變壓器強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)事故簡析

劉吉昀

摘? 要：主變壓器是變電站最重要的設(shè)備之一，其運行的穩(wěn)定性決定了變電站的正常運行。目前，大型變壓器大多采用風(fēng)冷、水冷等方式，地下變電站的主變壓器主要采用了強迫油循環(huán)水冷卻的冷卻方式，文章簡析了地下變電站某次變壓器強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)事故的過程、原因，并提出優(yōu)化改造建議，對今后強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)運行維護(hù)、設(shè)計改造有重要意義。

關(guān)鍵詞：地下變電站;強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng);優(yōu)化改造

中圖分類號：TM41? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0067-02

Abstract： The main transformer is one of the most important equipment in the substation， and its operation stability determines the normal operation of the substation. at present， most of the large transformers are air-cooled， water-cooled and so on. The main transformer of underground substation mainly adopts the cooling mode of forced oil circulating water cooling. this paper briefly analyzes the process and causes of a transformer forced oil circulating water cooling system accident in underground substation， and puts forward some suggestions for optimization and transformation. It is of great significance to the operation， maintenance， design and transformation of forced oil circulating water cooling system in the future.

Keywords： underground substation; forced oil circulating water cooling system; optimization and transformation

1 變電站情況概述

本站于2013年6月30日投產(chǎn)發(fā)電，日常運行方式無人值守，為第一代智能地下GIS設(shè)備負(fù)荷變電站，220/110/10kV三個電壓等級;220kV接線方式為單母線分段接線，110kV接線方式為單母線三分段接線，10kV接線方式為單母線六分段環(huán)形接線，3臺變壓器，每臺容量180MVA，總?cè)萘?40MVA，冷卻方式為強迫油循環(huán)水冷，每臺變壓器的冷卻系統(tǒng)由一套油水交換系統(tǒng)和一套水氣交換系統(tǒng)組成，共有三臺油泵、三臺水泵以及54臺風(fēng)扇。

2 強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)簡析

變壓器內(nèi)油由油泵從變壓器上層抽出，經(jīng)體外冷卻油管循環(huán)降溫，冷卻油管外包著冷卻水管，冷卻水將油的熱量帶走，使熱油得到冷卻，從油箱下部流回變壓器，經(jīng)變壓器油冷卻器熱交換后的熱水由水泵，經(jīng)上水管運輸?shù)降厣仙崞?，?jīng)風(fēng)扇散熱后，經(jīng)下水管循環(huán)，完成冷卻過程。由于水的比熱容較高，散出同樣的熱量所上升的溫度較低（與油、空氣相比較），散熱效率較高，成本較低，故所需冷卻器的數(shù)量較少，因而占地面積較少，維護(hù)、檢修工作量大為減少。

水冷系統(tǒng)采用交流雙回路電源供電，具備自投自復(fù)功能，當(dāng)風(fēng)冷電源選擇手把放“Ⅰ工作Ⅱ備用”位置時，若Ⅰ電源的電壓大于420V或小于360V者，風(fēng)冷電源自動切換到Ⅱ電源工作;當(dāng)Ⅰ電源電壓恢復(fù)正常后，則風(fēng)冷電源自動切回到Ⅰ電源工作。輸出兩路電源分別進(jìn)入散熱器控制箱、冷卻器控制箱。

散熱器控制箱控制著一臺變壓器的三組散熱器，KZJ1采220kV、110kV開關(guān)位置，當(dāng)變壓器拉開時，KZJ1斷開，散熱器停止工作。變壓器運行時，水溫達(dá)到50℃時，處于輔助1狀態(tài)的散熱器投入;水溫降至45℃時，輔助1散熱器退出;水溫達(dá)到70℃時，處于輔助2狀態(tài)的散熱器投入;水溫降至60℃時，輔助2散熱器退出。

冷卻器控制箱控制著一臺變壓器的三組冷卻器，KZJ1采220kV、110kV開關(guān)位置，當(dāng)變壓器拉開時，KZJ1斷開，冷卻器停止工作。當(dāng)主變油溫達(dá)到60℃時，KWJ閉合，處于輔助狀態(tài)的冷卻器投入;油溫降至45℃時，KWJ斷開，輔助冷卻器退出。工作冷卻器發(fā)生故障，K3閉合，位于備用狀態(tài)的冷卻器自動投入。

強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，水泵、油泵常年不停歇滿負(fù)荷運行，發(fā)生故障的可能性較大，而地下變電站空間有限，變壓器自身散熱能力較差，當(dāng)變壓器冷卻器全停時，變壓器溫度將迅速上升，并且與主變負(fù)載率高度正相關(guān)，負(fù)荷越重，溫升越大[2]。此時若不能及時將變壓器退出運行，將會造成變壓器絕緣嚴(yán)重?fù)p壞，甚至完全擊穿，導(dǎo)致變壓器故障，影響變電站甚至電網(wǎng)正常、穩(wěn)定運行。為此，在變壓器風(fēng)冷控制回路中增加了冷卻器全停保護(hù)，保護(hù)變壓器絕緣，延長其使用壽命。

3 事故簡述

某日13：57監(jiān)控機(jī)發(fā)：2#變冷卻器全停出口、2#變冷卻器電源故障報警、2#變散熱器電源故障報警、2#變散熱器故障報警動作信號，全站事故總信號動作復(fù)歸信號;14：18 2#變冷卻器全停出口、2#變冷卻器電源故障報警、2#變散熱器電源故障報警、2#變散熱器故障報警信號復(fù)歸;2#變冷卻系統(tǒng)全停前的運行方式為：第2組冷卻器位于“工作”位置，第1組冷卻器位于“輔助”位置，第3組冷卻器位于“備用”位置，運維人員檢查發(fā)現(xiàn)2#主變室冷卻器控制箱內(nèi)接觸器KM2下口有燒灼現(xiàn)象，所內(nèi)屏2#變風(fēng)冷電源I、II在分閘位置，2#主變散熱器設(shè)備區(qū)“水-空氣冷控箱”內(nèi)冷卻器電源空開QF4位于合閘位置，檢查該冷控箱內(nèi)部元器件及其接線無問題，經(jīng)核實變壓器風(fēng)冷已不能恢復(fù)運行;事故導(dǎo)致2#變?nèi)齻?cè)開關(guān)掉閘，110kV、10kV母聯(lián)自投成功。

4 事故原因分析

通過接觸器KM2解體分析，初步判斷為內(nèi)部主觸頭B相接觸不良引起間歇放電，造成下口接線端子處融化，發(fā)展為A、B相間短路故障。

故障電流超過冷控箱內(nèi)主電源空開、所內(nèi)屏2#主變冷卻電源I、II空開動作電流，空開動作時限特性存在差異，所內(nèi)屏2#主變冷卻電源I、II空開均跳閘，發(fā)出冷卻器全停出口動作。20min內(nèi)未能恢復(fù)水冷系統(tǒng)，非電量跳三側(cè)。

5 運行規(guī)定

除去日常巡視、測溫，變電站運維人員還需定期倒換冷卻系統(tǒng)運行方式。正常運行方式下，每臺變壓器的散熱器系統(tǒng)由三組散熱器組成，兩路電源指示燈應(yīng)同時亮，一組散熱器放“工作”位置，另一組散熱器放“輔助1”位置，第三組散熱器放“輔助2”位置。每臺變壓器由三組冷卻器組成，每組冷卻器帶一臺水泵和一臺油泵，當(dāng)滿足條件時油泵水泵同時投入運行。正常方式下，一組冷卻器放在“工作”位置，另一組冷卻器放在“輔助”位置，第三組冷卻器放在“備用”位置;“工作”位置的冷卻器應(yīng)定期輪換（按照定期輪換原則應(yīng)定期進(jìn)行輪換，每季度輪換一次）[1]。輪換工作后，24小時內(nèi)對所輪換冷卻器二次回路進(jìn)行跟蹤測溫，并密切關(guān)注油泵、水泵、油流繼電器、水流繼電器運行正常。

根據(jù)公司運行規(guī)定，強油循壞水冷變壓器頂層油溫的報警溫度為80℃。當(dāng)發(fā)生事故時，失去全部冷卻器時，允許帶額定負(fù)載運行20min。如果20min以后故障沒有清除，非電量保護(hù)動作跳開變壓器各側(cè)開關(guān)。

6 改造建議

（1）更換經(jīng)廠家、專業(yè)班組計算過的跳閘電流、跳閘時間適合空氣開關(guān)（斷路器）。

現(xiàn)場QF1、QF2使用施耐德NSE250N型空氣開關(guān)（斷路器），根據(jù)說明可知道過載保護(hù)的整定值為250A，短路保護(hù)的整定值為2000A;QF5使用施耐德NSE160N型空氣開關(guān)（斷路器）根據(jù)說明可知道過載保護(hù)的整定值為125A，短路保護(hù)的整定值為1250A。在電流在160A-250A之間時，達(dá)到一定時限，QF5跳開;在電流在250A-1250A之間時，QF1、QF2、QF5會有保護(hù)延時，不會立即跳開。本站所內(nèi)屏兩路空氣開關(guān)額定電流為250A。QF1、QF2、QF5、所內(nèi)空氣開關(guān)時限選擇不夠合理，如果冷卻器控制回路發(fā)生短路，若短路電流大于250A，不超過1250A時，所內(nèi)屏兩路空氣開關(guān)會跳開，而冷卻系統(tǒng)兩路總電源空氣開關(guān)（斷路器）、冷卻器回路電源空氣開關(guān)（斷路器）不會跳開，實質(zhì)造成事故范圍擴(kuò)大。

（2）改造系統(tǒng)回路。冷卻器控制箱內(nèi)主回路如圖1，3組冷卻器由QF5空氣開關(guān)（斷路器）控制，若KM1、KM2、KM3繼電器及繼電器至QF5空氣開關(guān)（斷路器）控制之間發(fā)生故障，只能由QF5切除故障，而斷開QF5會造成三組冷卻器都失去電源，造成冷卻器全停。個人認(rèn)為應(yīng)在KM1、KM2、KM3繼電器上方各增加合適的空氣開關(guān)（斷路器）。

（3）本站水冷系統(tǒng)電源由所內(nèi)出，先接入地上散熱器控制箱，后接入地下冷卻器控制箱。當(dāng)散熱器控制箱有故障時，會影響冷卻器控制箱的供電，影響冷卻器系統(tǒng)正常運行，嚴(yán)重時導(dǎo)致變壓器跳閘。散熱器短時間內(nèi)不會造成變壓器跳閘，故冷卻器系統(tǒng)較散熱器系統(tǒng)更為重要，應(yīng)將電源先接入冷卻器控制箱或單獨引線接所內(nèi)電源。

（4）本站水冷系統(tǒng)采用交流雙回路電源供電，在雙回路電源失去，造成2#變冷卻器全停，而導(dǎo)致2#變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳閘?；蛟儆鰳O端情況，站用電全失，會造成3臺變壓器的冷卻器全部停運，本站屬于無人站，運維人員到現(xiàn)場處理需要時間，若20min內(nèi)無法恢復(fù)，會導(dǎo)致三臺變壓器全部跳閘，致使全站失電。因此，個人認(rèn)為應(yīng)將水冷系統(tǒng)接入本站一體化電源系統(tǒng)（UPS）或單獨建立UPS屏，保證水冷系統(tǒng)在失去交流電源時，短時間內(nèi)系統(tǒng)可正常運行，減小事故范圍，給運維人員處理爭取時間。

（5）在水冷控制箱內(nèi)增加散熱裝置，地下變電站空間有限，水冷控制箱較小，箱內(nèi)繼電器、接觸器等二次原件較多，布置緊湊，長期運行產(chǎn)生熱量不易散發(fā)，造成原件溫度上升，易造成原件燒毀、接口放電等故障。增加輔助散熱裝置可幫助水冷控制箱有效散熱，保障原件可正常運行。同時，研究、開發(fā)新溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對箱內(nèi)繼電器、接觸器運行溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)溫度異常及時報警，并通知運維人員，及時處置，避免事故擴(kuò)大。

7 結(jié)束語

隨著城市不斷發(fā)展，負(fù)荷不斷增長，現(xiàn)有變電站不能完全滿足社會用電需求，再建變電站勢在必行，而土地資源日趨緊張，地下變電站的應(yīng)用會越來越多。強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)是地下變電站變壓器冷卻系統(tǒng)常用、有效的冷卻方式，對其進(jìn)行分析、研究，避免強迫油循環(huán)水冷系統(tǒng)事故發(fā)生可有效保證變電站穩(wěn)定、安全運行，有助于變電站運維人員日常工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]國網(wǎng)北京市電力公司.變電站現(xiàn)場運行通用規(guī)程[S].中國電力出版社，2015.

[2]周麗巍.北京電網(wǎng)220kV強油循環(huán)水冷變壓器冷卻系統(tǒng)安全運行分析[J].科技尚品，2017.