核电大型变压器健康状态评价方法研究与应用

冯玉辉，高 超，陈世均，宋 兵，马海龙，高二亚

（中广核集团苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

0 引言

大型电力变压器不仅作为核电厂电力输送枢纽，还作为保障核安全的一路外电源，其安全可靠运行至关重要。核电厂大型电力变压器通常随机组换料大修进行停运检修，综合评估电力变压器状态，为变压器安全运行提供保障，同时也为变压器设备开展预测性检修提供基础。随着新技术、新方法、新理论的不断完善进步，预防性检修方式因其费用高、过度维修等缺陷正逐渐被取代，探索和研究可靠性强的变压器状态评价方法已成为智慧核电厂的迫切需求。通过测量或观察变压器各状态量，并对状态量进行评分，预测其运行状态，积极开展变压器在线局放及振动综合评价，综合两方面评价结果对变压器运行状态进行综合判断，逐步开展预测性检修有助于积累运维经验，同时也可在运行期间提醒现场运维人员对在运变压器做适当干预。

1 变压器状态评价导则的建立与运用

结合核电厂大型电力变压器实际运维的特点及历史经验反馈，编制了《核电厂群厂变压器状态评价导则》。

1.1 变压器主要状态量的选取

综合核电厂变压器缺陷和故障的性质分析，借鉴以往发现、处理缺陷和故障的方法，以现有的运行巡视、定期检修或带电检测、在线监测等技术手段获取状态信息，进行变压器主要状态量选取，并对各状态量进行优劣排序，采用层次分析法进行综合决策，具体状态量如下：

（3）附件信息：变压器的套管、分接开关、冷却系统（噪声和振动、渗漏油、电源回路、冷却器污秽等）、测试装置和保护装置等附件。

1.2 变压器状态评分系统的构建

参考国家电网关于变压器状态评价方法，不同状态量对变压器运行状态的影响从小到大可分为源个等级，对应的权重值分别为1、2、3、4，同一状态量劣化的程度由轻至重可分成源个等级，分别为、、、级，分别对应的扣分值为2、4、6、10分。状态量最终的扣分值由劣化程度和权重共同决定，正常状态不扣分，见表1。

表1 状态量扣分值

根据已建立的变压器状态评分系统可规定变压器不同部件的扣分值所对应的状态，见表2。

表2 部件评价标准

1.3 变压器状态评价报告

通过群厂变压器月度异常状态量统计，分析变压器异常状态量扣分值、扣分理由，根据《核电站群厂变压器状态评价导则》得到各部件的状态评价结果及变压器的状态（变压器的状态评价结果为5 个部件评价结果中最严重的1 个），见表3。

表3 某变压器状态评估报告

1.4 变压器状态评价反馈

对群厂147 台变压器近期健康评价报告进行统计分析，近1 年来变压器部件状态量异常主要分布，如图1 所示。

图1 变压器部件状态量异常分布

群厂147 台变压器从设备寿期管理角度，目前处于设备失效浴盆曲线的各个阶段（运行初期、运行中期、运行末期），设备状态不尽相同。结合图1 可明显看出近1 年来变压器缺陷主要集中在渗漏油、冷却器及电源回路等方面，为变压器运行阶段对异常状态量进行适当的干预指明方向。

针对某电厂变压器冷却油泵热继电器频繁误动作问题进行原因分析，主要原因为柜内温度过高、继电器间距不足在长期热积累的效应下导致热继电器动作定值漂移，提出了临时提高热继电器定值的短期措施，对热继电器进行换型或改善柜内运行温度（增加制冷装置或增加继电器间距）的中长期措施。

综上，通过对每月定期编制的群厂大型变压器健康评价报告（CHR）进行综合比对分析，为群厂同类型变压器的运维提供了有效的技术指导，给变压器同类部件的运维提供了宝贵经验，给部分变压器部件的预测性检修提供了理论依据；同时经筛查比对，可将部分质量差，工艺水平参差不齐的组件进行群厂反馈，列入备件黑名单。

2 变压器在线局放及振动综合评价

变压器在运行过程中逐渐老化，某些潜伏性故障在大修试验中难以及时发现，要能客观准确评价核电厂大型变压器状态，离不开有效的在线状态监测手段，同时开展变压器运行关键状态的定期诊断，通过多种技术手段的投入能及时准确地发现变压器故障先兆并处理。目前变压器油中溶解气体在线监测（DGA）、变压器套管在线监测已广泛推广使用，但变压器在线局放检测受现场背景噪声干扰、投入探头不足、检测方法单一、局放信号分析解读不足、综合投入费用高等因素的制约，实际运用效果不佳。因此，针对核电厂变压器运行的特点，群厂已逐步开展核电厂变压器年度在线局放及振动综合诊断评价；通过多局放检测方法的综合应用和专家分析研判，制定出变压器定期状态综合评价结果。

2.1 群厂变压器在线局放诊断评价

现场开展的变压器状态综合评价，其中变压器在线局放检测采用高频脉冲电流检测模式、超声波检测模式、频谱分析模式进行综合检测分析。

（1）高频脉冲电流检测模式。利用变压器绕组与铁芯之间的分布电容形成的耦合通路，如变压器内部发生局部放电，放电产生的高频信号通过此耦合通路经铁芯接地线构成回路，卡装在铁芯接地线上的高频电流传感器即可接收到变压器内部的放电信号并在仪器上显示出相应的检测数据。

图2 铁芯接地高频检测

图3 变压器本体超声波检测

（2）超声波检测模式。将超声波传感器吸附在主变的油箱外壳上，多传感器呈矩阵式分布接收局部放电产生的超声信号。

（3）频谱分析模式。用频谱分析仪检测变压器铁芯接地线高频脉冲信号，有利于分析变压器铁芯（夹件）地线上流过的脉冲信号频谱含量，区分放电信号与干扰信号在频谱图上的不同特征，收集放电信号脉冲频谱图。以某核电变压器在线局放诊断结果为例，高频脉冲电流检测结果如图2 所示，超声波检测结果如图3 所示。

2.2 变压器在线振动诊断评价

引起变压器油箱表面振动的原因主要是绕组和铁心的振动。结构振动特性和电磁力是影响铁心和绕组振动的两大关键因素，且结构振动特性和电动力之间存在着复杂的耦合关系。采用振动检测仪对变压器油箱表面振动情况进行检测，分别记录其当时振动检测点的加速度和位移数据，通过对这些数据的判断检测变压器内部是否存在结构件的松动。如该变压器出厂时进行过该项检测，可与出厂检测数据进行对比，如未做过该项目则需与相邻相或同类型产品进行对比分析。振动法的最大优点是与变压器不发生电气连接，在一定程度上可预报变压器的状态及内部故障类型。

可同时兼并采用声学成像技术对变压器振动情况进行实时诊断，声学成像技术是利用传声器阵列测量一定范围内的声场分布，可测量物体发出声场并进行成像，从而确定声音的位置和声音辐射状态，并用云图方式显示出直观的图像，将声像图与阵列上配装的摄像时所拍的视频图像以透明的方式叠合在一起。变压器振动声学检测分析结果，如图4 所示。

图4 变压器振动声学检测分析

定期开展核电厂变压器年度在线局放及振动综合诊断评价有利于发现变压器可能存在的潜在故障隐患，鉴于高压电气设备的特点，微小绝缘缺陷的最早表征通常是局部放电现象的出现，仅仅通过变压器常规运行监测参数仍不足以早期发现缺陷。在线局放测试过程中在超声探头布置相同位置辅以振动探头测量并进行综合诊断，有利于更准确、全面地掌握设备运行状态。

3 核电厂变压器状态评价未来展望

通过测量或观察变压器各状态量的情况并对状态量进行评分而预测其运行状态，并积极开展变压器在线局放及振动综合评价，为加强变压器设备管理提供了着力点，在运用过程中也提供了很大帮助。但真正实现变压器设备状态的全面可知可控，仍存在一些不足，需在运行实践中不断总结及修正，主要表现在：

（1）目前群厂变压器状态综合评估仍存于优劣排序、层次分析、综合决策的阶段，后期应在综合评估模型、算法及状态量的权重修正上做研究。基于变压器状态综合评估的算法较多，有灰靶理论、证据理论、贝叶斯网络等，但由于技术与认知的局限，目前某些状态量的判据模糊，在评判时出现因个人经验或主观意识不同而导致判断偏差。

（2）由于群厂变压器健康评价数据样本数量仍不足，各部件的关联度、状态因子的选择仍在不断摸索中。

（3）变压器出现权重较高的异常状态后，如何更好地跟踪设备缺陷发展趋势、准确决策变压器停运与否等，仍需在实践和摸索中总结经验。

（4）变压器在线局放及振动综合评价开展的频度、频次仍需讨论，后续随着在线综合评价的积累或在线实时监测技术的成熟，问题将得到解决。

（5）目前变压器可监测的数据量仍需提升，后续在新变压器采购上通过引入新技术，如预埋测温光纤、预制内部局放探头等方式得以解决。

4 总结

核电厂大型变压器健康状态评价是实现核电厂变压器预测性检修中最主要的支持性技术性措施。随着以新技术为基础的在线监测技术发展与完善，通过将变压器健康状态评价方法与设备管理策略、信息系统等多方面进行有效融合，可不断提高变压器设备运行的可靠性，同时可逐步实现变压器从传统的预防性检修向预测性检修的过渡。