海陽(yáng)核電站1號(hào)機(jī)組主變運(yùn)行聲音和振動(dòng)異常原因分析

陳騰飛,王小波,李忠全,石康寧

(1.山東核電有限公司,山東 煙臺(tái) 265116;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司,山東 濟(jì)南 250001)

海陽(yáng)核電站采用500 k V電壓等級(jí)接入山東電網(wǎng)。500 k V出線共6回,分別接入3個(gè)500 k V變電站。海陽(yáng)核電1號(hào)機(jī)組主變壓器為單相變壓器組,該變壓器由天威保變生產(chǎn),詳細(xì)參數(shù)和圖片見表1。

海陽(yáng)核電站1號(hào)機(jī)組主變倒送電后投入運(yùn)行,在運(yùn)行期間聲音和振動(dòng)出現(xiàn)異常,經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)直流電流最大時(shí)超過(guò)12 A,噪聲最大值為92.3 d B。為確保主設(shè)備安全和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)展,針對(duì)主變問題進(jìn)行了深入研究并采取了有效抑制措施。

1 問題描述及測(cè)量過(guò)程介紹

1.1 問題描述

2016年1月,海陽(yáng)核電站1號(hào)機(jī)組主變投運(yùn),運(yùn)行人員在巡檢中發(fā)現(xiàn)主變運(yùn)行聲音較大,經(jīng)過(guò)初步測(cè)量發(fā)現(xiàn)運(yùn)行噪聲超過(guò)了90 d B,隨后維修人員在對(duì)主變中性點(diǎn)電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)存在直流分量,初步懷疑主變存在直流偏磁現(xiàn)象。直流偏磁原理圖如圖1所示。

圖1 直流偏磁原理圖Fig.1 Sche matic diagra m of DC bias

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量及分析過(guò)程

為了驗(yàn)證初步分析,公司組織相關(guān)部門編制了數(shù)據(jù)測(cè)量方案并進(jìn)行持續(xù)測(cè)量。

1.2.1 中性點(diǎn)直流分量

經(jīng)過(guò)對(duì)中性點(diǎn)直流分量進(jìn)行24 h持續(xù)監(jiān)測(cè),得到圖2所示圖形 (正值為電流從大地流入中性點(diǎn),負(fù)值為電流從中性點(diǎn)流入大地)。

圖2 中性點(diǎn)直流分量Fig.2 DCcomponent of neutral point

從圖2可以看出主變中性點(diǎn)直流分量的幅值和極性在24 h內(nèi)不斷變化。

1.2.2 中性點(diǎn)直流分量與主變本體振動(dòng)關(guān)系

2016年1月8日至11日,對(duì)主變中性點(diǎn)直流分量及主變油箱本體振動(dòng)進(jìn)行了同步測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出中性點(diǎn)直流分量與主變本體振動(dòng)存在正相關(guān)性并且主變?nèi)嗟恼駝?dòng)存在一致性。

在對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)如圖4所示趨勢(shì)。

從圖4可以看出主變?cè)肼曒^大時(shí),振動(dòng)主頻集中在350 Hz左右,在主變運(yùn)行聲音正常時(shí),振動(dòng)主頻集中在100 Hz左右,通過(guò)頻譜可以得出噪聲與振動(dòng)存在正相關(guān)性。

圖3 主變中性點(diǎn)直流分量與本體振動(dòng)關(guān)系Fig.3 The relationship bet ween DC current and vibration

圖4 振動(dòng)頻譜圖Fig.4 Frequency spectrograph of vibration

通過(guò)上述數(shù)據(jù)測(cè)量判斷主變運(yùn)行聲音和振動(dòng)異常與中性點(diǎn)直流分量直接相關(guān),主變出現(xiàn)了直流偏磁的現(xiàn)象。

1.2.3 直流偏磁原因分析

經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)以及調(diào)研,造成直流偏磁的原因可能是地磁暴、高壓直流輸電不對(duì)稱運(yùn)行、電網(wǎng)諧波注入、大容量電力電子設(shè)備等?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同的原因制定了不同的查找方案。

(1)地磁暴

太陽(yáng)耀斑和地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生極光電噴,使地磁場(chǎng)產(chǎn)生暫態(tài)波動(dòng),當(dāng)足夠嚴(yán)重時(shí),就稱為地磁暴。

大地是一個(gè)導(dǎo)電的球體,在發(fā)生地磁暴時(shí),地磁場(chǎng)的暫態(tài)波動(dòng)使大地的一部分處于這個(gè)隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中,引起感應(yīng)地表電位ESP(Earth Surface Potential),在土壤電阻率高的地帶,地磁暴較嚴(yán)重時(shí),其數(shù)值可達(dá)1.2-6 V/k m。地表電位ESP加在長(zhǎng)輸電線路兩端的Y接法變壓器中性點(diǎn)上,就像一個(gè)理想電壓源,在變壓器和與之連接的交流線路上產(chǎn)生接近直流的感應(yīng)電流GIC(Geo magnetically Induced Current),頻率約為1至幾個(gè)m Hz,此GIC的大小就由首末端變壓器中性點(diǎn)之間的ESP除以變壓器繞組及輸電線路的等值電阻而定。

表2為2016年1月9日至21日太陽(yáng)活動(dòng)情況,數(shù)據(jù)摘自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)中心。

表2 太陽(yáng)活動(dòng)情況Table 2 Solar activity

從數(shù)據(jù)中可以看出,1月16日、17日地磁活動(dòng)狀況為 “平靜”,而海陽(yáng)核電主變?cè)谶@兩日內(nèi)均發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象。因此,海陽(yáng)核電主變直流偏磁現(xiàn)象不是由地磁暴產(chǎn)生的。

(2)高壓直流輸電不對(duì)稱運(yùn)行

高壓及特高壓直流輸電正常運(yùn)行狀態(tài)下直流線路工作于雙極運(yùn)行方式,直流電流通過(guò)兩極的輸電線構(gòu)成回路。但在系統(tǒng)調(diào)試、檢修或發(fā)生故障的情況下,高壓直流輸電會(huì)采用單極大地回路的運(yùn)行方式。單極大地回線運(yùn)行時(shí)地中電流場(chǎng)對(duì)電流流經(jīng)范圍環(huán)境會(huì)造成較大的影響。由于巨大的直流電流經(jīng)直流接地極流入大地,因而會(huì)在造成較大范圍的內(nèi)地電位變化,這種地電位的變化,對(duì)于受影響地區(qū)的交流系統(tǒng)可能造成影響。尤其對(duì)于中性點(diǎn)接地的交流系統(tǒng),將會(huì)使處于不同直流電位的變電站經(jīng)輸電線路、變壓器繞組構(gòu)成直流回路,直流電流會(huì)經(jīng)變壓器中性點(diǎn)侵入變壓器繞組,引起變壓器的直流偏磁。變壓器出現(xiàn)直流偏磁后會(huì)出現(xiàn)噪聲增大,振動(dòng)加劇等現(xiàn)象,還可能發(fā)生過(guò)熱,并造成交流電網(wǎng)的諧波畸變?cè)龃?直流輸電系統(tǒng)單極大地回線運(yùn)行引發(fā)變壓器偏磁現(xiàn)象的基本原理可以用圖5表示。

圖5 直流輸電引起直流偏磁原理圖Fig.5 Schematic diagra m of HVDCcause

根據(jù)圖6的原理可以知道變壓器直流偏磁現(xiàn)象的嚴(yán)重程度與地電位的畸變程度和整個(gè)回路的直流電阻有顯著的關(guān)聯(lián)。因此可以通過(guò)增加回路電阻的方式降低偏置電流;另外,阻斷直流通路也可以抑制偏置電流。

海陽(yáng)核電站距離寧東直流膠東換流站接地極100 k m以上,核電站位于距離海岸線1 k m范圍內(nèi)位置,接地極距離海岸線幾十公里遠(yuǎn)。根據(jù)山東省電力公司反饋的情況,1月16日至22日,寧東直流入地電流為10 A,且電流方向不變。若海陽(yáng)核電站主變中性點(diǎn)直流偏磁單純?yōu)閷帠|直流所引起,則主變中性點(diǎn)直流電流變化應(yīng)相對(duì)平穩(wěn)。從圖3中主變中性點(diǎn)直流電流的特點(diǎn)來(lái)看,海陽(yáng)核電站主變中性點(diǎn)直流偏磁問題與寧東直流無(wú)明顯聯(lián)系。

另外,寧東直流在4月份的時(shí)候進(jìn)行了停運(yùn)檢修,在此期間1號(hào)機(jī)組主變?nèi)匀淮嬖诿黠@的聲音和振動(dòng)異常,同時(shí)中性點(diǎn)仍有直流分量,從而可以排除寧東直流的影響。

(3)電網(wǎng)諧波注入

由于1號(hào)機(jī)組處于調(diào)試階段,電源由500k V電網(wǎng)倒送至主變提供廠內(nèi)調(diào)試電源。在查找原因中懷疑電網(wǎng)從有高次諧波注入,為了驗(yàn)證假設(shè)測(cè)試了主變帶負(fù)載運(yùn)行、空載運(yùn)行及停運(yùn)狀態(tài)下500k V母線的電壓諧波,見表3、表4、表5。

表3 主變帶負(fù)載運(yùn)行Table 3 The date sheet of Main Transf or mer with load

表4 主變空載運(yùn)行Table 4 The date sheet of Main Transfor mer with no-load

表5 主變停運(yùn)后Table 5 The date sheet of Main Transfor mer off line

從上表可以看出總諧波畸變率T HD均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2%以內(nèi)。

同時(shí),經(jīng)過(guò)與山東省電力公司溝通,現(xiàn)場(chǎng)組織人員赴與海陽(yáng)核電連接的三個(gè)500k V變電站進(jìn)行測(cè)試,經(jīng)過(guò)測(cè)量未在變電站主變中性點(diǎn)發(fā)現(xiàn)直流分量。

(4)大容量電力電子設(shè)備

1號(hào)機(jī)組主變出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象后,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了負(fù)荷排查以確保廠內(nèi)運(yùn)行設(shè)備對(duì)變壓器沒有直接影響,在主變空載期間進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)主變?nèi)匀淮嬖谥绷髌努F(xiàn)象。

2 解決措施

經(jīng)過(guò)上述方法的逐步排查未找到導(dǎo)致主變直流偏磁的根本原因,為了解決該問題公司先后與山東省電力公司、山東電科院、中國(guó)電科院、武高所、南瑞集團(tuán)及國(guó)內(nèi)高校進(jìn)行了技術(shù)交流,各方考慮到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的進(jìn)展及主變運(yùn)行現(xiàn)狀,建議先解決直流偏磁的問題再進(jìn)行下一步根本原因查找。

2.1 解決方法簡(jiǎn)述

過(guò)去的研究和工程經(jīng)驗(yàn)表明,可從以下幾個(gè)方面采取措施解決變壓器直流偏磁問題:一是在變壓器中性點(diǎn)裝電阻,限制直流電流的大小;二是在輸電線上裝設(shè)串聯(lián)電容補(bǔ)償,阻斷直流的通路;三是在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)電容器,阻斷直流電流;四是采用 “注入電流法”削減流入變壓器中性點(diǎn)的直流電流;五是電位補(bǔ)償法。

經(jīng)過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和經(jīng)濟(jì)性比較,最終確定了隔直電容法,其原理如圖6所示。

圖6 電容隔直原理圖Fig.6 Schematic diagram of blocking condense

2.2 電容隔直裝置投運(yùn)后數(shù)據(jù)分析

2016年6月,1號(hào)機(jī)組主變?cè)诎惭b電容隔直裝置后再次投運(yùn),測(cè)量數(shù)據(jù)見表6、表7和圖7。

表6 隔直裝置投運(yùn)后的運(yùn)行聲音Table 6 The running sound after device operating

表7 隔直裝置投運(yùn)后的振動(dòng)值Table 6 The vibration value after device operating

從表3數(shù)據(jù)可以看出,隔直裝置投運(yùn)后主變運(yùn)行聲音在正常范圍內(nèi),振動(dòng)值較之前有很大下降。

圖7 隔直裝置投運(yùn)后的振動(dòng)頻譜圖Fig.7 Frequency spectrograph of vibration after device operating

3 小 結(jié)

1號(hào)機(jī)組主變?cè)诩友b電容隔直裝置后運(yùn)行穩(wěn)定,這為海陽(yáng)核電的調(diào)試奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本文主要目的是介紹海陽(yáng)核電1號(hào)機(jī)組主變?cè)诘顾碗姾蟪霈F(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象情況以及后續(xù)解決措施,目前根本原因仍在查找匯總,由于國(guó)內(nèi)核電站大多數(shù)都是沿海布置,海陽(yáng)核電1號(hào)機(jī)組主變運(yùn)行聲音和振動(dòng)異常情況介紹為后續(xù)沿海核電機(jī)組提供一些經(jīng)驗(yàn)。