核电厂小汽轮发电机励磁卡件故障原因分析及处理对策
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作者:
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】论文对核电厂小汽轮发电机系统组成、功能实现方式等基础内容进行简要介绍，详细阐述了发电机的参数信息、结构、功能以及基本维护手段，重点叙述了发电机管理维护过程中遇到的疑难缺陷，并深入剖析这些疑难缺陷背后的结构或系统原因。
【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.
【關键词】发电机;建压;励磁卡件
【Keywords】 generator; voltage building-up; excitation card
【中图分类号】TM341 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）03-0139-02
1 引言
水压试验泵小型汽轮发电机组（简称小汽机）用于在异常情况下向水压试验泵提供应急电源。在正常或设计基准事故工况下，水压试验泵用小型汽轮发电机组不执行安全功能。但在核电厂一个机组的两列配电盘A列 和B列 都不能供电的情况下（即超基准设计工况），此汽轮发电机组能给水压试验泵提供380V 应急电源，以确保给主泵1 号轴封供水，从而确保反应堆冷却剂系统的完整性。另外，在此工况下还负责为机组运行所需的仪表供电，并可通过两个机组的共用机柜，为水压试验泵房的应急通风设备供电。
2 小汽轮机故障事件背景
①小汽机励磁系统故障，导致输出电压异常。2016年前曾经出现过五次励磁卡件更换如下：
第一次：2005年1月8日某厂2号机执行试验时，因小汽机励磁电流调节卡件损坏，发电机电压输出仅为190V，远远未达到额定的380V电压，下游配电柜内的022JA跳闸，甩负荷，导致试验失败。
第二次：2006年5月6日在小汽机试验时，发电机运行15分钟后机端电压突然降低至137V，造成所有负荷停运，试验不成功。更换发电机励磁调节卡后，对发电机进行只带电阻试验时，试验显示机端电压恢复正常，为381.9V。运行再执行其试验规程进行试验，试验合格。
第三次：2006年7月9日在进行小汽机带负荷试验时，下游负荷频繁切换，发电机输出电压在250～380V之间来回波动，更换新励磁卡件后进行试验，发电机输出电压稳定，负荷间的切换正常。
第四次：2007年5月23日在试验时发电机多次超速跳闸，电气配合更换了励磁卡件和整流硅堆试验合格。
第五次：2015年1月20日在试验时母线电压低，判断发电机励磁卡件故障，更换了励磁卡件后，发电机电压恢复正常。
②环境影响。有两台机组发生过小汽机受台风影响被雨水浸湿，导致绝缘降低事件。
③小汽机励磁卡件固定缓冲橡胶件开裂故障。
3 小汽轮机故障事件过程
2016年5月24日晚上19：00左右，在执行试验时发电机出口母线电压偏低，电压为367V左右（EOMM手册要求发电机出口电压380±5%V，历史值为395V左右），随后在启动下游负荷过程中，因启动瞬间电流突增，母线电压被拉低到290V左右，而母线电压的报警定值为323V报警并延时2S触发，当母线电压低于307V时母线直接失压，停止启动负荷，导致连续启动负荷电机6次才成功。
4 小汽轮机故障原因分析
发电机出口电压建压后，负荷启动信号触发。当母线电压低于307V时母线直接失压，停止启动负荷，导致连续启动负荷电机6次才成功。此时低电压继电器动作，导致负荷启动信号回路断开，发电机跳闸，当母线电压恢复后启动信号再次触发。
根据以上分析可知，负荷启动失败的根本原因为电机启动瞬间，母线电压降低至低电压继电器动作值以下，导致进线开关跳闸。启动不成功的促成因素为本次发电机出口电压只有367V明显低于历史值395V左右，导致负荷投运时电压被拉低至低电压继电器动作值以下，电机进线开关跳闸。 发生故障后检查小汽机转速等其他系统参数正常，排除小汽机等其他系统设备问题，发电机输出电压低的可能原因分析如下：①励磁绕组故障：后续检查励磁绕组绝缘、直阻正常，该原因可能性低;②旋转二级管故障：后续检查二级管无击穿，压降正常，该原因可能性低;③励磁调节卡故障：由于时间关系后续更换励磁调节卡后发电机电压正常;更换新调节卡时发现新旧电压调节旋钮阻值偏差较大，该原因可能性高。
励磁卡件通过检测发电机主绕组的电压，以控制提供给励磁机定子电流不变，保持稳定值为1A，从而维持发电机输出电压介于指定的范围内，并补偿负载、转速及发电机的功率因数等。励磁卡件原理图按功能区分可以将其拆分为整流模块，阈值调整模块，速度补偿模块，脉冲控制模块，脉冲产生模块。如下图1所示是各功能模块控制图。发电机正常工作时，励磁电流的大小可由控制可控硅SCR导通角来实现。当Z相输出正弦全波电压时，由于二极管V1的正向导通性，可控硅SCR上会承受正弦半波电压。当Z相电压为正时， SCR经过调控产生适当的导通角，便在励磁线圈上产生所需要的励磁电流;当Z相电压为负时，SCR关断，在励磁线圈产生的自感电动势的作用下通过续流二极管V2维持励磁电流的连续。X，Y相电压先后经过整流模块，阈值调整模块，速度补偿模块，脉冲控制模块，脉冲产生模块后，产生对可控硅SCR控制的触发脉冲。其中，速度补偿模块由Z相电压经过整流之后的直流电压激励。
将速度补偿模块的R15电阻从卡件中拆卸下来，电阻两端均可见明显锈蚀，对锈蚀处进行EDS元素分析发现锈蚀处氯元素含量高，将电阻表面的环氧树脂去除后，见该电阻为金属膜电阻器，观察金属膜形貌发现金属膜缺失，该处金属膜缺失是由于氯元素腐蚀导致（详见图2）。
5 小汽轮机故障结论
本次故障的直接原因为励磁卡件R15老化腐蚀阻值变大分压，发电机出口电压偏低，在启动负荷瞬间电流突增，母线电压被进一步拉低至低电压继电器动作值， 负荷启动信号回路断开，小汽机发电机跳闸。
查询維修大纲对该励磁卡件没有明确要求更换周期是导致本次故障发生的根本原因。
6 小汽轮机故障改进行动
①根据卡件电子元器件老化分析结果，增加励磁卡件定期更换大纲;②在更换新卡件前增加励磁卡件拷机试验，并配合已开发完成的发电机励磁卡件仿真仪进行励磁卡件烤机;③本次事件延误大修关键路径3小时，为更好验证发电机组大修或更换励磁后的设备可用性，新增加压缩空气推动小汽机的建压试验，从而验证设备可用性，减少突发发电机故障后占用大修关键路径时间。外接入压缩空气建压试验将压缩空气接入到蒸汽管道系统中，通过正常控制接入阀门开度进行压缩空气推动小汽轮发电机组建压试验。
7 结语
核电厂水压试验泵发电机组用于在异常情况下向水压试验泵提供应急电源，作为核电厂的一道重要安全屏障，其能稳定可靠的运行对整个核电机组的安全运行起到至关重要的作用。本次发电机在启动过程中的建压异常故障问题，通过发现故障，分析故障，解决故障，及时完成了本次检修工作。经过后期的改进采用压缩空气建压试验和发电机严重故障抢修预案分析，为今后检修同类设备积累了宝贵的经验，同时也保证了发电机的安全稳定运行。
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