某核電廠主變壓器油箱壁局部振動問題分析

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島電氣設備中唯一受核安全監管的設備，對保障核電廠外電源的安全、可靠、穩定運行起到至關重要的作用。根據國內外變壓器經驗反饋事件分析，大型電力變壓器內部故障通常可歸納為機械故障、放電故障和過熱故障。其中，變壓器振動問題容易引起鐵心緊固件松動、硅鋼片漆膜磨損、繞組緊固力松弛等，導致變壓器機械故障的產生，進而造成變壓器運行壽命縮短或引起變壓器內部故障，甚至發生機組非計劃停機停堆事件。

本文將根據某核電廠主變壓器油箱壁局部振動偏高案例，結合變壓器振源振動機理和傳播途徑研究，通過對變壓器油箱壁振動進行測量和特性分析，對變壓器健康狀態進行分析評估，為現場大型電力變壓器油箱壁局部振動問題分析提供借鑒。

1 案例介紹

某核電廠在日常巡檢發現主變壓器A 相低壓側西側，油箱壁局部振動高于其他部位。現場測量數據見表1，振動速度最大為17.23 mm/s（無標準要求，廠家推薦振動速度小于30 mm/s），其他部位振動速度小于5 mm/s。現場檢查噪聲、鐵芯和夾件接地電流、匯流母管接地電流、油位、油面溫度、繞組溫度均無異常，負荷及無功平穩，油色譜特征氣體均無異常。

表1 變壓器滿功率平臺測量振動數據

現場跟蹤測量主變振動值，并將振動值偏高的油箱壁區域進行標注，振動速度為11.04～15.23 mm/s，同時發現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定運行，下面將對該變壓器振動問題進行分析研究。

圖1 主變A 相油箱低壓側西側底部振動偏高位置

2 變壓器振動機理分析

在交變磁通作用下，大型電力變壓器的鐵心和繞組會發生振動，這是變壓器的固有特性，變壓器的振動與容量、硅鋼片性能、磁通密度、鐵心結構等因素相關。變壓器振動的來源有：硅鋼片磁疇伸縮引起的鐵心周期性振動；電流通過繞組時，電磁力引起的繞組振動等。該核電廠主變壓器鐵芯采用單相四柱式優化鐵心結構，鐵芯采用全斜接縫并采用性能良好的高導磁、低損耗優質冷軋硅鋼片疊積，心柱用用粘帶綁扎機綁扎，芯柱臺階處用圓棍撐緊，增加了鐵心的綁扎力度，增大了繞組的壓緊力。在變壓器滿功率運作時，根據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，鐵心振動頻譜的基頻為變壓器輸入電壓頻率的二倍頻信號。與此同時，根據畢奧-薩伐爾定律，變壓器繞組內通過輸入電流，繞組任意一點所受電磁力與電流的平方成正比，繞組將產生振動，振動頻率為輸入電流頻率的二倍頻信號，由于發電機輸出電壓頻率為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行時，鐵心與繞組振動基頻為100 Hz 左右，此外也會含有部分200 Hz、300 Hz、400 Hz 等高次諧波成分。

對該主變壓器A 相低壓側西側局部振動高位置進行頻譜測分析，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 相油箱壁局部振動情況與變壓器鐵心磁致伸縮和繞組受電磁力振動（基頻100 Hz）有關。

圖2 主變A 相低壓側西側局部振動高位置進行頻譜分析圖

其振動傳播路徑表述如下，變壓器在穩定運行時，變壓器本體產生的100 Hz 基頻振動（鐵心磁致伸縮和繞組電磁力作用下產生振動），可以通過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）。當油箱壁某一點固有頻率接近變壓器本體產生的100 Hz 基頻振動時，該點將產生局部共振現象，振動幅度將比油箱壁其他部位明顯偏大。

圖3 油箱壁局部振動高振源與傳播途徑

3 跟蹤測量結果

對上述變壓器進行滿功率跟蹤測量，測量結果與變壓器振動機理分析相互印證。變壓器振動速度均在20 mm/s 以下，振幅最大為61 μm，電氣量、非電氣量、電流諧波分量等數據及現場查勘無異常。參考《國家電網公司變電檢測管理規定（試行）》，“油浸式變壓器油箱壁振動最大不大于100 μm（p—p）的規定”。且結合國內核電廠運維經驗反饋“部分基地主變存在136 μm的振動幅值長期滿功率正常運行”的先例。因此可判斷此次主變壓器A 相油箱壁局部振動高于其他部位問題屬于變壓器本體（繞組和鐵心）正常振動與油箱壁局部固有頻率產生共振所致，排除了變壓器內部鐵心及繞組故障問題，變壓器可繼續滿負荷運行。

4 結論

通過對主變壓器現場狀態量測量數據分析和頻譜技術分析，結合變壓器振源振動機理和傳播途徑研究，確認此主變壓器油箱壁局部振動問題振源為變壓器本體（繞組和鐵心）振動，通過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）產生共振，引起油箱壁振動值高于其他部位，排除了變壓器內部故障問題，有效避免了變壓器排油內檢造成的機組非計劃停運，確保變壓器的安全、可靠、經濟運行。