600MW发电机组励磁变压器冷却系统问题分析及改造_巨建成
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JU Jian-cheng
（Hebei Xibaipo Electric Generation Co., Ltd., Shijiazhuang 050400, China）
Abstract：The 600MW generator set excitation transformer cooling system is introduced. The problems are analyzed. The excitation transformer cooling system is improved. The excitation transformer temperature trends before and after improvement are analyzed and comparisoned. Key words：Excitation；Cooling system；Operation
大量的热， 因此励磁变冷却系统的稳定与否直接影 响励磁变可靠性，进而影响整个发电系统的稳定，因 而有必要提高励磁变冷却系统稳定性。 自并励静止 励磁系统示意图，如图 1 所示。
图 1 自并励静止励磁系统示意图
２ 设备简介
某火力发电厂三期工程， 两台 600MW 机组（5 号、6 号机）2006 年投产，采用自并励静止励磁系统。 励 磁 变 压 器 型 号 为 ZLSC(D)10-X-6900/20，为 封 闭
分析 600MW 机组励磁变冷却系统， 发现存在 如下几个问题。
（1）励磁变压器冷却系统电气回路不合理。励磁 变压器单相冷却系统电路图如图 2 所示。 图中 QF1 和 QF2 为施耐德 C65N D2（额 定 电 流 2A），电 动 机 型，断路器本身带保护。
根据图 2 可知， 励磁变每相四台冷却风机并联 运行，使用同一电源。 采用这种电气连接方式，运行 中任意一台冷却风机故障，如风扇滞涩或轴承故障， 导致该电机产生过载电流， 就会使开关 QF2 跳闸， 或电源保险烧毁，四台风机均退出运行，该相绕组温 度升高； 若任意一台风机发生接地故障而产生接地 电流，则该相冷却电源无法合闸，其余非故障风机无 法投入运行。
（3）冷却风机无备用。 在机组运行状态，励磁变冷却风机发生故障时， 不能更换风机。 由于该励磁变压器为封闭箱式干式 变。冷却风机在铁心槽钢上固定，风机外壳距变压器 铁心绕组 100mm， 同时励磁变箱体内空间狭窄，励 磁变 A、C 边相距箱体 200mm，变压器本体正、背面 距箱体 150mm， 变压器一次侧 20kV 电压， 二次侧 890V 电压，视在功率 3×2 300kVA，在这种环境中进 行风机更换作业不符合带电作业安全距离， 因此机 组运行期间，风机发生故障时无法及时更换。若铁心 运行温度在 80℃以 下 ，可 加 强 监 控 继 续 运 行 ；若 运 行温度超过 80℃时 ，冷 却 风 机 故 障 无 法 启 动 ，应 降 低机组负荷或应放置外置风机， 对故障相铁心绕组 吹风降温，同时严格监测空气湿度、粉尘，防止造成 铁心短路。因此冷却风机故障难以消缺，冷却风机无 备用，降低了励磁变压器可靠性。 （4）励磁变压器冷却系统运行规程不同。 该电厂针对 5 号机、6 号机励磁 变 压 器 冷 却 系 统采用不同的运行规程，6 号机冷却风机一直 处 于 运行状态， 不考虑励磁变压器铁心温度是否达到风 机启动值 100℃。 5 号机励磁变压器按设计规程使 用。5 号、6 号机做对比，统计记录励磁变压器冷却风 机的故障率和故障台次， 以确定最优的风机运行方 式。
2010 年 9 月 14 日 17：22，5 号 机 主 控 DCS 监 控系统显示励磁变 B 相绕组故障报警，运行人员就 地发现，5 号励磁变 B 相 4 台风机均停运，B 相风机 开关跳闸后不能合闸，A、C 相风机正常运转。 B 相温 度 131℃，A、C 相分别为 95℃、93℃。 经确认 B 相 1 号风机发生绕组接地故障，产生接地电流，空气开关 无法闭合。
第 ５３ 卷 第 ３ 期 ２０１６ 年 ３ 月
TRANSFORMER
Vol.53 No.3 March 2016
600MW 发电机组励磁变压器冷却 系统问题分析及改造
巨建成
（河北西柏坡发电有限责任公司，河北 石家庄 050400）
摘要：对 600MW 发电机组励磁变压器冷却系统进行了介绍，分析了存在的问题，对励磁变压器冷却系统进行了改
（2）反馈信号不全面。 励磁变温控器给主控只反映励磁变该相铁心温
第 ５３ 卷
图 2 励磁变压器单相冷却系统电路图
度信号，不反映风机的异常停机。 例如 B 相冷却风 机刚发生故障时，励磁变 B 相铁心温度此时还处于 正常温度范围，但没有给主控反馈风机故障信号，只 有随时间推移，B 相铁心绕组温度升高到警戒值后， 温控器才给主控反馈报警信号， 从故障发生到主控 接收报警信号，浪费了宝贵的消缺时间，同时变压器 铁心高温降低了绕组的绝缘水平， 缩短设备的使用 寿命。
１ 引言
励磁系统是发电厂电气系统中一个重要的环 节，它负责给发电机转子提供励磁电流，转子在汽轮 机的带动下旋转， 从而形成旋转磁场切割发电机定 子线圈，进而定子线圈产生感应电动势，为电力系统 提供电能。 因此励磁系统的稳定性在发电厂中意义 尤为重要。
300MW 发电机组多采用主、副励磁机为发电机 提供励磁电流，600MW 机组则采用自并励静止励磁 系统，使用励磁变压器，从发电机出口取 20kV 电压 电源，通过励磁变压器将电压降为 890V，然后与可 控硅整流装置连接， 进而为发电机转子提供直流励 磁电流。为了保证励磁系统具有很强的励磁能力，励 磁变压器在额定工作条件下，功率因数偏低，可控桥 的控制角偏大，换相角偏小，因此励磁变低压侧谐波 含量比一般的变压器高， 这就导致变压器涡流损耗 较大，产生热量较多。励磁变压器多为封闭干式变压 器，空间有限、负荷较高、电流、电压较高，且谐波含 量高， 这些都导致励磁变压器在运行过程中会产生
安装完风机后对外部开孔部位进行密封处理。 （2）根据需求，设计新的电路图，如图 4 所示。 从新电路图中可以观察， 励磁变压器每相自带 四台风机采用并联电路， 每台风机上口使用独立的 空气开关，该空气开关带常闭节点 NC1、NC1'，励磁 变冷却风机运行规程规定， 当该相铁心温度升高超 过 100℃时， 合闸，四台风机同时投入使用，因此正 常运行过程中不存在投入单个风机的情况， 四台风 机 上 口 开 关 F1、F2、F3、F4 正 常 情 况 下 一 直 处 于 合 闸状态，当任意一台风机故障，如风机 1 故障，则 F1 跳 闸 ，F1 开 关 的 常 闭 触 点 NC1、NC1' 闭 合 ， 远 方 DCS 回路得到风机 1 跳闸信号， 进而将故障信号反 馈给主控室，这样运行人员能够及时发现风机故障、 消除故障，其他非故障风机正常运行。 备用风机电源母线与励磁变自带风机采用不同 电源，这样提高了励磁变的安全系数。同时备用风机 风量为 3 600m3/h，原风机风量为 2 500m3/h，这样只
2010 年 10 月 28 日 21：28， 运行值班员发现 6 号 励 磁 变 A 相 铁 心 故 障 报 警 ，A 相 风 机 开 关 合 闸 后，设备运行一段时间自动跳闸。B、C 相风机正常运 转。 A 相温度 132℃，B、C 相分别为 87℃和 83℃。 经 确认 A 相 3 号风机发生轴承磨损，投入运行后风扇 无法转动，产生过电流导致空气开关跳闸。
第３期
巨建成：６００Ｍ Ｗ 发电机组励磁变压器冷却系统问题分析及改造
55
３ 励磁变冷却系统改造可行性分析
（1）冷却风机并联运行，但各自使用独立的开关 控制。
原励磁变压器每相配备的四台冷却风机并联运 行，使用同一个空气开关 ，对电气回路进行改造，四 台风机仍采用并联运行， 但每台风机电源上口各使 用独立的空气开关并加装保险， 这样单个风机故障 时，该风机电源开关跳开，其他风机正常运行，避免 了故障的扩大。 这种改造在电气上可行。
图 3 励磁变压器改造后平面图
56
第 ５３ 卷
图 4 励磁变风冷系统电路图
Βιβλιοθήκη Baidu
要变压器每相风机故障台数不超过 3 台， 备用风机 可以满足变压器冷却风量要求。
风机故障时，故障信号为发主控，每相单独发出 故障信号。 运行人员根据信号来源再在励磁变处手 动投运故障相备用风机， 检修人员负责将故障信号 消除。
备用风机应满足励磁变的冷却风量要求， 原冷 却 风 机 风 量 2 500m3/h， 备 用 风 机 建 议 选 用 GFSD650-220 型 （新增 1、3、5 为左型、 新增 2、4、6 为右型），风量 3 600m3/h。备用风机电源区别于原风 机电源，取自汽机房 0 米 MCC。
新加风机 1、3、5 因为励磁变外壳与固定风机槽 钢距 离 为 150mm，风 机 宽 度 尺 寸 为 250mm，所 以 需 要在励磁变外壳对应位置下部进行开孔， 宽度为 150mm，高度为 700mm，
造，分析对比了励磁变压器改造前后的温度趋势。
关键词：励磁变压器；冷却系统；运行
中图分类号：TM406
文献标识码：B
文章编号：1001－8425（2016）03－0053－05
Problem Analysis and Improvement of 600MW Power Generation Excitation Transformer Cooling System
温 控 器 取 220V 交 流 电 源 。 冷 却 风 机 型 号 为 GFSD650-200，横 吹 式 三 相 电 机 ，额 定 电 流 0.45A， 功率 250W，风量 2 500m3/h。
励磁变压器设计使用规程为： 变压器绕组最高 温 升 100K，当 励 磁 变 绕 组 温 度 超 过 100℃时 ，冷 却 风机自动投入运行， 绕组温度降为 80℃以下时，冷 却风机自动停运，励磁变报警温度 130℃，跳闸温度 150℃。当励磁变铁心温度超过 130℃时，温控器通过 DCS 给电厂主控发报警信号，同时就地发出声光报 警信号。
（2）在风机电气回路安装故障反馈节点。 在每台冷却风机上口空气开关处， 安装中间继 电器或利用开关自身所带辅助节点 ， 连 接 DCS 回 路，给发电厂主控反馈风机状态信号。在风机正常工 作状态下，常闭节点断开，反馈正常指示信号。 当风 机空气开关跳闸时， 常闭节点闭合，DCS 回路接通， 给主控发出故障信号。 这样在主控的监控范围可以 具体到励磁变的每相风机状态， 能够及时的发现缺 陷，同时避免了励磁变铁心温度的升高。 （3）增加备用风机可行。 实地测量励磁变压器自身与箱体的具体尺寸， 励磁变箱体底面积为 2 200mm×5 000mm，箱体面积 为 38.5m3， 变 压 器 本 体 前 后 两 面 距 箱 体 距 离 为 150mm， 备用风机型号的选择需要考虑风机尺寸大 小，同时统计变压器冷却风机自身吹风量，可以在市 场上选择体积、吹风量合适的冷却风机，同时变压器 铁心固定的底部槽钢在两头有 80mm 的余量， 新增 风机可固定安装在槽钢上。 该安装位置风机出风口 对应变压器铁心绕组间隙， 能够起到吹风降温的效 果。
４ 改造实施
（1）安装新增备用风机。励磁变压器改造后平面
图如图 3 所示。 在图 3 中所示位置加装 3 组 6 个备 用风机，备用风机与励磁变自带风机采用不同电源。 每相新增两台风机采用并联电路， 但每台风机上口 安装独立空气开关，这样任意一个风机故障，该风机 上口开关跳闸，非故障风机正常运行。在每个保护开 关下口加装中间继电器，如果风机故障，对外发报警 信号。
54
箱体式树脂绝缘干式变，冷却方式为 AN，即空气风 机冷却和空气自然冷却。该励磁变压器为三相分体， A、B、C 三相各配备 1 台 BWDK-3207ⅡDL420 铁心 测温型温控器，每相由两个绕组构成，每个绕组各配 备两台冷却风机， 风机出风口由绕组下部通过间隙 吹向绕组上部，以达到对变压器散热的效果。
（Hebei Xibaipo Electric Generation Co., Ltd., Shijiazhuang 050400, China）
Abstract：The 600MW generator set excitation transformer cooling system is introduced. The problems are analyzed. The excitation transformer cooling system is improved. The excitation transformer temperature trends before and after improvement are analyzed and comparisoned. Key words：Excitation；Cooling system；Operation
大量的热， 因此励磁变冷却系统的稳定与否直接影 响励磁变可靠性，进而影响整个发电系统的稳定，因 而有必要提高励磁变冷却系统稳定性。 自并励静止 励磁系统示意图，如图 1 所示。
图 1 自并励静止励磁系统示意图
２ 设备简介
某火力发电厂三期工程， 两台 600MW 机组（5 号、6 号机）2006 年投产，采用自并励静止励磁系统。 励 磁 变 压 器 型 号 为 ZLSC(D)10-X-6900/20，为 封 闭
分析 600MW 机组励磁变冷却系统， 发现存在 如下几个问题。
（1）励磁变压器冷却系统电气回路不合理。励磁 变压器单相冷却系统电路图如图 2 所示。 图中 QF1 和 QF2 为施耐德 C65N D2（额 定 电 流 2A），电 动 机 型，断路器本身带保护。
根据图 2 可知， 励磁变每相四台冷却风机并联 运行，使用同一电源。 采用这种电气连接方式，运行 中任意一台冷却风机故障，如风扇滞涩或轴承故障， 导致该电机产生过载电流， 就会使开关 QF2 跳闸， 或电源保险烧毁，四台风机均退出运行，该相绕组温 度升高； 若任意一台风机发生接地故障而产生接地 电流，则该相冷却电源无法合闸，其余非故障风机无 法投入运行。
（3）冷却风机无备用。 在机组运行状态，励磁变冷却风机发生故障时， 不能更换风机。 由于该励磁变压器为封闭箱式干式 变。冷却风机在铁心槽钢上固定，风机外壳距变压器 铁心绕组 100mm， 同时励磁变箱体内空间狭窄，励 磁变 A、C 边相距箱体 200mm，变压器本体正、背面 距箱体 150mm， 变压器一次侧 20kV 电压， 二次侧 890V 电压，视在功率 3×2 300kVA，在这种环境中进 行风机更换作业不符合带电作业安全距离， 因此机 组运行期间，风机发生故障时无法及时更换。若铁心 运行温度在 80℃以 下 ，可 加 强 监 控 继 续 运 行 ；若 运 行温度超过 80℃时 ，冷 却 风 机 故 障 无 法 启 动 ，应 降 低机组负荷或应放置外置风机， 对故障相铁心绕组 吹风降温，同时严格监测空气湿度、粉尘，防止造成 铁心短路。因此冷却风机故障难以消缺，冷却风机无 备用，降低了励磁变压器可靠性。 （4）励磁变压器冷却系统运行规程不同。 该电厂针对 5 号机、6 号机励磁 变 压 器 冷 却 系 统采用不同的运行规程，6 号机冷却风机一直 处 于 运行状态， 不考虑励磁变压器铁心温度是否达到风 机启动值 100℃。 5 号机励磁变压器按设计规程使 用。5 号、6 号机做对比，统计记录励磁变压器冷却风 机的故障率和故障台次， 以确定最优的风机运行方 式。
2010 年 9 月 14 日 17：22，5 号 机 主 控 DCS 监 控系统显示励磁变 B 相绕组故障报警，运行人员就 地发现，5 号励磁变 B 相 4 台风机均停运，B 相风机 开关跳闸后不能合闸，A、C 相风机正常运转。 B 相温 度 131℃，A、C 相分别为 95℃、93℃。 经确认 B 相 1 号风机发生绕组接地故障，产生接地电流，空气开关 无法闭合。
第 ５３ 卷 第 ３ 期 ２０１６ 年 ３ 月
TRANSFORMER
Vol.53 No.3 March 2016
600MW 发电机组励磁变压器冷却 系统问题分析及改造
巨建成
（河北西柏坡发电有限责任公司，河北 石家庄 050400）
摘要：对 600MW 发电机组励磁变压器冷却系统进行了介绍，分析了存在的问题，对励磁变压器冷却系统进行了改
（2）反馈信号不全面。 励磁变温控器给主控只反映励磁变该相铁心温
第 ５３ 卷
图 2 励磁变压器单相冷却系统电路图
度信号，不反映风机的异常停机。 例如 B 相冷却风 机刚发生故障时，励磁变 B 相铁心温度此时还处于 正常温度范围，但没有给主控反馈风机故障信号，只 有随时间推移，B 相铁心绕组温度升高到警戒值后， 温控器才给主控反馈报警信号， 从故障发生到主控 接收报警信号，浪费了宝贵的消缺时间，同时变压器 铁心高温降低了绕组的绝缘水平， 缩短设备的使用 寿命。
１ 引言
励磁系统是发电厂电气系统中一个重要的环 节，它负责给发电机转子提供励磁电流，转子在汽轮 机的带动下旋转， 从而形成旋转磁场切割发电机定 子线圈，进而定子线圈产生感应电动势，为电力系统 提供电能。 因此励磁系统的稳定性在发电厂中意义 尤为重要。
300MW 发电机组多采用主、副励磁机为发电机 提供励磁电流，600MW 机组则采用自并励静止励磁 系统，使用励磁变压器，从发电机出口取 20kV 电压 电源，通过励磁变压器将电压降为 890V，然后与可 控硅整流装置连接， 进而为发电机转子提供直流励 磁电流。为了保证励磁系统具有很强的励磁能力，励 磁变压器在额定工作条件下，功率因数偏低，可控桥 的控制角偏大，换相角偏小，因此励磁变低压侧谐波 含量比一般的变压器高， 这就导致变压器涡流损耗 较大，产生热量较多。励磁变压器多为封闭干式变压 器，空间有限、负荷较高、电流、电压较高，且谐波含 量高， 这些都导致励磁变压器在运行过程中会产生
安装完风机后对外部开孔部位进行密封处理。 （2）根据需求，设计新的电路图，如图 4 所示。 从新电路图中可以观察， 励磁变压器每相自带 四台风机采用并联电路， 每台风机上口使用独立的 空气开关，该空气开关带常闭节点 NC1、NC1'，励磁 变冷却风机运行规程规定， 当该相铁心温度升高超 过 100℃时， 合闸，四台风机同时投入使用，因此正 常运行过程中不存在投入单个风机的情况， 四台风 机 上 口 开 关 F1、F2、F3、F4 正 常 情 况 下 一 直 处 于 合 闸状态，当任意一台风机故障，如风机 1 故障，则 F1 跳 闸 ，F1 开 关 的 常 闭 触 点 NC1、NC1' 闭 合 ， 远 方 DCS 回路得到风机 1 跳闸信号， 进而将故障信号反 馈给主控室，这样运行人员能够及时发现风机故障、 消除故障，其他非故障风机正常运行。 备用风机电源母线与励磁变自带风机采用不同 电源，这样提高了励磁变的安全系数。同时备用风机 风量为 3 600m3/h，原风机风量为 2 500m3/h，这样只
2010 年 10 月 28 日 21：28， 运行值班员发现 6 号 励 磁 变 A 相 铁 心 故 障 报 警 ，A 相 风 机 开 关 合 闸 后，设备运行一段时间自动跳闸。B、C 相风机正常运 转。 A 相温度 132℃，B、C 相分别为 87℃和 83℃。 经 确认 A 相 3 号风机发生轴承磨损，投入运行后风扇 无法转动，产生过电流导致空气开关跳闸。
第３期
巨建成：６００Ｍ Ｗ 发电机组励磁变压器冷却系统问题分析及改造
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３ 励磁变冷却系统改造可行性分析
（1）冷却风机并联运行，但各自使用独立的开关 控制。
原励磁变压器每相配备的四台冷却风机并联运 行，使用同一个空气开关 ，对电气回路进行改造，四 台风机仍采用并联运行， 但每台风机电源上口各使 用独立的空气开关并加装保险， 这样单个风机故障 时，该风机电源开关跳开，其他风机正常运行，避免 了故障的扩大。 这种改造在电气上可行。
图 3 励磁变压器改造后平面图
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第 ５３ 卷
图 4 励磁变风冷系统电路图
Βιβλιοθήκη Baidu
要变压器每相风机故障台数不超过 3 台， 备用风机 可以满足变压器冷却风量要求。
风机故障时，故障信号为发主控，每相单独发出 故障信号。 运行人员根据信号来源再在励磁变处手 动投运故障相备用风机， 检修人员负责将故障信号 消除。
备用风机应满足励磁变的冷却风量要求， 原冷 却 风 机 风 量 2 500m3/h， 备 用 风 机 建 议 选 用 GFSD650-220 型 （新增 1、3、5 为左型、 新增 2、4、6 为右型），风量 3 600m3/h。备用风机电源区别于原风 机电源，取自汽机房 0 米 MCC。
新加风机 1、3、5 因为励磁变外壳与固定风机槽 钢距 离 为 150mm，风 机 宽 度 尺 寸 为 250mm，所 以 需 要在励磁变外壳对应位置下部进行开孔， 宽度为 150mm，高度为 700mm，
造，分析对比了励磁变压器改造前后的温度趋势。
关键词：励磁变压器；冷却系统；运行
中图分类号：TM406
文献标识码：B
文章编号：1001－8425（2016）03－0053－05
Problem Analysis and Improvement of 600MW Power Generation Excitation Transformer Cooling System
温 控 器 取 220V 交 流 电 源 。 冷 却 风 机 型 号 为 GFSD650-200，横 吹 式 三 相 电 机 ，额 定 电 流 0.45A， 功率 250W，风量 2 500m3/h。
励磁变压器设计使用规程为： 变压器绕组最高 温 升 100K，当 励 磁 变 绕 组 温 度 超 过 100℃时 ，冷 却 风机自动投入运行， 绕组温度降为 80℃以下时，冷 却风机自动停运，励磁变报警温度 130℃，跳闸温度 150℃。当励磁变铁心温度超过 130℃时，温控器通过 DCS 给电厂主控发报警信号，同时就地发出声光报 警信号。
（2）在风机电气回路安装故障反馈节点。 在每台冷却风机上口空气开关处， 安装中间继 电器或利用开关自身所带辅助节点 ， 连 接 DCS 回 路，给发电厂主控反馈风机状态信号。在风机正常工 作状态下，常闭节点断开，反馈正常指示信号。 当风 机空气开关跳闸时， 常闭节点闭合，DCS 回路接通， 给主控发出故障信号。 这样在主控的监控范围可以 具体到励磁变的每相风机状态， 能够及时的发现缺 陷，同时避免了励磁变铁心温度的升高。 （3）增加备用风机可行。 实地测量励磁变压器自身与箱体的具体尺寸， 励磁变箱体底面积为 2 200mm×5 000mm，箱体面积 为 38.5m3， 变 压 器 本 体 前 后 两 面 距 箱 体 距 离 为 150mm， 备用风机型号的选择需要考虑风机尺寸大 小，同时统计变压器冷却风机自身吹风量，可以在市 场上选择体积、吹风量合适的冷却风机，同时变压器 铁心固定的底部槽钢在两头有 80mm 的余量， 新增 风机可固定安装在槽钢上。 该安装位置风机出风口 对应变压器铁心绕组间隙， 能够起到吹风降温的效 果。
４ 改造实施
（1）安装新增备用风机。励磁变压器改造后平面
图如图 3 所示。 在图 3 中所示位置加装 3 组 6 个备 用风机，备用风机与励磁变自带风机采用不同电源。 每相新增两台风机采用并联电路， 但每台风机上口 安装独立空气开关，这样任意一个风机故障，该风机 上口开关跳闸，非故障风机正常运行。在每个保护开 关下口加装中间继电器，如果风机故障，对外发报警 信号。
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箱体式树脂绝缘干式变，冷却方式为 AN，即空气风 机冷却和空气自然冷却。该励磁变压器为三相分体， A、B、C 三相各配备 1 台 BWDK-3207ⅡDL420 铁心 测温型温控器，每相由两个绕组构成，每个绕组各配 备两台冷却风机， 风机出风口由绕组下部通过间隙 吹向绕组上部，以达到对变压器散热的效果。