主變壓器是核電站最重要的電氣設備之一在長期的運行中主變壓器受到電動力熱輻射和化學反應的共同作用其絕緣材料的機械和電氣性能將發生衰減產生絕緣老化現象如果運行維護不良將導致主變壓器老化嚴重一旦發生事故會給核電站和電網帶來重大的損失

在正常條件下變壓器的預期設計壽命通常為20年～40年[1]而AP1000核電站變壓器的設計壽命為60年能否使AP1000主變壓器的壽命達到其設計值?這個問題值得思考因此盡早開展AP1000主變壓器老化和壽命的研究很有必要目前三門核電主1號機組主變壓器尚未投運本文提出的措施可以作為AP1000核電站主變壓器運行和維護的參考

1影響變壓器運行壽命的因素

1.1熱老化

工作溫度越高變壓器絕緣材料的化學反應進行得越快機械強度和電氣強度喪失得越快相對老化率越大變壓器的運行壽命就越短

根據研究結果油浸式電力變壓器的繞組熱點溫度在80℃～140℃范圍內時繞組溫度每增加6℃變壓器的相對老化率增加1倍壽命減少1半因此過熱是大型電力變壓器壽命縮短的主要因素之一

1.2電老化

一般認為局部放電是變壓器絕緣老化最主要的原因[2]近年來雖然變壓器制造工藝水平得到了很大的提升但是仍然不能避免在變壓器油和其他絕緣材料中留有氣隙或氣泡氣體的介電常數比變壓器油和其他絕緣材料小介電常數越小電場強度越大,所以氣隙和氣泡處的場強更強而氣體的擊穿場強比變壓器油和絕緣材料低因此很容易首先在氣泡中發生局部放電變壓器油中存在微量水分和雜質在電場的作用下也容易出現局部放電另外由于變壓器設計不合理某些部位的場強比其他位置高變壓器內部連接不良等原因都會引起局部放電局部放電不斷發展最終導致絕緣擊穿影響變壓器的壽命

1.3水分

在變壓器的制造過程中制造廠嚴格控制產品的水分一般變壓器要經過煤油氣相干燥真空注油熱油循環等除水工藝但仍然會殘留一定的水分后期運行尤其是吊罩大修也不可避免地侵入一部分水分同時變壓器油熱老化后也會分解出水分變壓器中的水分主要積聚在絕緣紙板和絕緣油中它會惡化變壓器油及絕緣紙板的電氣性能使其耐電強度降低擊穿強度隨著含水量增加而急劇下降水分還會與絕緣材料發生降解反應加速絕緣材料的老化研究表明濕度為2%的絕緣紙的老化速度是濕度為0.3%的11倍

1.4變壓器油老化

變壓器油在電熱和氧氣的作用下會逐漸老化變壓器油老化后油的吸氣性增強聚合度也增強導致油中氣體增多運動黏度增大氣體增多將造成油的絕緣擊穿電壓下降運行黏度增大影響循環對流和傳熱能力不能適應變壓器的運行工況并形成惡性循環嚴重影響變壓器的運行壽命甚至造成設備事故[3]

1.5外界自然力的影響

狂風暴雨大雪冰雹和地震等外界因素也會對變壓器的壽命造成影響應根據實際情況加以防范必要時需停電

2判斷老化程度的方法

2.1統計法

對同型號的變壓器進行統計計算出變壓器的平均壽命用計算結果來評估老化情況和剩余壽命這種方法實施起來簡單且成本低但AP1000主變壓器容量大第一臺AP1000主變尚未投入運行沒有同型號的變壓器可以參考所以這種方法無法實施

2.2測量絕緣紙的抗張強度

測量絕緣紙的抗張強度可以判斷絕緣紙老化程度若絕緣紙的抗張強度低于初始值的50%可以判定變壓器老化已經很嚴重應考慮退出運行絕緣紙抗張強度直接反映了變壓器的老化程度但測量絕緣紙抗張強度的前提是停電吊芯在生產運行中不易實現可以在運行10年～15年后大修時視情況進行

2.3CO和CO2檢查

變壓器絕緣紙的主要成分是纖維素在O2水分和溫度等因素的作用下纖維素會發生解聚長鏈分子斷鏈變成短鏈分子最終生成H2OCO和CO2絕緣紙的老化程度和解聚程度成正比因此變壓器油中CO和CO2的含量在一定程度上反映變壓器絕緣紙老化情況在現場一般采用氣相色譜測量CO和CO2的含量此方法簡便易行

根據GB/T7572-2001變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則當變壓器故障涉及到固體絕緣時也會引起CO和CO2含量明顯增長而且變壓器從空氣中吸收的CO2基值較高通常把CO和CO2含量僅作為評估變壓器絕緣紙老化程度的參考

2.4測量變壓器油中糠醛C5H4O2含量

絕緣紙中的纖維素大分子隨著變壓器的老化會發生解聚生成糠醛糠醛的分子式為C5H4O2變壓器中除絕緣紙外其他部件都不會產生C5H4O2因此可以根據C5H4O2的濃度評估絕緣紙的老化程度C5H4O2溶于變壓器油現場可以取油樣用高效液相色譜分析儀測出其含量

根據國外的研究報告和數據統計預防性維修規程中給出了指導性標準見表1

當測出C5H4O2含量超過表中所示的值時認為變壓器相對老化率不正常存在隱患應繼續跟蹤定期進行測量尤其應注意糠醛的增長率

2.5測量變壓器絕緣紙的聚合度

聚合度是指絕緣紙分子包含纖維素分子的數目聚合度能直接反映絕緣紙的老化程度新變壓器紙的聚合度一般在1000左右運行中纖維素受溫度水分氧化等共同作用發生降解大分子逐漸斷裂聚合度降低一般對絕緣紙老化壽命的判據是把聚合度250作為絕緣紙是否已喪失機械強度的邊界點聚合度低于250的變壓器應退出運行

3采取的措施探討

3.1加強變壓器監造

變壓器內部的每一個部件對于整個變壓器來說都相當關鍵任何1個部件的損壞都可能造成嚴重的后果因此要注意變壓器油絕緣紙張紙板塊木材絕緣清漆等原材料的選用同時任何一道工序未做好都可能影響到變壓器的壽命作為業主方應加強對變壓器的監造嚴把質量關

這樣可以提高變壓器的質量從源頭上延長變壓器的壽命

3.2防止過負荷運行

變壓器過負荷運行會造成溫升變大影響變壓器的壽命為了不影響變壓器的壽命應盡量減少過負荷運行的次數和時間三門核電1號機組主變壓器的容量為1452MVA發電機容量為1407MVA減去部分廠用負荷主變的容量有一定的裕度而且一般只有在事故情況下當系統必須切除部分發電機或線路時為了防止系統靜態穩定破壞保證連續供電才容許發電機過負荷運行從安全角度考慮核電機組一般不會過負荷運行因此主變過負荷運行的可能性很小

3.3加強預警

運行人員應加強對主變壓器的巡檢尤其是油溫繞溫等可定期采用紅外測溫儀進行檢查同時應按標準要求定期取油樣進行檢查另外三門核電主變配置了變壓器油在線監測裝置可有效地監測變壓器油中的氣體通過這些措施可將主變壓器的異常發現于萌芽時期

3.4診斷和分析

將現場診斷與趨勢分析相結合可有效地對變壓器的絕緣狀態進行監測一般可以將局部放電測量油色譜溫度測量糠醛等測試值進行比對和趨勢分析如油色譜發現CO和CO2含量異常時應測量變壓器油糠醛如果條件允許應測量紙的聚合度檢查老化情況綜合試驗結果和運行參數做出較為科學的評估采取有效的措施進行補救

3.5采取狀態檢修

狀態檢修是根據狀態檢測提供的變壓器狀態信息分析變壓器的異常的原因預測故障適時安排檢修計劃采用傳統的定期檢修缺陷檢出率不高據統計預試發現設備有缺陷不足1%[4]實施狀態檢修可以增強變壓器檢修過程中的針對性和有效性避免因過度檢修和設備頻繁拆卸產生的隱患提高變壓器運行的可靠性延長變壓器壽命

4結語

鑒于目前材料和工藝的水平很難保證AP1000主變60年的壽命但是可以采取有效的措施防止變壓器快速老化在運行過程中應加強對變壓器的檢測診斷和狀態維修保證變壓器的安全運行延長變壓器的使用壽命