发电厂干式励磁变压器冷却装置存在问题及改造分析

发电厂干式励磁变压器冷却装置存在问题及改造分析

孙,赫1, ,张,军1,  ,范二利1 , ,范欣2

1北方魏家峁煤电有限责任公司  内蒙古  准格尔旗 010000

2内蒙古呼和浩特热电厂   内蒙古 呼和浩特   010000

摘要：本文对魏家峁煤电公司励磁变压器冷却系统运行现状进行了介绍，提出现阶段励磁变压器运行过程中冷却系统存在的问题，针对存在的问题提出了励磁变压器冷却装置改造方案，分析对比了改造前后励磁变压器冷却系统的运行及检修方式。

关键词：励磁变压器；冷却系统改造；电气系统回路

0引言

励磁系统是发电厂及变电站电气系统中及其重要的环节，供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统，它维持着发电机端电压在给定值，当负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压并合理的对并列运行机组之间的无功进行分配。励磁系统可以提高电力系统的静态稳定性、暂态稳定性及动态稳定性。因此保证励磁系统的安全、稳定运行是发电机组稳定发电、满负荷发电的先决条件，是发电厂电力系统可靠运行的关键。

魏家峁煤电公司采用自并励静止励磁系统，发电机出口取20kV电压电源，经过励磁变压器降压，将降压后的900V三相电源电压通过可控硅转化为发电机转子直流电源，形成发电机励磁磁场。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，励磁变压器日常运行过程中，存在负荷高、电流电压高的问题，且励磁变压器为封闭干式变压器，变压器本体全部封闭内部空间有限，这些原因均会导致励磁变压器在运行过程中产生大量的热能而影响励磁变压器的运行工况。因此，为保证励磁系统具有很强的励磁能力，必需要提高励磁变压器冷却系统稳定性。

1励磁变压器冷却系统运行现状分析

1.1运行现状

     魏家峁煤电公司一期工程，为2017年初投产的两台660MW机组，励磁系统励磁方式为自并励静止励磁方式。励磁变压器型号为顺特电气DCB10-2600/20/ /0.945，为三相分体的封闭箱体式树脂绝缘干式变压器，冷却方式为空气风机冷却和空气自然冷却方式。A、B、C三相每相由两个绕组构成，各配一台BWD-2KA4+铁心测温型温控器，各绕组配备两台冷却风机，风机安装在绕组底部通过间歇向又下向上吹风，从而达到为变压器散热的效果。

     冷却风机取交流220v电源。冷却风机型号为GFD590/150N-3000SF，转速为1400r/min，功率为160W，风量为3000m³/h，重量为7.2kg。

     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140℃，跳闸温度150℃。当励磁变铁心温度超过140℃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。

     2021年10月6日17:26，运行值班员发现#2机组励磁变压器A相冷却风机异常跳闸，A相四台风机均退出运行，B、C相冷却风机运行正常。A相风机跳闸后不能正常合闸，

     2019年12月14日18:35，#1机DCS报A相绕组故障报警，运行人员就地发现A相四台风机全部停运

1.2现阶段运行方式存在的弊端

     通过对魏家峁煤电公司一期两台660MW机组投产后励磁变冷却系统发生的异常情况分析，发现存在以下几个问题。

（1）励磁变压器冷却系统电气回路不合理。

现阶段励磁变压器单相冷却系统电路图（图1）中，单相绕组周围的四台冷却风机的电源来自同一路电源，采用并联运行方式。在现阶段的电气系统连接方式中，当任意一台冷却风机在运行过程中发生类似机械卡涩、轴承故障或短路等内部故障时，故障电机会发生过电流情况，空开QF2跳闸，四台风机全部退出运行且无法继续合闸投运，在风机长时间无法投运的情况下绕组温度升高；如出现风机接地等外部故障时，故障相冷却风机电源无法合闸，其余非故障风机无法投入运行。

（图1）现阶段励磁变压器冷却风扇电路图

（2）励磁变运行过程中无法检修冷却风机

在机组运行状态，励磁变冷却风机发生故障时，不能检修或更换风机。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，机组运行期间无法打开励磁变箱体门进行检修，且励磁变箱体内空间狭窄，风机外壳距变压器铁心绕组300mm，风机外壳距箱体250mm，铁心绕组距箱体150mm，变压器一次侧20kv电压，二次侧900v电压，不满足带电作业安全距离。因此在机组运行期间，风机发生故障时无法及时检修或更换，只能等待励磁变压器停运时方可进行检修更换。若此时出现铁心运行温度升高至超过运行规程所规定温度的情况，单相四台冷却风机因其中一台故障导致全部无法启动，此时只能用降低机组负荷或放置外置风机的方式来达到为风机故障相铁心绕组降温的目的，此种情况下，外置风机可能将外部粉尘吹入封闭箱体中，易造成铁心短路，存在严重安全隐患。因此在机组运行状态下冷却风机故障难以消除，不能及时对故障风机进行检修后投运，会极大降低励磁变压器的可靠性。

（3）冷却风机无备用

在机组运行期间，当遇冷却风机故障退出运行或极端天气导致励磁变温度急剧升高时，运行中的冷却风机出力不足以降低励磁变温度至正常运行条件，且放置外置风机对铁心降温可能会导致外部粉尘吹入导致铁心绕组短路。没有合理方式及时为励磁变铁心绕组降温，导致其温度久高不下，影响励磁变压器稳定运行。

2励磁变压器冷却装置改造方案

2.1改造电气系统回路

（1）改造理念

现阶段单相四台冷却风机为并联运行方式，使用同一个空气开关。改造后单相四台冷却风机继续使用并联运行方式，但各自使用独立的开关控制。此次对电气回路进行改造，每台风机电源上口加装独立的空气开关，当一相中单个风机故障时，故障风机上口新增的电源开关跳闸，不影响其他风机正常运行，避免了故障的扩大，此方案可行。

（2）实施方案

根据改造预想，设计新的电路图（图2）。分析新电路图，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，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，当其中一台风机出现故障时，空气开关跳闸，温控器控制柜发出声光报警信号，运行人员能够及时发现风机故障，消除故障，其他非故障电机正常运行。

（图2）改造后励磁变冷却风机电路图

 2.2改造冷却风机固定方式

（1）改造理念

将冷却风机的固定槽钢改为可滑动导轨，原冷却风机固定在变压器箱体内不可移动的槽钢上，当机组处于运行状态时，因变压器箱体不可打开，无法检修冷却风机。对冷却风机固定方式进行改造，当有风机在系统运行过程中出现故障时，可通过滑动导轨将冷却风机拉出变压器封闭箱体内，断开风机独立空气开关进行设备检修，不影响机组正常运行，此方案可行。

（2）实施方案

实施方案俯视图如图3所示，侧视图如图4所示。将四台冷却风机底部装设滑轮，并安装在特设的专用两条导轨上，在导轨两端尽头处开设可容纳风机进出的开窗，平时关闭。在同一导轨上的两台风机之间装设俩个限位，防止风机间碰撞并起到风机限位和固定作用。当风机发生故障时，可以将故障风机通过小门拉出变压器箱，进行维修或更换，更换完毕将风机运回原位，通过两个限位固定不动。不影响变压器及机组运行。

（图3）改造后配电装置俯视图

（图4）改造后配电装置侧视图

2.3增设备用冷却风机

（1）改造理念

根据励磁变压器箱体与内部铁心绕组间的实际尺寸，在箱体的前后两侧加装1组2台备用冷却风机。新加装的备用冷却风机的选择需要考虑风机尺寸大小，如变压器本体与箱体间隔距离过小，则应在箱体前后两侧正对铁心绕组的相应位置开孔放置。同时应满足在单相4台原风机超过一半出现故障时，2台备用风机投入运行时的出风量满足铁心绕组降温所需的出风量。经实地测量，励磁变单相箱体底面积为2500mm×1660mm，变压器本体前后两面距箱体距离为150mm，变压器铁心固定的底部槽钢距箱体有80mm距离，新增风机固定安装在变压器铁心固定槽钢上。该安装位置风机出风口对应变压器铁心绕组间歇，能够起到吹风降温的效果，此方案可行。

（2）实施方案

励磁变压器改造后平面图如图5所示。在图5中线圈两侧加装一组2个备用风机，备用风机需与原风机取不同电源，单相的新增风机并联运行，每相的2个风机均上口装设独立空气开关，当任一风机故障，只跳故障风机上口的空开，其他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，对外发出报警信号。

备用风机应满足励磁变冷却风量要求，原冷却风机风量3000m³/h，备用风机建议选用GFSD1180-200型，风量4800m³/h，电源取自汽机房7米保安MCC段。

新加风机因为励磁变外壳与固定槽钢距离为150mm，风机宽度尺寸为250mm，所以需要在励磁变外壳对应位置开孔，宽度为150mm，高度为700mm，安装完风机后对外部开孔位置进行密封处理。

（图5）改造后励磁变压器平面图

2.4改造后电气系统回路

根据改造后励磁变压器冷却风机运行方式，设计新的电路图如图6所示。分析新电路图，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空开，当四台风机同时投入运行时，四台风机上口开关F1、F2、F3、F4均处于合闸状态，当任一风机故障，故障风机对应空开跳闸，发出故障信号，可以及时检修消除故障，其他非故障风机正常运行。

备用风机电源与原风机使用两路电源，备用风机风量为4800m³/h，原风机风量为3000m³/h。这种情况下只要不出现单相中4台原冷却风机全部退出运行的情况，备用风机的出风量久可以填补退出运行的故障风机所缺失风却风量，不影响变压器正常降温，提高了励磁变的安全性。

风机故障时，发故障信号，每相单独发信。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，此时检修人员有充足时间对故障退运风机进行检修消除故障，不影响变压器正常降温。

（图6）改造后励磁变压器原冷却风机与备用冷却风机电路图

3改造费用预算

本次励磁变压器冷却系统改造所需采购材料设备数量如下：

3.1共需新增6台备用冷却风机，型号为GFSD1180-200型，市场价格约420元。

3.2 新增可滑动导轨共需13.2米，市场价格约15元/米。

3.3滑动导轨所需五金件，市场价格约220元

                        表1 改造费用汇总

如表1所示，通过对改造所需材料设备询价，本次励磁变压器冷却系统改造所需费用约2950元。

4总结

本次改造结合励磁变压器在生产现场的实际工况，根据改造设备的实际参数，有针对性的提出了励磁变压器冷却系统改造的可行方案。通过对励磁变压器冷却系统改造方案的分析，确定了该方案存在极大的可行性，在理论及实际上均满足改造实施条件，具有改造工序简单、无异动风险、改造费用少、改造效果理想的诸多优点。同时该方案思路可以推广到其他变压器冷却系统中，对变压器生产厂家也具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]王剑刚，张军，索建琪，李绍忠. 660MW火力发电机组培训教材电气设备及其系统，2016.6

[2]张央.浅析电网规划设计的要点与技术应用[J].工程技术:全文版，2016，7（08）：189

[3]宗士杰.发电厂电气设备及运行.中国电力出版社，1997

[作者简介]

孙赫（1993-），男，内蒙古赤峰人，2015年毕业于内蒙古工业大学电气工程及其自动化专业，工学学士学位。从事发电厂电气设备检修、运行、维护工作。