程亞靜 傅天君 黃棋 陳偉

Cause Analysis and Countermeasures for the Excitation Clamp Failure of Small Turbine Generator in Nuclear Power Plant

CHENG Ya-jing， FU Tian-jun， HUANG Qi， CHEN Wei

（ChinaNuclear Power Operations Co. Ltd.， Shenzhen 518000， China）

【摘? 要】論文對(duì)核電廠小汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)組成、功能實(shí)現(xiàn)方式等基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，詳細(xì)闡述了發(fā)電機(jī)的參數(shù)信息、結(jié)構(gòu)、功能以及基本維護(hù)手段，重點(diǎn)敘述了發(fā)電機(jī)管理維護(hù)過(guò)程中遇到的疑難缺陷，并深入剖析這些疑難缺陷背后的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)原因。

【Abstract】 The paper briefly introduces the basic contents of the small turbo generator in the nuclear power plant， such as the system composition and function realization. And it expounds the parameter information， structure， function and basic maintenance means of the generator in detail， and the difficult defects encountered in the process of generator management and maintenance are mainly expounded， and the structure or system reasons behind these difficult defects are deeply analyzed.

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī);建壓;勵(lì)磁卡件

【Keywords】 generator; voltage building-up; excitation card

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM341? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）03-0139-02

1 引言

水壓試驗(yàn)泵小型汽輪發(fā)電機(jī)組（簡(jiǎn)稱(chēng)小汽機(jī)）用于在異常情況下向水壓試驗(yàn)泵提供應(yīng)急電源。在正常或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，水壓試驗(yàn)泵用小型汽輪發(fā)電機(jī)組不執(zhí)行安全功能。但在核電廠一個(gè)機(jī)組的兩列配電盤(pán)A列 和B列 都不能供電的情況下（即超基準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況），此汽輪發(fā)電機(jī)組能給水壓試驗(yàn)泵提供380V 應(yīng)急電源，以確保給主泵1 號(hào)軸封供水，從而確保反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的完整性。另外，在此工況下還負(fù)責(zé)為機(jī)組運(yùn)行所需的儀表供電，并可通過(guò)兩個(gè)機(jī)組的共用機(jī)柜，為水壓試驗(yàn)泵房的應(yīng)急通風(fēng)設(shè)備供電。

2 小汽輪機(jī)故障事件背景

①小汽機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障，導(dǎo)致輸出電壓異常。2016年前曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)五次勵(lì)磁卡件更換如下：

第一次：2005年1月8日某廠2號(hào)機(jī)執(zhí)行試驗(yàn)時(shí)，因小汽機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)卡件損壞，發(fā)電機(jī)電壓輸出僅為190V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到額定的380V電壓，下游配電柜內(nèi)的022JA跳閘，甩負(fù)荷，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

第二次：2006年5月6日在小汽機(jī)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行15分鐘后機(jī)端電壓突然降低至137V，造成所有負(fù)荷停運(yùn)，試驗(yàn)不成功。更換發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)卡后，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行只帶電阻試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)顯示機(jī)端電壓恢復(fù)正常，為381.9V。運(yùn)行再執(zhí)行其試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。

第三次：2006年7月9日在進(jìn)行小汽機(jī)帶負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，下游負(fù)荷頻繁切換，發(fā)電機(jī)輸出電壓在250～380V之間來(lái)回波動(dòng)，更換新勵(lì)磁卡件后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定，負(fù)荷間的切換正常。

第四次：2007年5月23日在試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)多次超速跳閘，電氣配合更換了勵(lì)磁卡件和整流硅堆試驗(yàn)合格。

第五次：2015年1月20日在試驗(yàn)時(shí)母線電壓低，判斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁卡件故障，更換了勵(lì)磁卡件后，發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)正常。

②環(huán)境影響。有兩臺(tái)機(jī)組發(fā)生過(guò)小汽機(jī)受臺(tái)風(fēng)影響被雨水浸濕，導(dǎo)致絕緣降低事件。

③小汽機(jī)勵(lì)磁卡件固定緩沖橡膠件開(kāi)裂故障。

3 小汽輪機(jī)故障事件過(guò)程

2016年5月24日晚上19：00左右，在執(zhí)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)出口母線電壓偏低，電壓為367V左右（EOMM手冊(cè)要求發(fā)電機(jī)出口電壓380±5%V，歷史值為395V左右），隨后在啟動(dòng)下游負(fù)荷過(guò)程中，因啟動(dòng)瞬間電流突增，母線電壓被拉低到290V左右，而母線電壓的報(bào)警定值為323V報(bào)警并延時(shí)2S觸發(fā)，當(dāng)母線電壓低于307V時(shí)母線直接失壓，停止啟動(dòng)負(fù)荷，導(dǎo)致連續(xù)啟動(dòng)負(fù)荷電機(jī)6次才成功。

4 小汽輪機(jī)故障原因分析

發(fā)電機(jī)出口電壓建壓后，負(fù)荷啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)。當(dāng)母線電壓低于307V時(shí)母線直接失壓，停止啟動(dòng)負(fù)荷，導(dǎo)致連續(xù)啟動(dòng)負(fù)荷電機(jī)6次才成功。此時(shí)低電壓繼電器動(dòng)作，導(dǎo)致負(fù)荷啟動(dòng)信號(hào)回路斷開(kāi)，發(fā)電機(jī)跳閘，當(dāng)母線電壓恢復(fù)后啟動(dòng)信號(hào)再次觸發(fā)。

根據(jù)以上分析可知，負(fù)荷啟動(dòng)失敗的根本原因?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)瞬間，母線電壓降低至低電壓繼電器動(dòng)作值以下，導(dǎo)致進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘。啟動(dòng)不成功的促成因素為本次發(fā)電機(jī)出口電壓只有367V明顯低于歷史值395V左右，導(dǎo)致負(fù)荷投運(yùn)時(shí)電壓被拉低至低電壓繼電器動(dòng)作值以下，電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘。

發(fā)生故障后檢查小汽機(jī)轉(zhuǎn)速等其他系統(tǒng)參數(shù)正常，排除小汽機(jī)等其他系統(tǒng)設(shè)備問(wèn)題，發(fā)電機(jī)輸出電壓低的可能原因分析如下：①勵(lì)磁繞組故障：后續(xù)檢查勵(lì)磁繞組絕緣、直阻正常，該原因可能性低;②旋轉(zhuǎn)二級(jí)管故障：后續(xù)檢查二級(jí)管無(wú)擊穿，壓降正常，該原因可能性低;③勵(lì)磁調(diào)節(jié)卡故障：由于時(shí)間關(guān)系后續(xù)更換勵(lì)磁調(diào)節(jié)卡后發(fā)電機(jī)電壓正常;更換新調(diào)節(jié)卡時(shí)發(fā)現(xiàn)新舊電壓調(diào)節(jié)旋鈕阻值偏差較大，該原因可能性高。

勵(lì)磁卡件通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)主繞組的電壓，以控制提供給勵(lì)磁機(jī)定子電流不變，保持穩(wěn)定值為1A，從而維持發(fā)電機(jī)輸出電壓介于指定的范圍內(nèi)，并補(bǔ)償負(fù)載、轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)等。勵(lì)磁卡件原理圖按功能區(qū)分可以將其拆分為整流模塊，閾值調(diào)整模塊，速度補(bǔ)償模塊，脈沖控制模塊，脈沖產(chǎn)生模塊。如下圖1所示是各功能模塊控制圖。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，勵(lì)磁電流的大小可由控制可控硅SCR導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Z相輸出正弦全波電壓時(shí)，由于二極管V1的正向?qū)ㄐ裕煽毓鑃CR上會(huì)承受正弦半波電壓。當(dāng)Z相電壓為正時(shí)， SCR經(jīng)過(guò)調(diào)控產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通角，便在勵(lì)磁線圈上產(chǎn)生所需要的勵(lì)磁電流;當(dāng)Z相電壓為負(fù)時(shí)，SCR關(guān)斷，在勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)的作用下通過(guò)續(xù)流二極管V2維持勵(lì)磁電流的連續(xù)。X，Y相電壓先后經(jīng)過(guò)整流模塊，閾值調(diào)整模塊，速度補(bǔ)償模塊，脈沖控制模塊，脈沖產(chǎn)生模塊后，產(chǎn)生對(duì)可控硅SCR控制的觸發(fā)脈沖。其中，速度補(bǔ)償模塊由Z相電壓經(jīng)過(guò)整流之后的直流電壓激勵(lì)。

將速度補(bǔ)償模塊的R15電阻從卡件中拆卸下來(lái)，電阻兩端均可見(jiàn)明顯銹蝕，對(duì)銹蝕處進(jìn)行EDS元素分析發(fā)現(xiàn)銹蝕處氯元素含量高，將電阻表面的環(huán)氧樹(shù)脂去除后，見(jiàn)該電阻為金屬膜電阻器，觀察金屬膜形貌發(fā)現(xiàn)金屬膜缺失，該處金屬膜缺失是由于氯元素腐蝕導(dǎo)致（詳見(jiàn)圖2）。

5 小汽輪機(jī)故障結(jié)論

本次故障的直接原因?yàn)閯?lì)磁卡件R15老化腐蝕阻值變大分壓，發(fā)電機(jī)出口電壓偏低，在啟動(dòng)負(fù)荷瞬間電流突增，母線電壓被進(jìn)一步拉低至低電壓繼電器動(dòng)作值， 負(fù)荷啟動(dòng)信號(hào)回路斷開(kāi)，小汽機(jī)發(fā)電機(jī)跳閘。

查詢(xún)維修大綱對(duì)該勵(lì)磁卡件沒(méi)有明確要求更換周期是導(dǎo)致本次故障發(fā)生的根本原因。

6 小汽輪機(jī)故障改進(jìn)行動(dòng)

①根據(jù)卡件電子元器件老化分析結(jié)果，增加勵(lì)磁卡件定期更換大綱;②在更換新卡件前增加勵(lì)磁卡件拷機(jī)試驗(yàn)，并配合已開(kāi)發(fā)完成的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁卡件仿真儀進(jìn)行勵(lì)磁卡件烤機(jī);③本次事件延誤大修關(guān)鍵路徑3小時(shí)，為更好驗(yàn)證發(fā)電機(jī)組大修或更換勵(lì)磁后的設(shè)備可用性，新增加壓縮空氣推動(dòng)小汽機(jī)的建壓試驗(yàn)，從而驗(yàn)證設(shè)備可用性，減少突發(fā)發(fā)電機(jī)故障后占用大修關(guān)鍵路徑時(shí)間。外接入壓縮空氣建壓試驗(yàn)將壓縮空氣接入到蒸汽管道系統(tǒng)中，通過(guò)正?？刂平尤腴y門(mén)開(kāi)度進(jìn)行壓縮空氣推動(dòng)小汽輪發(fā)電機(jī)組建壓試驗(yàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

核電廠水壓試驗(yàn)泵發(fā)電機(jī)組用于在異常情況下向水壓試驗(yàn)泵提供應(yīng)急電源，作為核電廠的一道重要安全屏障，其能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行對(duì)整個(gè)核電機(jī)組的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。本次發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的建壓異常故障問(wèn)題，通過(guò)發(fā)現(xiàn)故障，分析故障，解決故障，及時(shí)完成了本次檢修工作。經(jīng)過(guò)后期的改進(jìn)采用壓縮空氣建壓試驗(yàn)和發(fā)電機(jī)嚴(yán)重故障搶修預(yù)案分析，為今后檢修同類(lèi)設(shè)備積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也保證了發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。