励磁变压器冷却系统改进技术方案研究

楼彬，包小兵，傅益垚

1.嘉兴南洋职业技术学院，浙江嘉兴，314031；2.紧水滩水力发电厂，浙江丽水，323000

0 引言

随着社会的不断进步，经济迅猛发展，电力需求也不断增加，对用电的安全性和可靠性也带来了巨大的挑战。变压器作为电网系统中的重要组成部分，对安全用电起到至关重要的作用。而当前的变压器运行压力普遍较大，变压器的材质结构、投运年限以及运行环境等都会对其造成影响，在运行过程中会产生大量的热量，加速变压器的绝缘老化，降低使用寿命[1]。冷却系统是变压器上的一个重要附属设备，对变压器乃至整个电网系统的正常运行起到重要作用。冷却系统发生的最严重故障是全停事故，因不能及时散热，变压器油温升高，进而导致电网系统不能正常健康运行，造成极其严重的后果[2]。因而，提升变压器冷却系统的散热水平十分重要，防止因不良散热导致变压器损坏，避免不必要的损失。

目前，变压器冷却系统的主要冷却方式有以下几种：①油浸自冷式（ONAN）；②油浸风冷式（ONAF）；③强迫油循环风冷（OFAF）；④强迫油循环水冷（OFWF）；⑤强迫油循环导向循环冷却（ODWF）[3-4]。结合紧水滩水力发电厂1号主变压器的实际情况，冷却系统采用强迫油循环风冷的冷却方式。

对电力设备进行定期检修，可以及时发现潜在的问题，避免造成严重的影响。变压器运行一段时间后，在维护保养的过程中发现冷却控制系统中的两路电源自动切换回路和直流工作电源回路在设计上存在严重的缺陷，会造成变压器产生油流带电的风险，甚至发生冷却器全停事故，引起电网系统报警、跳闸等恶性事件，严重威胁变压器主设备乃至电网系统的安全、可靠运行。

1 工程概况

紧水滩水力发电厂1号主变压器冷却系统中，提供了两路交流工作电源，当变压器正常运行时，可以任意选择一路电源作为主用，当某一路电源突然消失时，将自动切换并启用另一路电源，从而使得冷却系统能正常工作。由此可见，电源切换回路能保证变压器的正常运行，提升整个电网系统的安全可靠性。

为保证冷却系统的自动投入回路和交流电源切换回路能正常运行，在控制回路中设置了一路直流工作电源，从而为冷却系统提供稳定的控制电源。冷却系统的控制元器件及功能如表1所示，交流电源切换回路、直流电源回路、信号回路的具体接线如图1所示。

图1 改进前的控制回路

表1 回路控制元器件及功能

当Ⅰ路交流工作电源投入时，KK把手的①②、⑤⑥接通，③④、⑦⑧断开。变压器正常运行时，Ⅰ、Ⅱ两路交流电源均有电压，电压继电器1YJ、2YJ，时间继电器1SJ、2SJ动作，中间继电器1ZJ、2ZJ、交流接触器1C相继得电开始动作，相关联的常开触点闭合，常闭触点断开，冷却系统由Ⅰ路交流电源供电。当Ⅰ路交流电源消失时，电压继电器1YJ、时间继电器1SJ、中间继电器1ZJ、交流接触器1C相继因失电复原，此时，接触器2C开始动作，冷却系统自动切换至Ⅱ路交流电源进行供电。

当Ⅱ路交流工作电源投入时，KK把手的设置与Ⅰ路交流工作电源投入时的设置刚好相反，冷却系统由Ⅱ路交流电源供电，当Ⅱ路交流电源消失时，冷却系统自动切换至Ⅰ路交流电源进行供电。根据以上分析得到，冷却系统可以由Ⅰ路、Ⅱ路交流电源相互切换进行供电。

2 冷却系统存在的问题

冷却系统控制回路的作用是能够维持变压器在正常的温度范围内进行工作，保证设备良好的工况运行，避免冷却系统全停事故的发生。分析图1所示的回路，功能近乎完善，不影响设备的正常运行。但是，直流工作电源突然消失后，会导致中间继电器1ZJ、2ZJ都因失电复原，常开触点断开，交流接触器1C、2C同时失磁，两路交流工作电源都将同时失电，冷却系统不能正常运行，出现全停问题。这会带来很多潜在的事故风险，造成不必要的损失。冷却系统全停后，变压器就需要减负荷工作甚至停运，因而运行和维护人员必须在最短的时间内查找原因，重新启动冷却系统。

直流工作电源消失后，中间继电器ZJ因未得电，始终处于返回状态，冷却系统自动投入功能不能实现。但回路采用的是常闭触点，直流工作电源失电后该触点闭合，冷却系统中的风扇不会对主设备产生影响，始终处于运行状态。以上分析得出冷却系统控制回路存在的问题：①直流工作电源消失将导致冷却系统全停；②没有直流电源监视信号。

3 冷却系统的改进技术设计

当两路交流电源都失电时，冷却系统全停，为了杜绝此类事故的发生，针对冷却系统控制回路存在的缺陷，我们拟采取以下对策。

3.1 避免直流电源回路对交流电源切换回路的影响

直流工作电源消失将导致冷却系统全停，为了避免直流电源回路对交流电源切换回路的影响，可以通过降低直流继电器对交流电源切换回路的控制来实现，如果直流继电器不可避免地控制交流电源切换回路，需采用常闭触点，当直流工作电源突然消失后，也不会导致冷却系统全停。

分析冷却系统自动投入回路，采用的是常闭触点，可以不考虑它的影响，这一直流回路可以保留，不用去除。交流电源投入控制继电器1ZJ、2ZJ采用交流型继电器，分别改接到Ⅰ、Ⅱ段交流电源回路。图1所示的时间继电器1SJ、2SJ起到一个延时作用，主用电源失电与备用电源启用之间有一个延时。近些年，新型的冷却系统控制回路已经取消这项功能，可取消1SJ、2SJ两个时间继电器，不影响回路功能实现。通过回路分析设计，原1SJ、2SJ线圈改接为换型后的交流型继电器1ZJ、2ZJ线圈，回路其他设计保持不变，交流电源自动切换功能就可以实现了。

3.2 增加直流电源监视信号

为了监测直流工作电源信号，可以增加直流电源监视继电器，从而有效提取检测过程中蕴含的信息，实现冷却系统运行状态的检测和故障诊断。针对相关问题，改进后的交流电源切换回路、直流电源回路、信号回路的具体接线如图2所示。中间继电器1ZJ、2ZJ由DC 220V、ZJ2-4型替换为AC 220V、TH4013-0X型，JJ为新增的继电器，作直流电源监视用，采用DC 220V、ZJ2-4型。

图2 改进后的控制回路

根据图2所示，直流电源回路中只包含了电源监视报警回路和冷却系统自动投入回路，相比改进前的回路，功能更加完善，设计回路也更加简化。直流工作电源突然消失后，继电器JJ即可发出报警信号，及时通知运行和维护人员到场处理；同时，冷却系统自动投入功能将失效，但不影响冷却系统的风扇继续运转。回路改进后，冷却系统不会因直流工作电源的消失而停止运转，有效避免了冷却系统全停事故的发生。

分析改进后的交流工作电源自动切换回路，以KK把手切在Ⅰ路电源为例。变压器正常运行时，交流电压继电器1YJ、2YJ动作，常开触点闭合，触发中间继电器1ZJ、2ZJ动作，常开触点闭合，常闭触点断开，接触器1C动作，2C不动作，冷却系统由Ⅰ路交流电源供电。当Ⅰ路交流电源消失时，1YJ复原，常开触点断开，1ZJ复原，常开触点断开，常闭触点闭合，接触器2C动作，1C不动作，冷却器自动切换到Ⅱ路交流电源。

经验证试验，改进后的回路较改进前的回路有了明显的提升，直流工作电源消失后，冷却系统也能正常运行，且电源自动切换都能正常运转。

4 结语

提升变压器冷却系统的散热水平十分重要，避免因不良散热导致全停事故的发生，对电力设备进行定期检修，及时发现问题，避免造成严重的影响。本文针对紧水滩水力发电厂1号主变压器，对冷却系统进行改进，消除了潜在的重大隐患，实现变压器运行状态的监测和故障诊断，经一段时间试验后，设备运行良好，变压器油面及绕组温升满足运行要求，避免了因冷却系统全停导致油温过热而发生故障甚至破坏，充分证明了该改进技术方案是行之有效的。