关于AP1000核电站主变压器寿命的探讨

日期:2020-02-10编辑作者:技术中心

  主变压器是核电站最重要的之一。在长期的运行中,主变压器受到电动力、热辐射和化学反应的共同作用,其绝缘材料的机械和电气性能将发生衰减,产生绝缘老化现象。如果运行维护不良,将导致主变压器老化严重,一旦发生事故,会给核电站和电网带来重大的损失。

  在正常条件下,变压器的预期设计寿命通常为20年~40年[1],而AP1000核电站变压器的设计寿命为60年,能否使AP1000主变压器的寿命达到其设计值?这个问题值得思考。因此,尽早开展AP1000主变压器老化和寿命的研究很有必要。目前三门核电主1号机组主变压器尚未投运,本文提出的措施可以作为AP1000核电站主变压器运行和维护的参考。

  工作温度越高,变压器绝缘材料的化学反应进行得越快,机械强度和电气强度丧失得越快,相对老化率越大,变压器的运行寿命就越短。变压器图解

  根据研究结果,油浸式电力变压器的绕组热点温度在80℃~140℃范围内时,绕组温度每增加6℃,变压器的相对老化率增加1倍,寿命减少1半。变压器图解因此,过热是大型电力变压器寿命缩短的主要因素之一。

  一般认为局部放电是变压器绝缘老化最主要的原因[2]。近年来,虽然变压器制造工艺水平得到了很大的提升,但是仍然不能避免在变压器油和其他绝缘材料中留有气隙或气泡。气体的介电常数比变压器油和其他绝缘材料小,介电常数越小,电场强度越大,所以气隙和气泡处的场强更强,而气体的击穿场强比变压器油和绝缘材料低,因此很容易首先在气泡中发生局部放电。变压器油中存在微量水分和杂质,在电场的作用下,也容易出现局部放电。另外,由于变压器设计不合理,某些部位的场强比其他位置高,变压器内部连接不良等原因都会引起局部放电。局部放电不断发展,最终导致绝缘击穿,影响变压器的寿命。

  在变压器的制造过程中,制造厂严格控制产品的水分。一般变压器要经过煤油气相干燥、真空注油、热油循环等除水工艺,但仍然会残留一定的水分。后期运行,尤其是吊罩大修,也不可避免地侵入一部分水分,同时变压器油热老化后也会分解出水分。变压器中的水分主要积聚在绝缘纸板和绝缘油中,它会恶化变压器油及绝缘纸板的电气性能,使其耐电强度降低,击穿强度随着含水量增加而急剧下降。水分还会与绝缘材料发生降解反应,加速绝缘材料的老化。研究表明,湿度为2%的绝缘纸的老化速度是湿度为0.3%的11倍。

  变压器油在电、热和氧气的作用下会逐渐老化。变压器油老化后,油的吸气性增强,聚合度也增强,导致油中气体增多、运动黏度增大。气体增多将造成油的绝缘击穿电压下降,运行黏度增大影响循环对流和传热能力,不能适应变压器的运行工况,并形成恶性循环,严重影响变压器的运行寿命,甚至造成设备事故[3]。

  狂风、暴雨、大雪、冰雹和地震等外界因素也会对变压器的寿命造成影响,应根据实际情况加以防范,必要时需停电。

  对同型号的变压器进行统计,计算出变压器的平均寿命,用计算结果来评估老化情况和剩余寿命。这种方法实施起来简单,且成本低。但AP1000主变压器容量大,第一台AP1000主变尚未投入运行,没有同型号的变压器可以参考,所以这种方法无法实施。

  测量绝缘纸的抗张强度可以判断绝缘纸老化程度,若绝缘纸的抗张强度低于初始值的50%,可以判定变压器老化已经很严重,应考虑退出运行。绝缘纸抗张强度直接反映了变压器的老化程度,但测量绝缘纸抗张强度的前提是停电吊芯,在生产运行中不易实现,可以在运行10年~15年后大修时视情况进行。

  变压器绝缘纸的主要成分是纤维素,在O2、水分和温度等因素的作用下纤维素会发生解聚,长链分子断链变成短链分子,最终生成H2O、CO和CO2。绝缘纸的老化程度和解聚程度成正比。因此,变压器油中CO和CO2的含量在一定程度上反映变压器绝缘纸老化情况。在现场,一般采用气相色谱测量CO和CO2的含量,此方法简便易行。

  根据GB/T7572-2001变压器油中溶解气体分析和判断导则,当变压器故障涉及到固体绝缘时,也会引起CO和CO2含量明显增长。而且,变压器从空气中吸收的CO2基值较高,通常把CO和CO2含量仅作为评估变压器绝缘纸老化程度的参考。

  绝缘纸中的纤维素大分子随着变压器的老化会发生解聚,生成糠醛,糠醛的分子式为C5H4O2。变压器中除绝缘纸外,其他部件都不会产生C5H4O2,因此可以根据C5H4O2的浓度评估绝缘纸的老化程度。C5H4O2溶于变压器油,现场可以取油样,用高效液相色谱分析仪测出其含量。

  根据国外的研究报告和数据统计,预防性维修规程中给出了指导性标准(见表1)。

  当测出C5H4O2含量超过表中所示的值时,认为变压器相对老化率不正常,存在隐患,应继续跟踪,定期进行测量,尤其应注意糠醛的增长率。

  聚合度是指绝缘纸分子包含纤维素分子的数目,聚合度能直接反映绝缘纸的老化程度。新变压器纸的聚合度一般在1000左右。运行中纤维素受温度、水分、氧化等共同作用发生降解,大分子逐渐断裂,聚合度降低。一般对绝缘纸老化寿命的判据是:把聚合度250作为绝缘纸是否已丧失机械强度的边界点,聚合度低于250的变压器应退出运行。

  变压器内部的每一个部件对于整个变压器来说都相当关键,任何1个部件的损坏都可能造成严重的后果。因此要注意变压器油、绝缘纸张、纸板、块木材、绝缘清漆等原材料的选用。同时,任何一道工序未做好都可能影响到变压器的寿命。作为业主方,应加强对变压器的监造,变压器图解严把质量关。

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关键词: 变压器图解

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