油管进入主变冷却器，而高压侧的底部油温最低，因此从冷却器出来的冷油便通过两根回油管导入高压侧底部。

主变冷却器的强迫油循环泵安装在冷却器进油口处，冷却器的冷却水正向进口电动阀（简称水阀）装设在冷却器的上方。

冷却器采用防堵型双重管变压器冷却装置。

冷却器采用双层管，内层管流水，外层管通油。

该冷却器水流具有双流向功能，上下布置2个水箱。

冷却器能承受水压力试验为1.2 MPa，持续时间30 min；左岸电站供给变压器冷却器的水源是从机组压力钢管取上游水库的水，通过滤水器和减压阀供给变压器水冷却器。

主变冷却器原开启模式为先打开外部技术供水为冷却器水箱冲水，再开启主变冷却器运行。

此开启顺序由于存在水锤效应，会导致水箱承受过大的水压，长期如此会导致水箱焊缝受损，存在爆裂风险。

1 某厂主变冷却器故障分析
1.1 冷却器水箱故障漏水现象及分析
某厂主变压器为西门子（保变）生产，冷却器为德国GEA生产，冷却器水最大工作压力1.6 MPa，变压器运行中发现变压器下端水箱裂缝漏水，裂缝长度几乎贯穿整个水箱（水箱长度4.5 m）。

图1 水箱焊缝开裂现场照片
主变冷却器依靠水阀连通上下两个水箱，原冷却器的开启流程为先开启技术供水为冷却器水箱充水，再打开冷却器运行，冷却器运行后，油泵开启运行的同时，水阀打开到全开位置。

在技术供水为冷却器水箱充水的瞬间，压力值陡增，根据监测，变压
收稿日期： 2022-06-01
作者简介： 罗金嵩（1992-），男，工程师，从事水电站继电保护运维工作。

某电厂主变冷却器控制模式优化
罗金嵩，李光耀，李 琛，周雨童
（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）
摘 要： 介绍某电厂主变冷却器的冷却系统及其冷却原理，并结合现场实际情况分析了由于其工作原理和冷却器控制模式所造成的安全隐患，即在冷却器开启过程中，水箱壁会受到水锤效应的影响，水锤的冲击对水箱机械结构有较强的破坏性，存在焊缝开裂而漏水的风险。

本文分析了原控制模式产生该风险的原因，并选取了一种对原PLC 控制程序改动最少的优化方案，分析了该优化方案的可行性，该方案在实际运行验证过程中表现良好，消除了上述隐患。

关键词： 主变冷却器；水锤效应；PLC控制
中图分类号：TM407 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2022）07-0030-04
DOI：
10.13599/ki.11-5130.2022.07.008
31第07期罗金嵩，等：某电厂主变冷却器控制模式优化
器冷却水压力最高达到1.58 MPa，接近冷却器水最
大工作压力1.6 MPa，为正常压力10倍（正常运行
压力0.13 MPa）。

由于水箱为不锈钢管，截面为方形，
焊缝长等同于水箱长度，开机充水过程中水压的波
动对水箱焊缝产生了破坏性影响。

最大值1.58
机组有功
正向进水管压力
图2 冷却器开启过程中主进水管压力变化
1.2 原冷却器启动控制模式
主变冷却器的控制为油泵与水阀联动，水阀电
机可双向转动。

当开启油泵后，油泵开启接触器
K11吸合，水阀开启回路开始运行，当水阀开启到位
后，限位开关常闭接点断开，电机停转，限位开关常
开接点闭合，水阀开启信号灯回路闭合，显示水阀开
启状态。

此时冷却器水由于外部压力存在，可进到
水路中，油泵电机保持运行，使得油路中的热油被冷
却。

水阀的闭合控制同理。

K11
S21
1号油泵1号水阀K11
1号水阀
内部接线
图3 改进前的主变冷却器油泵水阀控制回路
1.3 主变冷却器现有方式的优点分析
水阀与油泵联动，符合现场运行实际需求，现场温度低于40℃时，仅有3组冷却器油泵水阀开启，另外3组冷却器水阀油泵处于关闭状态，即仅在油泵开启，有油循环的冷却器中，流入冷却水对油进行降温，避免了水阀常开时水资源的浪费。

联动模式使得油路和水路始终保持同步性，使得油流、水流、油压、水压的状态始终保持一致，方便现场运维人员发现缺陷以及异常现象。

且联动模式使得回路简单、元器件数量少，降低了缺陷率。

变压器主变冷却器控制回路元器件连接多、接线复杂、维护工作量大，且易出现设计不足和功能缺陷。

该联动模式已经在电站运行及推广多年，冷却器设备总体运行稳定可靠，贸然取消6组冷却器油泵水阀的联动模式，不仅在回路设计、现场运维、设备故障率等方面存在诸多不确定性，而且对于PLC 程序的设计提出巨大挑战。

原本冷却器油泵的程序控制就受到启停条件、循环轮换 、温度启动、故障启动、冷却器全停、远方现地、自动/程控/手动、电源切换等逻辑的影响，现再加入6组水阀的PLC控制，会使得程序复杂程度出现几何数级的增加，不利于现场运行对于自动化程度高、缺陷率低的需求。

故在后续的优化方案选择上，尽量只考虑修改一组冷却器的油泵水阀控制回路，且尽量减少对原PLC程序的改动，在保持原有冷却器控制模式不改动的基础上，思考如何做到在冷却器开启前，保持一台水阀的开启；在冷却器停运过程中，也保持一台水阀的开启，通过优化二次回路以及PLC程序控制，使得水锤效应对冷却器水箱的影响减到最小。

2 主变冷却器控制模式优化方案
现优化主变冷却器控制模式，通过取消油泵与水阀的联动模式。

考虑现场实际情况，来确保主变技术供水开启前，以及主变冷却器投入运行前，有一台冷却器的水阀在开启状态，联通上下两个水箱。

在主变冷却器停止运行后，以及主变技术供水关闭前，仍旧有一台冷却器的水阀在开启状态。

且该水阀的开启状态，不影响6组冷却器的启停条件、循环轮换 、温度启动、故障启动、冷却器全停、远方现地、自动/程控/手动、电源切换模式。

2.1 二次控制回路优化
选择1号水阀作为常开水阀，来联通上下2个冷却器水箱。

对1号水阀开启与关闭回路进行修改，在回路加入水阀开启与关闭的继电器K47的两对接点，K47继电器为双位置锁存继电器，开启与关闭接点分别由PLC输出DO脉冲进行控制。

S21把手切现地控制模式后，K47继电器13-14接点被短接，K47继电器21-22接点被断开，该回路恢复到与旧控制回路相同的状态，可以手动实现1号油泵与水阀的开启关闭操作。

即该回路设计方
32
第45卷
水 电 站 机 电 技 术
案实现了冷却器控制切现地后，1号水阀开关控制
模式与原模式一致。

S21
S21
K47K47
K11
K11
1号油泵1号水阀
1号水阀
内部接线
图4 改进后的1号主变冷却器油泵水阀控制回路
1号水阀远方自动控/保护开继电器
图5 改进后新增主变冷却器PLC 开出DO 回路
S21把手切远方控制模式会在下文结合PLC 程序修改进行分析。

2.2 PLC 控制程序优化
通过修改PLC 程序实现对水阀的开启与关闭的控制，仅需增加一行程序即可实现上述需求的控制方式，使得1号水阀作为常开水阀。

DI_LQ2_PYX 至DI_LQ6_PYX 为2号~6号共5台冷却器的油泵开启接触器的常开接点，TON 为延时输出，TP 为1 s 脉冲计时器。

图6 冷却器控制PLC 新增程序逻辑
2.2.1 冷却器开停机过程分析
（1）正常运行时，远方自动模式下，若1号冷却器处于运行状态，1号水阀打开。

当主变冷却器收到监控停运令后，所有正在运行的冷却器油泵接触器返回，油泵电机停运，油泵接触器常开接点返回，左侧与逻辑连通，右侧上方1号水阀远方保护开令连通，输出1 s 脉冲，K47继电器1号水阀远方保护开DO 励磁，K47的21-22接点闭合，对照二次控制回路，1号水阀关闭回路断开，1号水阀开启回路接通，直至1号水阀开启到位。

即1号水阀能够实现
在冷却器停运瞬间自动开启，且保持在开启状态，直至下一次开机前。

（2）接上面的状态，下一次开机时，1号水阀保持在开启状态。

远方自动模式下，若1号冷却器为开
启的运行组之一，在2~6号任意一台冷却器开启后，左侧与逻辑断开，延时10 s 右侧下方1号水阀远方自动控令连通，输出1 s 脉冲，K47继电器1号水阀远方自动控DO 励磁，K47的13-14接点闭合，对照二次控制回路，1号水阀关闭与开启回路与旧回路
完全相同。

即整个冷却器开启过程，1号水阀保持开启状态，1号水阀和油泵保持联动开启状态。

（3）下一次开机时，1号水阀保持在开启状态。

远方自动模式下，若1号冷却器为非运行组，在2~6号任意一台冷却器开启后，左侧与逻辑断开，延时
10 s 右侧下方1号水阀远方自动控令连通，输出1 s 脉冲，K47继电器1号水阀远方自动控DO 励磁，K47的13-14接点闭合，对照二次控制回路，1号水
阀关闭与开启回路与旧回路完全相同。

即整个冷却器开启过程，1号水阀保持开启状态10 s，10 s 后其他冷却器水阀已经开启到位，之后1号水阀和油泵保持联动关闭状态。

根据上述分析，正常运行时，远方自动模式下，若1号冷却器处于停运状态，1号水阀会保持在关闭状态。

当主变冷却器收到监控停运令后，所有正在运行的冷却器油泵接触器返回，油泵电机停运，油泵接触器常开接点返回，左侧与逻辑连通，右侧上方1号水阀开启令连通，输出1 s 脉冲，即1号主变冷却器的水阀在所有油泵停运瞬间会自动开启，且在冷却器完全停运后仍旧保持在开启状态，直至下一次开机前。

综合上述分析，在冷却器开停机的整个过程，均
能保证6组中有水阀处于开启状态。

2.2.2 其余运行工况分析
包括正常的操作与极端工况条件下对水阀控制模式的分析。

（1）冷却器正常轮换：正常轮换过程中，2~6号油泵总有处于运行的，K47继电器1号水阀远方自动控DO 励磁，回路排除了K47继电器接点的影响，与原控制模式相同。

（2）交流电源切换过程：交流电源的切换会导致水阀电机回路短暂失电，但由于水阀控制回路的
（下转第81页）
81第07期熊 舟，等：基于异频法的大型水电站接地网接地阻抗测量实践
表4 反向法接地阻抗测量值
频率/Hz电压/V电流/A阻抗/Ω修正后阻抗/Ω450.77512.020.0640.066
470.81412.080.0670.068
530.84812.280.0690.070
550.88712.740.0690.071
修正到50 Hz0.068
线路避雷线分流占比为79.6%，不考虑分流系数的前提下，该电站2018年最大运行方式下短路电流最大值为左岸电站54.767 kA，接地阻抗允许值5 kV/54.767 kA=0.091 Ω，因此夹角法接地阻抗实测值0.077 Ω、0.071 Ω，反向法接地阻抗实测值0.068 Ω均在合格范围内。

考虑分流系数的前提下，电站最大短路电流I=54.767×0.204=11.172 kA，电站接地阻抗允许值5 kV/11.172 kA=0.448 Ω，夹角法接地阻抗实测值0.377 Ω、0.348 Ω，反向法接地阻抗实测值0.333 Ω均在合格范围内。

综合以上数据，结合夹角法与反向法的散流区域的土壤电阻率平均值，电站接地网接地阻抗值为0.071 Ω，满足电站安全稳定运行的需要。

5 结语
采用异频电流法对大型水电站接地网接地阻抗进行测量，能够很好地消除系统零序电流的干扰，同时为了减小互感对测量结果的影响，测量方法采用夹角法和反向法，站内电位线均采用屏蔽导线，并且为了减小同塔线路对电位线路的干扰，电位线的其余两相在电位极端接地，对中相进行屏蔽保护。

该水电站首次采用反向法进行接地阻抗测量，测量结果表明人工敷设电位线能基本消除线路互感影响，且人工敷设电位线不仅能提高测量安全性，还能突破设备运行方式的限制，后期可研究电流线和电位线均采用人工敷设方式可行性。

参考文献 ：
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K47继电器为锁存继电器，故当电源恢复后，水阀仍旧维持失电前的模式。

（3）两路直流消失：由于K47继电器为锁存继电器，该继电器失电前状态可以保持，若K47继电器1号水阀远方自动控DO励磁，则失电后水阀保持原开启关闭状态；若K47继电器1号水阀远方保护开DO励磁，则失电后1号水阀开启回路接通，1号水阀关闭回路可靠断开。

（4）全停故障恢复：全停故障发生后，由于所有油泵与水阀均失电，水阀均保持在失电前的状态，在交流电源恢复后，随着油泵电机的开启，对应的水阀保持在开启状态。

（5）PLC故障：此时为避免冷却器出现全停，运行人员会将冷却器控制模式切至现地，并手动开启冷却器，前文已分析现地模式下，与原控制模式完全相同。

3 优化后的效果
在主变冷却器运行过程中，无论1号冷却器是否处于运行状态，其控制模式与原模式相同，若1号冷却器为运行组，1号油泵与水阀保持原联动模式；若1号冷却器为非运行组，1号油泵与水阀保持关闭状态。

故其温度启动、故障启动、冷却器全停、远方现地、自动/程控/手动等模式也与原模式相同。

在主变冷却器停运过程中，1号水阀始终能保持开启状态。

以最小的代价，相当好的解决了冷却器充水期间的水锤效应。

冷却器控制模式修改后，运行情况良好。

4 总结
综上所述，在进行改动后，冷却器启停条件、循环轮换 、温度启动、故障启动、冷却器全停、远方现地、自动/程控/手动、电源切换模式均与原模式保持一致。

实现了开停机过程中，保证至少有1台水阀开启，使冷却器水路始终保持连通状态，极大地削弱了水锤效应对水箱的冲击，达到了优化设计方案的预期效果。

（上接第32页）。