某核電廠主變壓器油箱壁局部振動(dòng)問(wèn)題分析

馬海龍，高 超

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

核電廠主變壓器作為常規(guī)島電氣設(shè)備中唯一受核安全監(jiān)管的設(shè)備，對(duì)保障核電廠外電源的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外變壓器經(jīng)驗(yàn)反饋事件分析，大型電力變壓器內(nèi)部故障通?？蓺w納為機(jī)械故障、放電故障和過(guò)熱故障。其中，變壓器振動(dòng)問(wèn)題容易引起鐵心緊固件松動(dòng)、硅鋼片漆膜磨損、繞組緊固力松弛等，導(dǎo)致變壓器機(jī)械故障的產(chǎn)生，進(jìn)而造成變壓器運(yùn)行壽命縮短或引起變壓器內(nèi)部故障，甚至發(fā)生機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)停堆事件。

本文將根據(jù)某核電廠主變壓器油箱壁局部振動(dòng)偏高案例，結(jié)合變壓器振源振動(dòng)機(jī)理和傳播途徑研究，通過(guò)對(duì)變壓器油箱壁振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和特性分析，對(duì)變壓器健康狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)估，為現(xiàn)場(chǎng)大型電力變壓器油箱壁局部振動(dòng)問(wèn)題分析提供借鑒。

1 案例介紹

某核電廠在日常巡檢發(fā)現(xiàn)主變壓器A 相低壓側(cè)西側(cè)，油箱壁局部振動(dòng)高于其他部位。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，振動(dòng)速度最大為17.23 mm/s（無(wú)標(biāo)準(zhǔn)要求，廠家推薦振動(dòng)速度小于30 mm/s），其他部位振動(dòng)速度小于5 mm/s?，F(xiàn)場(chǎng)檢查噪聲、鐵芯和夾件接地電流、匯流母管接地電流、油位、油面溫度、繞組溫度均無(wú)異常，負(fù)荷及無(wú)功平穩(wěn)，油色譜特征氣體均無(wú)異常。

表1 變壓器滿功率平臺(tái)測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)量主變振動(dòng)值，并將振動(dòng)值偏高的油箱壁區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，振動(dòng)速度為11.04～15.23 mm/s，同時(shí)發(fā)現(xiàn)此處鋼板存在凸出部分，最大凸出位移量為3.7 mm。為確保核電主變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行，下面將對(duì)該變壓器振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

圖1 主變A 相油箱低壓側(cè)西側(cè)底部振動(dòng)偏高位置

2 變壓器振動(dòng)機(jī)理分析

在交變磁通作用下，大型電力變壓器的鐵心和繞組會(huì)發(fā)生振動(dòng)，這是變壓器的固有特性，變壓器的振動(dòng)與容量、硅鋼片性能、磁通密度、鐵心結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)。變壓器振動(dòng)的來(lái)源有：硅鋼片磁疇伸縮引起的鐵心周期性振動(dòng)；電流通過(guò)繞組時(shí)，電磁力引起的繞組振動(dòng)等。該核電廠主變壓器鐵芯采用單相四柱式優(yōu)化鐵心結(jié)構(gòu)，鐵芯采用全斜接縫并采用性能良好的高導(dǎo)磁、低損耗優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片疊積，心柱用用粘帶綁扎機(jī)綁扎，芯柱臺(tái)階處用圓棍撐緊，增加了鐵心的綁扎力度，增大了繞組的壓緊力。在變壓器滿功率運(yùn)作時(shí)，根據(jù)鐵磁材料的磁致伸縮特性，硅鋼片磁致伸縮將引起鐵心周期性振動(dòng)，鐵心振動(dòng)頻譜的基頻為變壓器輸入電壓頻率的二倍頻信號(hào)。與此同時(shí)，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，變壓器繞組內(nèi)通過(guò)輸入電流，繞組任意一點(diǎn)所受電磁力與電流的平方成正比，繞組將產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率為輸入電流頻率的二倍頻信號(hào)，由于發(fā)電機(jī)輸出電壓頻率為50 Hz，變壓器輸入電流同樣為50 Hz，由此可知，變壓器滿功率正常運(yùn)行時(shí)，鐵心與繞組振動(dòng)基頻為100 Hz 左右，此外也會(huì)含有部分200 Hz、300 Hz、400 Hz 等高次諧波成分。

對(duì)該主變壓器A 相低壓側(cè)西側(cè)局部振動(dòng)高位置進(jìn)行頻譜測(cè)分析，圖頻主要為100.139 Hz 分量，其次為少量的300.385 Hz 和400.484 Hz 分量（圖2）。由此可知，本次主變A 相油箱壁局部振動(dòng)情況與變壓器鐵心磁致伸縮和繞組受電磁力振動(dòng)（基頻100 Hz）有關(guān)。

圖2 主變A 相低壓側(cè)西側(cè)局部振動(dòng)高位置進(jìn)行頻譜分析圖

其振動(dòng)傳播路徑表述如下，變壓器在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，變壓器本體產(chǎn)生的100 Hz 基頻振動(dòng)（鐵心磁致伸縮和繞組電磁力作用下產(chǎn)生振動(dòng)），可以通過(guò)變壓器絕緣油和鐵心與基座的緊固件兩條途徑傳播到油箱壁（圖3）。當(dāng)油箱壁某一點(diǎn)固有頻率接近變壓器本體產(chǎn)生的100 Hz 基頻振動(dòng)時(shí)，該點(diǎn)將產(chǎn)生局部共振現(xiàn)象，振動(dòng)幅度將比油箱壁其他部位明顯偏大。

圖3 油箱壁局部振動(dòng)高振源與傳播途徑

3 跟蹤測(cè)量結(jié)果

對(duì)上述變壓器進(jìn)行滿功率跟蹤測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與變壓器振動(dòng)機(jī)理分析相互印證。變壓器振動(dòng)速度均在20 mm/s 以下，振幅最大為61 μm，電氣量、非電氣量、電流諧波分量等數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)查勘無(wú)異常。參考《國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定（試行）》，“油浸式變壓器油箱壁振動(dòng)最大不大于100 μm（p—p）的規(guī)定”。且結(jié)合國(guó)內(nèi)核電廠運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)反饋“部分基地主變存在136 μm的振動(dòng)幅值長(zhǎng)期滿功率正常運(yùn)行”的先例。因此可判斷此次主變壓器A 相油箱壁局部振動(dòng)高于其他部位問(wèn)題屬于變壓器本體（繞組和鐵心）正常振動(dòng)與油箱壁局部固有頻率產(chǎn)生共振所致，排除了變壓器內(nèi)部鐵心及繞組故障問(wèn)題，變壓器可繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)主變壓器現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)量測(cè)量數(shù)據(jù)分析和頻譜技術(shù)分析，結(jié)合變壓器振源振動(dòng)機(jī)理和傳播途徑研究，確認(rèn)此主變壓器油箱壁局部振動(dòng)問(wèn)題振源為變壓器本體（繞組和鐵心）振動(dòng)，通過(guò)變壓器絕緣油以及鐵心與基座的緊固件傳遞到油箱壁上，與油箱壁局部固有頻率（接近100 Hz）產(chǎn)生共振，引起油箱壁振動(dòng)值高于其他部位，排除了變壓器內(nèi)部故障問(wèn)題，有效避免了變壓器排油內(nèi)檢造成的機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，確保變壓器的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。