核電大型變壓器健康狀態評價方法研究與應用

馮玉輝，高 超，陳世均，宋 兵，馬海龍，高二亞

（中廣核集團蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

大型電力變壓器不僅作為核電廠電力輸送樞紐，還作為保障核安全的一路外電源，其安全可靠運行至關重要。核電廠大型電力變壓器通常隨機組換料大修進行停運檢修，綜合評估電力變壓器狀態，為變壓器安全運行提供保障，同時也為變壓器設備開展預測性檢修提供基礎。隨著新技術、新方法、新理論的不斷完善進步，預防性檢修方式因其費用高、過度維修等缺陷正逐漸被取代，探索和研究可靠性強的變壓器狀態評價方法已成為智慧核電廠的迫切需求。通過測量或觀察變壓器各狀態量，并對狀態量進行評分，預測其運行狀態，積極開展變壓器在線局放及振動綜合評價，綜合兩方面評價結果對變壓器運行狀態進行綜合判斷，逐步開展預測性檢修有助于積累運維經驗，同時也可在運行期間提醒現場運維人員對在運變壓器做適當干預。

1 變壓器狀態評價導則的建立與運用

結合核電廠大型電力變壓器實際運維的特點及歷史經驗反饋，編制了《核電廠群廠變壓器狀態評價導則》。

1.1 變壓器主要狀態量的選取

綜合核電廠變壓器缺陷和故障的性質分析，借鑒以往發現、處理缺陷和故障的方法，以現有的運行巡視、定期檢修或帶電檢測、在線監測等技術手段獲取狀態信息，進行變壓器主要狀態量選取，并對各狀態量進行優劣排序，采用層次分析法進行綜合決策，具體狀態量如下：

（3）附件信息：變壓器的套管、分接開關、冷卻系統（噪聲和振動、滲漏油、電源回路、冷卻器污穢等）、測試裝置和保護裝置等附件。

1.2 變壓器狀態評分系統的構建

參考國家電網關于變壓器狀態評價方法，不同狀態量對變壓器運行狀態的影響從小到大可分為源個等級，對應的權重值分別為1、2、3、4，同一狀態量劣化的程度由輕至重可分成源個等級，分別為、、、級，分別對應的扣分值為2、4、6、10分。狀態量最終的扣分值由劣化程度和權重共同決定，正常狀態不扣分，見表1。

表1 狀態量扣分值

根據已建立的變壓器狀態評分系統可規定變壓器不同部件的扣分值所對應的狀態，見表2。

表2 部件評價標準

1.3 變壓器狀態評價報告

通過群廠變壓器月度異常狀態量統計，分析變壓器異常狀態量扣分值、扣分理由，根據《核電站群廠變壓器狀態評價導則》得到各部件的狀態評價結果及變壓器的狀態（變壓器的狀態評價結果為5 個部件評價結果中最嚴重的1 個），見表3。

表3 某變壓器狀態評估報告

1.4 變壓器狀態評價反饋

對群廠147 臺變壓器近期健康評價報告進行統計分析，近1 年來變壓器部件狀態量異常主要分布，如圖1 所示。

圖1 變壓器部件狀態量異常分布

群廠147 臺變壓器從設備壽期管理角度，目前處于設備失效浴盆曲線的各個階段（運行初期、運行中期、運行末期），設備狀態不盡相同。結合圖1 可明顯看出近1 年來變壓器缺陷主要集中在滲漏油、冷卻器及電源回路等方面，為變壓器運行階段對異常狀態量進行適當的干預指明方向。

針對某電廠變壓器冷卻油泵熱繼電器頻繁誤動作問題進行原因分析，主要原因為柜內溫度過高、繼電器間距不足在長期熱積累的效應下導致熱繼電器動作定值漂移，提出了臨時提高熱繼電器定值的短期措施，對熱繼電器進行換型或改善柜內運行溫度（增加制冷裝置或增加繼電器間距）的中長期措施。

綜上，通過對每月定期編制的群廠大型變壓器健康評價報告（CHR）進行綜合比對分析，為群廠同類型變壓器的運維提供了有效的技術指導，給變壓器同類部件的運維提供了寶貴經驗，給部分變壓器部件的預測性檢修提供了理論依據；同時經篩查比對，可將部分質量差，工藝水平參差不齊的組件進行群廠反饋，列入備件黑名單。

2 變壓器在線局放及振動綜合評價

變壓器在運行過程中逐漸老化，某些潛伏性故障在大修試驗中難以及時發現，要能客觀準確評價核電廠大型變壓器狀態，離不開有效的在線狀態監測手段，同時開展變壓器運行關鍵狀態的定期診斷，通過多種技術手段的投入能及時準確地發現變壓器故障先兆并處理。目前變壓器油中溶解氣體在線監測（DGA）、變壓器套管在線監測已廣泛推廣使用，但變壓器在線局放檢測受現場背景噪聲干擾、投入探頭不足、檢測方法單一、局放信號分析解讀不足、綜合投入費用高等因素的制約，實際運用效果不佳。因此，針對核電廠變壓器運行的特點，群廠已逐步開展核電廠變壓器年度在線局放及振動綜合診斷評價；通過多局放檢測方法的綜合應用和專家分析研判，制定出變壓器定期狀態綜合評價結果。

2.1 群廠變壓器在線局放診斷評價

現場開展的變壓器狀態綜合評價，其中變壓器在線局放檢測采用高頻脈沖電流檢測模式、超聲波檢測模式、頻譜分析模式進行綜合檢測分析。

（1）高頻脈沖電流檢測模式。利用變壓器繞組與鐵芯之間的分布電容形成的耦合通路，如變壓器內部發生局部放電，放電產生的高頻信號通過此耦合通路經鐵芯接地線構成回路，卡裝在鐵芯接地線上的高頻電流傳感器即可接收到變壓器內部的放電信號并在儀器上顯示出相應的檢測數據。

圖2 鐵芯接地高頻檢測

圖3 變壓器本體超聲波檢測

（2）超聲波檢測模式。將超聲波傳感器吸附在主變的油箱外殼上，多傳感器呈矩陣式分布接收局部放電產生的超聲信號。

（3）頻譜分析模式。用頻譜分析儀檢測變壓器鐵芯接地線高頻脈沖信號，有利于分析變壓器鐵芯（夾件）地線上流過的脈沖信號頻譜含量，區分放電信號與干擾信號在頻譜圖上的不同特征，收集放電信號脈沖頻譜圖。以某核電變壓器在線局放診斷結果為例，高頻脈沖電流檢測結果如圖2 所示，超聲波檢測結果如圖3 所示。

2.2 變壓器在線振動診斷評價

引起變壓器油箱表面振動的原因主要是繞組和鐵心的振動。結構振動特性和電磁力是影響鐵心和繞組振動的兩大關鍵因素，且結構振動特性和電動力之間存在著復雜的耦合關系。采用振動檢測儀對變壓器油箱表面振動情況進行檢測，分別記錄其當時振動檢測點的加速度和位移數據，通過對這些數據的判斷檢測變壓器內部是否存在結構件的松動。如該變壓器出廠時進行過該項檢測，可與出廠檢測數據進行對比，如未做過該項目則需與相鄰相或同類型產品進行對比分析。振動法的最大優點是與變壓器不發生電氣連接，在一定程度上可預報變壓器的狀態及內部故障類型。

可同時兼并采用聲學成像技術對變壓器振動情況進行實時診斷，聲學成像技術是利用傳聲器陣列測量一定范圍內的聲場分布，可測量物體發出聲場并進行成像，從而確定聲音的位置和聲音輻射狀態，并用云圖方式顯示出直觀的圖像，將聲像圖與陣列上配裝的攝像時所拍的視頻圖像以透明的方式疊合在一起。變壓器振動聲學檢測分析結果，如圖4 所示。

圖4 變壓器振動聲學檢測分析

定期開展核電廠變壓器年度在線局放及振動綜合診斷評價有利于發現變壓器可能存在的潛在故障隱患，鑒于高壓電氣設備的特點，微小絕緣缺陷的最早表征通常是局部放電現象的出現，僅僅通過變壓器常規運行監測參數仍不足以早期發現缺陷。在線局放測試過程中在超聲探頭布置相同位置輔以振動探頭測量并進行綜合診斷，有利于更準確、全面地掌握設備運行狀態。

3 核電廠變壓器狀態評價未來展望

通過測量或觀察變壓器各狀態量的情況并對狀態量進行評分而預測其運行狀態，并積極開展變壓器在線局放及振動綜合評價，為加強變壓器設備管理提供了著力點，在運用過程中也提供了很大幫助。但真正實現變壓器設備狀態的全面可知可控，仍存在一些不足，需在運行實踐中不斷總結及修正，主要表現在：

（1）目前群廠變壓器狀態綜合評估仍存于優劣排序、層次分析、綜合決策的階段，后期應在綜合評估模型、算法及狀態量的權重修正上做研究?；谧儔浩鳡顟B綜合評估的算法較多，有灰靶理論、證據理論、貝葉斯網絡等，但由于技術與認知的局限，目前某些狀態量的判據模糊，在評判時出現因個人經驗或主觀意識不同而導致判斷偏差。

（2）由于群廠變壓器健康評價數據樣本數量仍不足，各部件的關聯度、狀態因子的選擇仍在不斷摸索中。

（3）變壓器出現權重較高的異常狀態后，如何更好地跟蹤設備缺陷發展趨勢、準確決策變壓器停運與否等，仍需在實踐和摸索中總結經驗。

（4）變壓器在線局放及振動綜合評價開展的頻度、頻次仍需討論，后續隨著在線綜合評價的積累或在線實時監測技術的成熟，問題將得到解決。

（5）目前變壓器可監測的數據量仍需提升，后續在新變壓器采購上通過引入新技術，如預埋測溫光纖、預制內部局放探頭等方式得以解決。

4 總結

核電廠大型變壓器健康狀態評價是實現核電廠變壓器預測性檢修中最主要的支持性技術性措施。隨著以新技術為基礎的在線監測技術發展與完善，通過將變壓器健康狀態評價方法與設備管理策略、信息系統等多方面進行有效融合，可不斷提高變壓器設備運行的可靠性，同時可逐步實現變壓器從傳統的預防性檢修向預測性檢修的過渡。