王里鹏

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

秦山CANDU 机组主变压器由3 台单相变压器组成，型号PTH1761，生产厂家为通用电气阿尔斯通公司，2000年生产，2002 年投运，主变的额定容量为3×277MVA，高压侧额定电压为515kV，低压侧额定电压为22kV；冷却方式为强迫油循环、强迫风冷[1]。变压器正常运行期间，若冷却器失电，且期间无其他冷却干预措施，将导致油温上升到90℃的降功率温度[2]。

根据图1 主变冷却系统控制图可以看出，一旦控制变压器T1 失电，将导致油泵及风扇接触器线圈失电，继而发生冷却系统全停故障[3]。

图1 主变冷却系统控制图Fig.1 Control diagram of main transformer cooling system

1 秦山CANDU机组主变冷却系统故障实例

1.1 冷却系统故障统计

2018 年到2019 年间，秦山CANDU 机组主变冷却系统发生故障共计4 次：

1）2018 年7 月出现2# 主变B 相油泵电机开关PMCBA 非热跳，导致油泵停运。

2）2019 年1 月出现2# 主变B 相油泵空气开关PMCBB 热跳，导致油泵停运。

3）2019 年8 月出现1#主变C 相风扇接触器FMCA2及控制变压器T1 故障，导致冷却器全部停运。

4）2019 年8 月出现1#主变B 相风扇接触器FMCB1及控制变压器T1 故障和一次熔丝故障，导致冷却器全部停运。

1.2 冷却系统典型故障概述

由于故障类似，本文只针对最典型的第4 次冷却系统全部停运故障展开论述：

1）2019 年8 月，运行人员在执行1#主变B 相就地控制屏进线开关主/备电源切换试验时，切换后发现主变冷却器B 列B1 风扇停运。

2）近1min 后，B1 接触器冒烟，随后控制变压器T1（380/110V）冒烟，主变B 相6 台风扇及2 台油泵全部停运。

3）1#主变B 相油温最高达到87℃，运行OM 手册中规定如果油温达到90℃，则开始降功率操作至停机，并切换机组外电源启备变供电。

1.3 典型故障处理方案

由于冷却器全部停运，并且油温已接近停机值，经决策：

1）首先，安排消防人员对主变进行人工喷淋降温。

2）在喷淋的同时，检查就地控制屏内冷却系统回路。

检查发现：控制变压器一次侧熔丝FS3 熔断，控制变压器一次侧线圈直流电阻异常，B1 风扇接触器FMCB1 线圈直流电阻异常，具体故障点如图2 所示。

图2 故障检查结果图示Fig.2 Diagram of fault inspection results

为保证主变失去冷却时间最短，决定分3 步执行：

1）在喷淋的同时在冷却系统中接入110V 临时电源，以恢复冷却系统的临时运行。

2）在线更换B1 故障风扇接触器，恢复B1 风扇运行。

3）在线更换故障控制变压器T1，恢复主变冷却系统的正常运行。

1.4 典型故障处理过程

1.4.1 冷却系统临时供电措施

临时供电措施分4 步进行：

1）拆除故障控制变压器。

2）临时电布线：为主变B相冷却器控制回路提供110V 电源，接入点如图3 所示。

3）临时电送电。

4）临时电送电后巡视。

1.4.2 在线更换故障接触器FMCB1

由于环境温度在30℃左右，此工作需在温度较低的凌晨4:00 ～6:00 时间进行，准备消防人员待命，以备不测。由于接触器线圈特殊的接线方式，此工作需分两步进行：

1）零线跳线：断开空气开关FMCBB3，在接触器FMCBB3 处进行零线跳线，接入点如图4 所示。

图4 接触器线圈特殊的接线方式Fig.4 Special wiring method for contactor coil

图5 故障树Fig.5 Fault tree analysis

说明：若直接拆除故障接触器B1 线圈，将导致B2、B3 线圈失电，继而导致两台风扇停运。

2）拆除故障接触器并安装已校验好的新接触器。

1.4.3 在线更换故障控制变压器

按照以下步骤可将主变失去冷却时间控制在15min 以内，具体为两个步骤：

1）拆除故障变压器安装已校验好的新控制变压器本体。

2）断开冷却系统动力电源对控制变压器进行接线。

1.4.4 控制变压器安装后正式送电

送电顺序如下：

1）检查确认控制变压器接线正确，在就地控制屏内的面板处安装控制变压器高压侧熔丝FS3（共2 个）。先合就地控制屏进线主电源开关ISL1，再合备用电源开关ISL2。

2）依次恢复就地控制屏内开关PMCBA、PMCBB、FMCBA1、FMCBA2、FMCBA3、FMCBB1、FMCBB2、FMCBB3。

1.5 秦山CANDU机组主变冷却系统故障处理效果

2018 年故障处理后，未出现主变冷却系统类似问题，保障了秦山CANDU 机组主变的安全稳定运行。

1.6 秦山CANDU机组主变冷却系统故障原因分析

1.6.1 故障元件检查

控制变压器T1 一次侧熔丝FS3 熔断，二次侧熔丝FS4完好：

① 故障控制变压器（见图6）T1 检查：变压器对地绝缘良好，变压器出线端子无烧蚀痕迹，一次侧线圈直阻为11.2Ω，二次侧线圈直流电阻为5.2Ω；正常变压器直阻（一次侧85Ω、二次侧5.2Ω）。

图6 故障控制变压器图示Fig.6 Fault control transformer diagram

② 故障接触器（见图7）B1 检查：接触器线圈直流电阻为1.5Ω（正常值为137Ω），接触器解体发现接触器线圈已烧熔，线圈底座的塑料部件熔化变形。

图7 故障接触器检查结果图示Fig.7 Diagram of inspection results for faulty contactors

1.6.2 故障原因分析

根据1.6.1.故障元件检查及故障树：

① 故障控制变压器一次侧供电电源为MCC 母线，母线电压波动范围很小，并且两路电源MCC 均未出现报警或跳闸。由此判定：控制变压器一次侧电压未受到母线高电压冲击。

② 控制变压器及接触器自建厂以来无预维项目且长期处于最高75℃的高温状态，线圈绝缘漆存在老化现象。

③ 主/备电源切换时，8 个接触器线圈短时失电并迅速得电（线圈吸合电流0.56A，保持电流67.4mA），使得控制变压器二次侧电流瞬时增大8 ～9 倍，一次侧电流也相应增大8 ～9 倍，加快匝间绝缘老化。一次侧匝间压差升高，导致匝间短路的发生[4]。

④ 检查故障控制变压器线圈，一次每匝平均直阻为61mΩ、二次每匝线圈平均直阻12.51mΩ，可得：故障控制变压器原有一次线圈匝数1393 匝，二次线圈匝数416 匝，符合变压器变比。由于一次线圈匝间短路，一次侧线圈降为184 匝（根据一次线圈故障直阻11.2Ω 可得）。此时，控制变压器由降压变压器变为升压变压器。

⑤ 故障控制变压器T1 一次侧、二次侧熔丝熔断电流相同，一次侧熔丝FS3 熔断，二次侧熔丝FS4 完好。若接触器先发生短路故障，则控制变压器二次侧熔丝先熔断，与事实不符，可判定：控制变压器故障导致接触器故障。

⑥ 控制变压器二次侧电压升高，导致2 台油泵和6 台风扇供电接触器线圈两端电压骤升，油泵及风扇的8 个接触器存在个体差异，电压升高导致B1 接触器线圈匝间绝缘首先被部分击穿并持续恶化，接触器断开，热量在接触器内累积，最终导致线圈烧熔。

⑦ 故障控制变压器T1 一次侧、二次侧熔丝熔断电流相同，由于控制变压器由降压变压器变为升压变压器，一次侧电流大于二次侧电流，一次侧熔丝FS3 先熔断，电压变化率瞬间剧增，二次侧感应瞬时高电压，接触器线圈再次受到高压电冲击；然后，由于熔丝熔断，油泵及风扇全部停运。

1.6.3 结论

控制变压器及接触器运行10 多年未更换，存在绝缘老化现象。在主备电源切换试验时，控制变压器二次侧线圈受接触器吸合电流冲击，匝间电压升高导致一次侧匝间短路，造成二次侧电压升高；控制变压器持续匝间短路，由降压变压器变为升压变压器。

控制变压器一次侧热量聚集，发生冒烟；接触器线圈承受高电压持续匝间短路，热量聚集，发生冒烟；一次侧电流大于二次侧电流，一次侧熔丝先熔断，接着控制变压器失电，冷却系统全部停运。

2 秦山CANDU机组主变冷却系统性能优化研究

2.1 主变冷却系统原有设计缺陷

◇ 主变原厂设计冷却器只有AB 两列，包括2 台潜油泵和6 台风扇，容量只能满足正常运行要求，无备用冗余。极端情况下（夏天炎热天气、满负荷条件下），一旦出现单列散热器失效必将导致油温短时上升至90℃。

◇ 主变就地控制屏位于高温区域，用红外成像观察发现冷却系统回路温度在70℃左右，且靠近防火墙里侧不利于散热，电气元件老化速度明显比厂房内快，运行寿命短，故障概率高。

◇ 潜油泵和风扇的控制回路存在单点敏感部件（380V/110V 交流控制变压器），失效即造成AB 列散热器全停，油温无法通过自然循环进行控制。

◇ 潜油泵和风扇的控制回路电源侧故障无报警功能，无法及时发现故障。

◇ 潜油泵和风扇的动力和控制回路的电气元件安装方式不利于在线处理。

2.2 主变冷却系统性能优化建议

◇ 冷却系统扩容：在不对变压器本体进行改造的前提下，整体更换散热器（包括风机），提升散热器的容量，降低变压器正常运行时的油温，延长散热器故障后的干预时间，延长变压器运行寿命[5]。

◇ 更改就地控制屏位置：整体更换主变就地控制屏并改变安装位置，从主变低压侧防火墙内部移至封闭母线下方（常温区域），距离原位置在2m 左右，可完全消除高温环境对元器件的影响。

◇ 优化电路设计：保留动力回路双电源切换的原设计，增加控制回路双电源切换以及失效报警功能，消除SPV 单点敏感部件，避免主变散热器全停的故障出现。

◇ 优化电路元器件安装方式：更改就地控制屏内所有电气元器件的安装接线方式，便于故障元器件的在线处理。

2.3 主变冷却系统性能优化实施具体思路

2.3.1 冷却系统扩容

冷却系统扩容通过提升散热器的容量来实现，具体优化措施为：整体更换主变散热器，沿用原潜油泵，增加油流继电器，增加潜油泵隔离阀以便运行期间出现故障时可以应急更换；同时增加散热片强度，以解决散热片原有不能抽真空的设计缺陷。

潜油泵不变不会提升油流速度，从而避免增加油流带电（在强迫油循环的大型电力变压器中，由于变压器油流过绝缘纸板的表面时，会发生油流带静电的现象，简称油流带电）的影响，散热器容量的提升范围需满足变压器厂家的规定。

冷却器的安装方式不变，利用本体原支撑架，接口不变。由于冷却器体积扩大，在安装时需拆除主变周围一部分消防喷淋的支管，冷却器安装完成后恢复即可。

就地控制屏和散热器风机的更换有可能导致目前的400V MCC 进线开关（60A）容量不够，需要更换为容量更大的开关，更换开关技术成熟可实施，具体是否需更换随风机选型确定后确定。

2.3.2 更改主变就地控制屏位置

整体更换主变就地控制屏并改变安装位置，从主变低压侧防火墙内部移至封闭母线下方（常温区域）。由于位置改变，主变本体的所有部件至就地控制屏的接线需要全部更换。

就地控制屏改变安装位置后靠近汽机厂房，所以送至主控的电流、报警、信号的原回路电缆不用改变，重新接线至新屏即可。

2.3.3 优化电路设计

就地控制屏内布线与现有的控制原理保持一致，为确保报警、保护、信号逻辑不改变，柜内元器件、端子排代号及接线位置需与现控制屏保持一致。

就地控制屏内的电气元件安装时需留有裕量，所有电气元件的电源进线需采用母排供电，确保逐一替换元器件时不存在陪停、跳线等现象，增大器件之间的距离便于故障元器件的在线处理。

保留动力回路双电源切换的原设计，增加控制回路双电源切换以及失效报警功能，消除SPV 单点敏感部件，避免主变散热器全停的故障出现。

3 结束语

本文对主变冷却系统进行了详细的介绍，包含主变冷却系统的工作原理、冷却系统实际发生故障时的外在表现以及相应的故障处理方法，重点对冷却系统故障的原因进行了详细分析，同时提出了该系统存在的设计缺陷：无备用冗余，存在单点敏感部件，电源侧故障无报警功能，主变就地控制屏位于使电气元件加速老化的高温区域，电气元件安装方式不利于在线处理。针对设计缺陷给出了具体的优化措施，为同类型主变冷却器类似问题提供了解决思路。