基于PLC控制的主變壓器水冷卻器故障分析及處理

何雙軍，梁紹泉

（山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東省泰安市 271000）

基于PLC控制的主變壓器水冷卻器故障分析及處理

何雙軍，梁紹泉

（山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東省泰安市 271000）

本文介紹了一起抽水蓄能電站主變壓器水冷卻器故障導(dǎo)致閉鎖機(jī)組其他工況啟動(dòng)事件，通過對主變壓器水冷卻器PLC邏輯控制程序進(jìn)行研究分析，及時(shí)完成故障處理。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況，對主變壓器水冷卻器PLC邏輯控制程序進(jìn)行優(yōu)化完善，有效解決了主變壓器冷卻器故障導(dǎo)致機(jī)組工況閉鎖問題，從而提高了機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

主變壓器；冷卻系統(tǒng)；故障；PLC；邏輯；程序

0 引言

山東泰山抽水蓄能電站位于山東省泰安市西約5km，處在泰山山脈西南麓，電站安裝4臺額定容量為250MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)組，4臺主變壓器采用SSP-300MVA/220KV型無載調(diào)壓油浸式變壓器，機(jī)組與主變壓器為一機(jī)一變的單元接線方式。電站在山東電網(wǎng)中承擔(dān)著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻調(diào)相及電網(wǎng)緊急事故備用的作用，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，機(jī)組具備快速響應(yīng)調(diào)度命令并網(wǎng)能力。電站主變壓器冷卻系統(tǒng)原控制邏輯中，冷卻器故障導(dǎo)致主變壓器冷卻系統(tǒng)故障，相應(yīng)機(jī)組閉鎖，若不能及時(shí)完成處理，相應(yīng)機(jī)組不能啟動(dòng)，對電網(wǎng)將造成較大備用容量的損失。

1 主變壓器冷卻系統(tǒng)簡介

電站變壓器油采用強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)水冷卻方式，每臺主變壓器設(shè)置4臺水冷卻器。采用西門子S7-300系列可編程控制器，正常運(yùn)行模式PLC控制柜方式選擇開關(guān)置“自動(dòng)”由PLC程序自動(dòng)切換，空負(fù)荷狀態(tài)下只有一臺冷卻器處于運(yùn)行狀態(tài)。負(fù)荷時(shí)，主變壓器冷卻器有4種工作方式：

（1）方式1：1、2號冷卻器工作，3號冷卻器輔助，4號冷卻器備用。

（2）方式2：2、3號冷卻器工作，4號冷卻器輔助，1號冷卻器備用。

（3）方式3：3、4號冷卻器工作，1號冷卻器輔助，2號冷卻器備用。

（4）方式4：4、1號冷卻器工作，2號冷卻器輔助，3號冷卻器備用。

正常負(fù)荷狀況下只有兩臺冷卻器在工作狀態(tài)，若變壓器繞組溫度升高到75℃或負(fù)荷增大至70%，輔助冷卻器啟動(dòng)，當(dāng)繞組溫度降低至65℃或負(fù)荷減小至70%額定負(fù)荷以下時(shí)，輔助冷卻器退出運(yùn)行；若工作冷卻器或輔助冷卻器故障，則啟動(dòng)備用冷卻器。

當(dāng)有一臺冷卻器發(fā)生故障，剩余3臺冷卻器運(yùn)行仍能滿足機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)正常運(yùn)行要求。

2 故障現(xiàn)象及處理過程

2011年9月8日，19時(shí)7分省調(diào)令3號機(jī)組P工況啟動(dòng)，19時(shí)12分監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警欄出現(xiàn)3號主變壓器“MT cooler 3 ALARM”“MT cooling SYSTEM ALARM”報(bào)警信息，監(jiān)控畫面顯示C冷卻器在開啟狀態(tài)，MT cooler 3 ALARM燈指示為黃色報(bào)警狀態(tài)，19時(shí)13分機(jī)組P工況并網(wǎng)，D冷卻器啟動(dòng)，監(jiān)控因主變壓器冷卻系統(tǒng)故障閉鎖該機(jī)組其他工況。現(xiàn)地檢查C冷卻器指示為開啟狀態(tài)，但是流量計(jì)顯示無流量，冷卻系統(tǒng)控制盤顯示：C冷卻器水閥故障、C冷卻器水流量低報(bào)警。檢查3號主變壓器A、B、C、D冷卻器實(shí)際均在開啟狀態(tài)。

19時(shí)42分3號機(jī)組解列，機(jī)組穩(wěn)態(tài)后仍閉鎖機(jī)組工況。20時(shí)6分現(xiàn)地復(fù)歸報(bào)警，機(jī)組恢復(fù)備用。

故障時(shí)，運(yùn)行值班人員現(xiàn)地檢查C冷卻器實(shí)際已開啟并在全開位置。據(jù)此，維護(hù)消缺人員現(xiàn)地檢查主變冷卻系統(tǒng)控制柜各報(bào)警回路元器件，但均未發(fā)現(xiàn)異常，手動(dòng)啟停C冷卻器試驗(yàn)運(yùn)行均未發(fā)現(xiàn)異常，分析報(bào)警信號可能是由某一元件瞬時(shí)故障引起。

根據(jù)主變壓器冷卻系統(tǒng)程序邏輯，分別對監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)地控制柜上出現(xiàn)的故障報(bào)警信號進(jìn)行分析。

首先監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警分析如下：

圖1為冷卻系統(tǒng)故障報(bào)警“MT cooling system ALARM”邏輯程序圖。

圖1 冷卻系統(tǒng)故障報(bào)警

程序段59中Q13.2～Q13.5分別為4臺冷卻器故障信號，Q14.5為主變壓器冷卻系統(tǒng)故障輸出。信號分別送至繼電器KA22、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1程序邏輯為：任意一臺冷卻器出現(xiàn)故障時(shí)會觸發(fā)主變壓器冷卻系統(tǒng)故障報(bào)警。

當(dāng)日監(jiān)控系統(tǒng)上同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警信號： “MT cooler 3 ALARM”“MT cooling SYSTEM ALARM”，可程序段59判斷為C冷卻器故障導(dǎo)致主變壓器冷卻系統(tǒng)故障，在監(jiān)控系統(tǒng)程序中主變壓器冷卻系統(tǒng)故障閉鎖機(jī)組工況。

圖2為C冷卻器故障報(bào)警“MT cooler 3 ALARM”邏輯程序圖。

圖2 C冷卻器故障報(bào)警

程序段57輸出Q13.4為C冷卻器故障“MT cooler 3 ALARM”。信號分別送至繼電器KA11、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。以下任意一信號滿足觸發(fā)該報(bào)警：

M7.3：C冷卻器故障

M10.4：C冷卻器開/水流判斷

M10.5：C冷卻器開/油流判斷

M11.4：C冷卻器油泵關(guān)判斷

M11.5：C冷卻器水閥關(guān)判斷

現(xiàn)地控制柜報(bào)警信號分析：

“C冷卻器水流量低”報(bào)警邏輯程序如圖3所示。

Q17.2為C冷卻水流量低報(bào)警輸出，I5.7為C冷卻水流量正常信號，信號來源于C冷卻器水流計(jì)；I8.4為 C冷卻器水閥全開信號，信號來源于C電動(dòng)水閥全開位置接點(diǎn)。

圖3 C冷卻水流量低報(bào)警

程序段82解析：當(dāng)C冷卻器水閥全開時(shí)，延時(shí)（設(shè)定為8s）后水流量未達(dá)到運(yùn)行設(shè)定值，輸出報(bào)警。

從現(xiàn)地檢查情況來看，控制柜出現(xiàn)“C冷卻器水流量低”報(bào)警，但控制柜上位置指示全開，而閥門本體實(shí)際也指示在全開位置，初步判斷為C冷卻器水流信號故障，冷卻器在開啟時(shí)水流量信號未滿足設(shè)定值而報(bào)警，原因可能為低流量報(bào)警接點(diǎn)仍在接通狀態(tài)。

“C冷卻水閥故障報(bào)警”邏輯程序如圖4所示。

圖4 C冷卻水閥故障報(bào)警

圖4 中Q16.2為C冷卻水閥故障報(bào)警邏輯輸出，信號輸出至現(xiàn)地報(bào)警燈。I1.2為C冷卻器水電動(dòng)閥斷路器跳閘，信號來源于C水閥斷路器QFC輔助接點(diǎn)；I8.6為C冷卻器水電動(dòng)閥故障，信號來源于C冷卻水電動(dòng)閥本體故障；M10.4為C冷卻器開水流判斷（見圖5）；M11.5為C冷卻器水閥關(guān)判斷（見圖6）。

圖5 C冷卻器開水流判斷

圖6 C冷卻器水閥關(guān)判斷邏輯

I14.0為冷卻器自動(dòng)控制，信號來源于控制轉(zhuǎn)換開關(guān)；Q12.4為C冷卻器啟動(dòng)，信號送繼電器KA5-C冷卻器油泵起；I5.7為C冷卻水流量正常信號，信號來源于C冷卻器水流計(jì)；Q12.5：C冷卻器停止，由信號繼電器KA6動(dòng)作控制。

圖5程序解析：自動(dòng)控制方式下（I14.0），C冷卻器收到指令啟動(dòng)（Q12.4），30s內(nèi)沒有再收到關(guān)閉命令(Q12.5)，冷卻水流量(I5.7)未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，M10.4輸出。

I8.5：C冷卻水電動(dòng)閥全關(guān)，信號來源于C電動(dòng)水閥全關(guān)位置接點(diǎn)。

程序段41解析：自動(dòng)控制方式下（I14.0），C冷卻器收到指令停止（Q12.5）30s內(nèi)沒有再收到開啟命令(Q12.4)條件下，當(dāng)電動(dòng)閥仍沒有到達(dá)全關(guān)位置(I8.5)時(shí)，M11.5輸出。

因在開機(jī)過程中出現(xiàn)故障，當(dāng)時(shí)C冷卻器水電動(dòng)閥門應(yīng)該是在停止轉(zhuǎn)變?yōu)殚_啟狀態(tài)，M11.5應(yīng)當(dāng)沒有輸出（見圖6）。由水流量故障信號(I5.7)引起開水流判斷邏輯M10.4輸出。M10.4觸發(fā)“C冷卻水閥故障”報(bào)警Q16.2（見圖4）與C冷卻器故障報(bào)警“MT cooler 3 ALARM” Q13.4（見圖2）。而C冷卻器故障報(bào)警Q13.4觸發(fā)了主變壓器冷卻系統(tǒng)故障Q14.5“MT cooling SYSTEM ALARM”（見圖1）。

經(jīng)以上分析可得出結(jié)論，3號主變壓器C流量開關(guān)動(dòng)作不可靠引起冷卻系統(tǒng)故障并導(dǎo)致機(jī)組工況閉鎖。實(shí)際主變壓器運(yùn)行時(shí)因設(shè)計(jì)有輔助及備用冷卻器，仍能滿足機(jī)組啟動(dòng)及滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)主變壓器冷卻要求。主變壓器冷卻系統(tǒng)程序段59（見圖1）中設(shè)計(jì)一臺冷卻器故障即導(dǎo)致機(jī)組閉鎖條件不合理。

3 處理過程

維護(hù)消缺人員對3號主變壓器故障流量開關(guān)進(jìn)行更換處理，多次啟停試驗(yàn)3號冷卻器，未發(fā)現(xiàn)異常?？紤]到原有的該型流量開關(guān)投入運(yùn)行已有一定年限，且其他主變壓器也存在因流量開關(guān)在運(yùn)行中存在動(dòng)作不穩(wěn)定，主變壓器空負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)誤報(bào)警導(dǎo)致冷卻器切換、觸發(fā)主變壓器冷卻系統(tǒng)總報(bào)警信號及機(jī)組運(yùn)行時(shí)閉鎖機(jī)組其他工況等問題。在2011年底利用檢修間隙將其他3臺主變壓器冷卻器流量開關(guān)全部更換，并更改相關(guān)邏輯。

修改主變壓器冷卻系統(tǒng)故障邏輯程序段59報(bào)警邏輯條件，將原一臺冷卻器故障觸發(fā)冷卻系統(tǒng)故障更改為任意兩臺冷卻器故障時(shí)觸發(fā)主變壓器冷卻系統(tǒng)故障。修改后冷卻系統(tǒng)故障報(bào)警報(bào)警邏輯如圖7所示。

圖7 修改后冷卻系統(tǒng)故障報(bào)警報(bào)警邏輯

主變壓器單臺冷卻器故障報(bào)警程序段未做改動(dòng)，因此當(dāng)某一冷卻器有故障仍能正常發(fā)出報(bào)警信號至現(xiàn)地控制柜及監(jiān)控系統(tǒng)，不影響值班運(yùn)維人員對故障的發(fā)現(xiàn)及判斷。經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，主變壓器一臺冷卻器引發(fā)的類似故障未出現(xiàn)。

但是在2012年4月14日上午11時(shí)左右，1號主變壓器空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控出現(xiàn)1號主變壓器C冷卻器故障、B冷卻器故障、主變壓器冷卻系統(tǒng)故障，1號機(jī)組各種工況均被閉鎖。

現(xiàn)地查看1號主變壓器冷卻器控制柜顯示“B冷卻器流量低”“C冷卻器流量低”“空載水流量低”報(bào)警。檢查B、C冷卻器電動(dòng)閥門均在開啟位置，流量開關(guān)指示無流量。經(jīng)檢查確認(rèn)1號主變壓器空負(fù)荷供水濾水器排污，導(dǎo)致實(shí)際水流量低（接近0bar），引起運(yùn)行中的C冷卻器故障，由此聯(lián)動(dòng)開啟備用冷卻器B，在B冷卻器開啟過程中，濾水器排污仍在進(jìn)行（5min），流過B冷卻器的實(shí)際水流量仍低，因此B冷卻器也報(bào)出故障，兩臺冷卻器故障超過程序設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后（延時(shí)為30s），同時(shí)發(fā)出報(bào)警，觸發(fā)1號主變壓器冷卻系統(tǒng)故障并送至監(jiān)控系統(tǒng)，閉鎖機(jī)組工況。

對比監(jiān)控系統(tǒng)上出現(xiàn)的報(bào)警信號結(jié)果與之前更改后的程序段59輸出結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了程序更改后滿足實(shí)際要求，并且更換后的流量開關(guān)在水流異常時(shí)能正常動(dòng)作。但需要解決由主變壓器空負(fù)荷供水濾水器排污時(shí)引起的冷卻器流量低報(bào)警問題。

通過分析相關(guān)程序，在充分考慮保證主變壓器安全運(yùn)行的前提下，對相關(guān)時(shí)間定值做相應(yīng)的優(yōu)化，修改空負(fù)荷供水流量低報(bào)警條件，將空負(fù)荷供水總管水流低判斷時(shí)間由無延時(shí)設(shè)定為7min，躲過濾水器排污（5min）時(shí)間。

程序修改后，啟動(dòng)1號空負(fù)荷泵濾水器排污試驗(yàn)，直至濾水器結(jié)束，主變壓器冷卻系統(tǒng)相關(guān)報(bào)警及故障未出現(xiàn)，機(jī)組正常備用未閉鎖。

4 結(jié)束語

隨著電站機(jī)組設(shè)備投入運(yùn)行年限的不斷增加，設(shè)備故障幾率也會相應(yīng)增加，對陳舊且故障頻發(fā)元器件需要密切關(guān)注，并及時(shí)更新?lián)Q型，選擇性能更穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)品既可減少維護(hù)成本，又能提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，在相關(guān)設(shè)備的故障分析處理過程中不斷摸索規(guī)律，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷或不合理的地方，根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使設(shè)備運(yùn)行達(dá)到最佳性能。

劉華波，何文雪，王雪.西門子S7-300/400編程與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

何雙軍（1982—），男，電氣班班長，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事大型抽水蓄能電站電氣一、二次設(shè)備檢修維護(hù)工作。E-mail: heshuang3276@163.com

梁紹泉（1985—），男，遼寧開原人，電氣班專責(zé)，助理工程師，主要從事大型抽水蓄能電站電氣一、二次設(shè)備檢修維護(hù)工作。

An Analysis of the Main Transformer’s Fault Watercooler based on PLC

HE Shuangjun，LIANG Shaoquan
（Shandong Taishan pumped storage power station Co. Ltd.,Taian 271000）

Introduced with pumping watercooler of main transformer station fault causes the latching unit other conditions start event energy storage，through to the main variable watercooler PLC logic control program of research and analysis，the timely completion of fault treatment.At the same time，based on the actual situation of the equipment operation，to optimize the main variable watercooler PLC logic control program，effectively solves the main transformer cooler fault causes the unit condition locking problems，thus improving the reliability of equipment operation unit.

the main transformer；cooling-system；fault；PLC；the program