秦山核電90 kW異步電機(jī)燒毀原因分析及優(yōu)化

曹祖庭

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 故障電機(jī)簡介

電機(jī)是核電中重要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，重要電機(jī)單機(jī)組裝機(jī)量約為600臺，它的可靠運(yùn)行關(guān)系著核電的生產(chǎn)與安全。電機(jī)的故障種類很多，常見的有轉(zhuǎn)子故障、軸承故障、定子繞組故障等。文獻(xiàn)[1]介紹了一種由于電機(jī)軸承摩擦發(fā)熱大疊加散熱不好導(dǎo)致巴基斯坦恰希瑪核電二期安全殼空氣冷卻機(jī)組電機(jī)接連故障燒毀；文獻(xiàn)[2]介紹了一種由于發(fā)電機(jī)匝間短路導(dǎo)致發(fā)電機(jī)振動超標(biāo)的故障。

本文介紹一種三相異步電機(jī)由于單相對中性點(diǎn)短路，電機(jī)保護(hù)未正確動作導(dǎo)致電機(jī)燒毀的事件，故障電機(jī)5SER402 MO(設(shè)備編碼)為秦山核電二廠3、4號機(jī)組公共廠房除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)除鹽水輸出泵的電機(jī)，該泵為核島提供除鹽水的功能。電機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)參數(shù)Table 1 The motor parameters

它的上游電源來自于除鹽水配電廠房配電柜抽屜5 LKU471 JA(配電抽屜位號)，其供電一次圖如圖1所示。

電機(jī)啟動方式為直接啟動，短路保護(hù)由主熔斷器來實現(xiàn)，其他保護(hù)通過UNT電機(jī)保護(hù)模塊來實現(xiàn)，UNT保護(hù)動作后，通過一副故障觸點(diǎn)切斷主接觸器線圈回路，使接觸器線圈失電分閘來實現(xiàn)切斷故障電流，保護(hù)電機(jī)的目的。主要保護(hù)配置見表2。這種電機(jī)保護(hù)模塊廣泛應(yīng)用于發(fā)電站、石油石化行業(yè)和水泥鋼鐵行業(yè)等，全國裝機(jī)量在10萬臺以上[3]。

表2 保護(hù)配置表

圖1 供電一次圖Fig.1 Theprimary power supply

2 故障現(xiàn)象及檢查情況

5SER402 MO在完成預(yù)防性維修(核電定期對電機(jī)進(jìn)行的檢查，包括電機(jī)絕緣、線圈值阻和潤滑情況等)后，操作人員在遠(yuǎn)控上位機(jī)上啟動電機(jī)，電機(jī)并未啟動，電機(jī)本體有白煙冒出，電機(jī)燒毀，上游電源抽屜5 LKU471 JA上運(yùn)行指示燈亮，UNT保護(hù)模塊顯示屏顯示缺相告警。故障后對電機(jī)和抽屜進(jìn)行了詳細(xì)的檢查。

2.1 電機(jī)本體檢查情況

故障后對電機(jī)進(jìn)行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部定子線圈的引出線燒毀嚴(yán)重，電纜絕緣層脫落，如圖2所示。具體描述如下：

A(黃線)相、B(綠線)相4根電機(jī)定子線圈引出線絕緣層燒毀脫落；B相其中一根引出線燒斷；C相兩根引出線(紅線)未發(fā)現(xiàn)明顯燒灼痕跡，絕緣層完好。

通過現(xiàn)象分析故障時A相線圈與B相線圈存在持續(xù)較大的故障電流，C相線圈電流不大，或故障電流時間較短，未對C相造成影響。

圖2 電機(jī)燒毀情況Fig.2 The condition of burning motor

2.2 電機(jī)接線箱檢查情況

故障后對電機(jī)接線箱進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)外部進(jìn)線電纜過長，在接線箱內(nèi)彎曲多次，存在很大的應(yīng)力；C相進(jìn)線電纜與中性排有強(qiáng)烈放電現(xiàn)象，C相進(jìn)線線鼻子擊穿。電機(jī)接線箱接線情況如圖3所示，C相進(jìn)線與中性排接觸示意圖如圖4所示。

圖3 電機(jī)接線箱情況Fig.3 The condition of motor junction box

圖4 C相電纜進(jìn)線與中性排接觸示意圖Fig.4 The schematic of contactsbetween phase C and neutral line

2.3 5 LKU471 JA抽屜檢查情況

抽屜是除了給電機(jī)提供工作電源外，還起到保護(hù)電機(jī)，切斷故障電流的作用。對抽屜的主熔斷器、接觸器和電機(jī)保護(hù)模塊(UNT)進(jìn)行詳細(xì)檢查，情況如下。

(1)主熔斷器：抽屜主熔斷器(NH2-250 A aM)未熔斷，說明電機(jī)速斷保護(hù)未起作用；

(2)主接觸器：在主接觸器失電的情況下，接觸器看上去還是處于吸合狀態(tài)，主接觸器觸點(diǎn)粘合，經(jīng)測量A、B兩相處于接通狀態(tài)，C相處于斷開狀態(tài)。將接觸器拆解，觸點(diǎn)強(qiáng)行分開，發(fā)現(xiàn)接觸器6個觸點(diǎn)已經(jīng)燒糊，觸點(diǎn)材質(zhì)熱融化，如圖5所示。

圖5 接觸器觸點(diǎn)情況Fig.5 The condition of contactor contacts

(3)電機(jī)保護(hù)模塊(UNT)：對電機(jī)保護(hù)模塊進(jìn)行上電，查詢故障記錄，故障記錄顯示為缺相，缺相時的故障電流分別為：Ia=899 A，Ib=896 A，Ic=0 A,如圖6所示。對電機(jī)保護(hù)模塊各個保護(hù)功能進(jìn)行驗證，各個保護(hù)動作正常，未發(fā)現(xiàn)拒動等異常。

圖6 缺相故障時的電流Fig.6 The current at phase failure

3 原因分析

通過對電機(jī)接線箱的檢查發(fā)現(xiàn)，C相電纜端子絕緣層存在破損現(xiàn)象再疊加上接線箱中電纜均偏長，彎曲于接線箱內(nèi)，存在很大的應(yīng)力，C相裸露的接線鼻子與零排接觸，導(dǎo)致了C相對中性點(diǎn)短路(如圖3所示)，從而旁路了電機(jī)內(nèi)部C相線圈。從電機(jī)內(nèi)部C相兩根接線未發(fā)現(xiàn)燒灼痕跡(如圖2所示)，絕緣層完好也證明了C相線圈并未過流。因此C相接線鼻子與中性排短路為此次故障的直接原因。

通過圖2的供電一次圖與表1保護(hù)配置表可以看出，在電機(jī)啟動的5 s內(nèi),堵轉(zhuǎn)保護(hù)不起作用(啟動延時5 s)、過流保護(hù)不起作用(UNT過流保護(hù)需要躲過啟動電流影響，啟動成功后才起作用)、不平衡保護(hù)不起作用(延時5 s)、低電壓保護(hù)不起作用(延時5 s)和過熱保護(hù)不起作用(UNT過熱保護(hù)保護(hù)模型需躲過啟動電流的影響)[4]，因此啟動階段(5 s內(nèi))能起到電機(jī)保護(hù)作用的保護(hù)為熔斷器的速斷保護(hù)與UNT的缺相保護(hù)。

下面分析故障發(fā)生后為什么沒有切斷故障電流導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

3.1 短路瞬間

電機(jī)從啟動到燒毀過程中電機(jī)未轉(zhuǎn)動，假設(shè)電機(jī)3個線圈阻抗相同進(jìn)行分析。電機(jī)在帶載啟動瞬間A,B,C相電流約為1050 A(數(shù)據(jù)來源于秦山核電2010年—2018年此電機(jī)預(yù)防性維修后的試驗數(shù)據(jù))，由于C相對中性點(diǎn)短路(如圖7所示)，旁路了電機(jī)C相線圈，CA線電壓為原來相電壓的1.732倍，由于電機(jī)線圈阻抗相同，因此啟動瞬間A相電流約為1 818.2 A；同理，B相電流也約為1 818.2 A。CA,CB線電壓相位成60°，因此A、B相電流也成60°相角，計算得C相電流約為3 150 A。

圖7 C相與中性點(diǎn)短路示意圖Fig.7 The schematic of short-circuitbetween phase C and neutral point

綜上估算故障瞬間A、B、C相故障電流分別約為1 800 A、1 800 A和3 150 A。這個級別的電流下，對熔斷器保護(hù)曲線和接觸器接通分?jǐn)嗄芰M(jìn)行分析，熔斷器的保護(hù)特性曲線如圖8所示，現(xiàn)場用的熔斷器型號為250 A aM。

故障電流在1818.2 A時熔斷器熔斷時間約為4.5 s，因此在4.5 s內(nèi)A、B相熔斷器不會熔斷，故障電流在3150 A左右熔斷器的熔斷時間約為0.3 s。

圖8 熔斷器保護(hù)特性曲線Fig.8 The protection characteristic curve of fuse

對主接觸器的接通分?jǐn)嗄芰M(jìn)行分析，主接觸器的型號為AF185，額定電流為185 A,額定接通能力為10Ie=1850 A，額定分?jǐn)嗄芰?Ie=1480 A，額定短時耐受電流Icw為2000 A，1 s，詳細(xì)參數(shù)如表3所示。A、B相故障電流為1818.2 A時,接觸器具備接通能力，當(dāng)不具備分?jǐn)嗄芰?即此電流等級下負(fù)荷能接通電流，但是會出現(xiàn)即使線圈失電觸點(diǎn)分?jǐn)嗖涣爽F(xiàn)象)。C相障電流為3150 A時，接觸器C相已無接通能力，此電流也已超過接觸器的耐受電壓，因此在0.3 s(3150 A情況下C相熔斷器熔斷時間)內(nèi)觸點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重融化，出現(xiàn)斷相現(xiàn)象(如圖9所示)。

表3 接觸器參數(shù)

圖9 接觸器觸點(diǎn)示意圖Fig.9 Theschematic of contactor contacts

通過上述分析0～0.3 s過程中，UNT電機(jī)保護(hù)模塊未動作，熔斷器未動作，0.3 s內(nèi)接觸器C相觸點(diǎn)融化斷開(無接通能力)，A、B相觸點(diǎn)接通，無法分開(無分?jǐn)嗄芰?。

3.2 缺相瞬間

C相缺相瞬間電機(jī)接線示意圖如圖10所示，Ia=Ib，按照之前假設(shè)線圈阻抗相同，A、B相電壓分配與兩個線圈，因此為之前A、B相故障電流的一半909.1 A，C相電流為0 A。

圖10 缺相后電機(jī)接線示意圖Fig.10 The schematic of motor wiring after phase failure

UNT電機(jī)保護(hù)模塊缺相保護(hù)動作(缺相保護(hù)無延時，瞬動)，斷開主接觸器線圈回路，接觸器線圈失電，UNT記錄下缺相瞬間各個相電流(如圖6所示，分別為899 A、896 A、0 A)，記錄下的電流與理論故障電流幾乎一致。因此也證明上述分析過程的正確性。

在0.3 s內(nèi)A、B相1818.2 A電流與缺相后主接觸器由于觸點(diǎn)融化A、B相觸點(diǎn)粘連，無分?jǐn)嗄芰?，即使接觸器線圈失電，但是A、B相觸點(diǎn)已無法分開，因此A、B相900 A左右的故障電流持續(xù)存在。

3.3 缺相到電機(jī)燒毀過程

由于缺相時故障電流已經(jīng)降低到909.1 A，從圖8熔斷器的動作曲線看出在909.1 A時熔斷器不會動作。因此A、B相故障電流持續(xù)存在，電機(jī)內(nèi)部冒煙，A、B相絕緣層燒毀，線圈發(fā)熱，直至B相連接線燒斷(如圖2所示)故障電流才消失。

4 結(jié)論

從故障過程的分析來看，電機(jī)燒毀事件的直接原因為預(yù)防性維修后電機(jī)接線存在問題，導(dǎo)致C相與中性排短路。根本原因為熔斷器和接觸器選型不合理。若主接觸器的型號為AF260，接觸器的額定最大電流Ie=260 A，額定接通能力為10Ie=2600 A,額定分?jǐn)嗄芰?Ie=2 080 A，耐受電流能達(dá)到3 500 A，因此在A、B相故障電流1 818.2 A情況下，接觸器具有分?jǐn)嗄芰?，C相故障電流3 150 A情況下，0.3 s內(nèi)缺相發(fā)生后切斷接觸器，或者0.3 s熔斷器熔斷，切除接觸器電源，斷開故障電流，避免電機(jī)燒毀。通過查詢通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范，熔斷體的額定電流應(yīng)大于電動機(jī)的額定電流，且其安秒特性曲線計及偏差后應(yīng)略高于電動機(jī)起動電流時間特性曲線[5]。因此90 kW電機(jī)熔斷器選擇應(yīng)該為200 A aM，200 A熔斷器滿足躲過啟動電流要求，且比250 A保護(hù)時間短，能夠更快速起到保護(hù)作用。

5 優(yōu)化措施

1)規(guī)范電機(jī)接線箱接線，剪短過長電纜，對裸露的接線銅牌用熱縮套管進(jìn)行熱縮處理。

2)保守設(shè)計，接觸器型號選擇為AF260型號，熔斷器選擇為200 A aM型號。

6 結(jié)束語

電機(jī)單相對中性排短路故障相比于其他電機(jī)的故障形式比較少見，本案例由于設(shè)計時熔斷器選型偏大，接觸器選型偏小導(dǎo)致在特定范圍的故障電流下，接觸器散失分?jǐn)嗄芰?，?dǎo)致電機(jī)燒毀。本文對核電站電機(jī)保護(hù)選型具有一定的借鑒意義。