田灣核電站勵磁機轉子直流母線缺陷查找與更換

吳志強，吳玟璇

(中核集團江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000)

0 引言

2015年10月5日，田灣核電站2號機組小修后，發(fā)電機勵磁調節(jié)器進行空載啟動，測量旋轉二極管檢測探頭波形時，發(fā)現(xiàn)其中一個二極管回路信號相對較弱。為了消除此項缺陷，制定如下處理方案：檢查整流器中二極管和熔斷器是否異常、檢查直流母線是否出現(xiàn)裂紋、檢查檢測探頭是否異常。通過上述檢查方案，在T209大修中發(fā)現(xiàn)編號為K3、K7、A8、A14的母線斷裂。根據(jù)檢查結果，由俄方用新型母線全部進行更換，完成后運往國內(nèi)電機廠進行高速校動平衡工作。此次故障消除，表明母線斷裂是造成故障報警的根本原因。

1 БВД-3400-3000У3型勵磁機的基本情況介紹

田灣核電站1、2號機組勵磁機是反向型同步發(fā)電機，勵磁方式為無刷勵磁。

型號：БВД-3400-3000У3

1.1 主要技術參數(shù)

勵磁機在冷卻介質額定溫度下的額定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 勵磁機額定工況下的主要技術參數(shù)

1.2 轉子結構特點

勵磁機轉子部分主要由以下部件組成：轉子鐵心、轉子繞組、旋轉整流器、集電匯流環(huán)、支撐環(huán)、滑環(huán)、直流母線、聯(lián)軸器，如圖1所示。

1.2.1 轉子鐵心、繞組

轉子鐵心為0.5 mm厚的鋼片疊層，疊層間形成徑向通風風道，轉子鐵心安裝在轉子軸上，軸上留有軸向通風風道，與徑向通風風道相通。冷卻氣體從轉子端部進入轉子軸向通風風道，然后穿過轉子徑向孔道、冷卻繞組、鐵心、轉子表面。

圖1 勵磁機轉子結構示意圖

轉子電樞槽內(nèi)放有兩個同相的三相繞組，轉子繞組90槽，繞組連接成兩個星型，放置在繞組狹槽內(nèi)。每相繞組由5條平行支路組成，轉子繞組分段，用玻璃布基層支撐的槽楔塊固定在鐵心狹槽內(nèi)。放在支撐環(huán)突出部分下部的銅環(huán)實現(xiàn)轉子繞組與雙星型接線的電連接。

1.2.2 旋轉整流器

旋轉整流器的主要作用是將勵磁機轉子產(chǎn)生的250 Hz的交流電轉換為直流電。旋轉整流器共有兩組，布置在勵磁機轉子繞組端部，由60個“整流器組件”組成，如圖2所示，每個整流器組件由散熱器、二極管、熔斷器和阻容保護器構成。

1.2.3 集電環(huán)與直流母線

60根直流母線放置在轉子軸的30個軸向槽中，并用絕緣槽楔塊壓緊。經(jīng)旋轉整流器整流后的直流電，通過60根直流母線引至集電環(huán)處，其中30根正極引線和30根負極引線分別并行連接，通過位于集電環(huán)內(nèi)轉子軸上四個徑向孔內(nèi)的匯流母線與勵磁機轉子的載流母線的正負極相連接，如圖3所示。因此，直流母線是直流勵磁電流的傳遞樞紐，直流母線故障將直接導致機組失磁，影響機組安全穩(wěn)定運行。

1.勵磁機導電線棒;2.絕緣母線;3.直流絕緣母線;4.散熱器;5.熔斷器;6.阻容保護器;7.二極管;8.絕緣塊;9.V型護環(huán);10.絕緣環(huán);11.扇形鋼座圖2 自由側整流器示意圖

圖3 集電環(huán)與直流母線實物圖

1.3 缺陷描述

2015年10月5日，2號機組小修后，發(fā)電機勵磁調節(jié)器進行空載啟動，測量旋轉二極管檢測探頭波形時，發(fā)現(xiàn)其中一個二極管回路信號相對較弱。由于勵磁機在高速運轉中，無法對內(nèi)部進行仔細檢查。故提出如下處理方案：停機檢查整流器中二極管和熔斷器是否異常、檢查直流母線是否出現(xiàn)裂紋、檢查檢測探頭是否異常。經(jīng)過大修期間對勵磁機本體的檢查，發(fā)現(xiàn)編號為K3、K7、A8、A14的母線斷裂，并由俄方廠家對全部母線進行更換。

2 原因分析及處理

2.1 原因分析

在一期調試期間進行的二極管監(jiān)測裝置整定回路試驗。經(jīng)驗分析測量二極管完全斷開，其波形應該是完全消失的；目前狀況為該回路仍有電流，只是信號較弱，所以排除二極管熔斷器完全斷開的可能性。信號較弱原因可能為測量探頭異常、熔斷器異常、二極管回路異常以及直流母線出現(xiàn)裂紋等。由于勵磁機轉子在高速運轉，無法對其內(nèi)部進行全面檢查。

2.2 缺陷查找

根據(jù)2.1所述，運行期間無法對勵磁機轉子本體內(nèi)部進行檢查，只能待停機檢修時將勵磁機解體，對本體進行全面檢查。

2.2.1 勵磁機本體檢查

判斷整流器中熔斷器或二極管是否損壞，若有異常需更換備件。

(1) 拆除整流器進行外觀檢查，判斷整流器是否存在異常；

(2) 測量熔斷器電阻，判斷是否損壞；

(3) 二極管進行反向耐壓試驗，判斷其是否被擊穿損壞；

判斷直流母線是否存在裂紋。若存在裂紋，需與廠家溝通進行母線的更換工作。

(1) 對直流母線進行外觀檢查，判斷是否有裂紋；

(2) 對單根直流母線直阻進行測量，并進行橫向對比，各根直流母線間阻值相差不應超過3%，若不合格則表明該段母線可能存在裂紋；

(3) 對直流母線進行通流試驗，使用紅外成像儀觀察其溫度，若存在溫度異常升高現(xiàn)象，表明該段母線可能存在裂紋。

2.2.2 勵磁檢測系統(tǒng)檢查

(1) 檢查勵磁機旋轉二極管檢測探頭是否異常；

(2) 對旋轉二極管檢測裝置進行改進，采取抗干擾措施，增加波形顯示功能。

2.3 處理方案

在T209大修期間，根據(jù)2.2所述對勵磁機本體和勵磁系統(tǒng)檢查時，發(fā)現(xiàn)直流母線K3、K7、A8、A14不導通，K1、K6、K26直阻偏大，手動檢查時發(fā)現(xiàn)K7母線直角拐彎處斷裂，如圖4所示。根據(jù)檢查情況及俄方廠家意見，決定由俄方廠家人員在田灣現(xiàn)場將勵磁機轉子全部直流母線進行更換，工作完成后運往上海電機廠進行動平衡及超速試驗。

圖4 K7直流母線直角拐彎處斷裂

2.3.1 直流母線更換

(1) 將轉子放置于滾動支架上，以便可以旋轉轉子；

(2) 拆除兩側整流器、自由側無緯綁扎帶、支撐環(huán)固定螺栓、導電板及集電環(huán)固定螺栓和墊片并做好標記；

(3) 拆除支撐環(huán)(軸頸上纏上橡膠，以保護軸頸避免受到機械損傷)、導電板與軟載流母線的固定螺栓；

(4) 拆除兩側母線壓緊槽楔、軟載流母線伸出軸位置處絕緣；

(6) 拆除兩側直流母線、集流孔眼內(nèi)絕緣襯套；

(7) 清理槽內(nèi)絕緣，用量規(guī)檢查燕尾槽清潔度并安裝新的集流孔眼內(nèi)絕緣襯套；

(8) 安裝槽襯、槽底和層間墊條，回裝上、下層直流引線并用槽口楔臨時固定；

(9) 回裝固定零部件；

(10) 回裝自由側無緯帶并將轉子運至烘房對無緯帶進行加熱固化。

3 直流引線斷裂原因分析

剝除斷裂的直流引線絕緣，檢查母材發(fā)現(xiàn)斷裂位置位于母線爪部一端的彎頭部位，斷裂面大體垂直于母線板片的表面；斷口附近的彎頭處及爪部表面呈黑褐氧化色，而遠離彎頭的平直處母線表面則為黃褐色；彎頭處黑褐色氧化色的出現(xiàn)表明該處存在高溫加熱現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 斷裂的直流母線剝除絕緣后外觀

根據(jù)金相分析，引線彎頭處外層和芯部存在組織不均勻現(xiàn)象，外層組織較粗、晶粒度為4～5級，芯部組織較細、晶粒度6級，外層晶粒明顯大于芯部，而直線段不存在該現(xiàn)象，外層和芯部均為6級，斷口處金相分析圖如圖6所示。硬度測試表明，母線平直處、彎頭處的外層和芯部，硬度均有所差異，外層硬度高于芯部，同時彎頭處的外層硬度低于平直處的相同部位。分析表明上述現(xiàn)象由該處彎頭處彎制加工過程中的高溫加熱引起。

圖6 斷口處金相分析圖

由掃描電鏡分析可知，靠外弧側和靠內(nèi)弧側斷口上均可見摩擦擠壓痕跡，同時在斷口上可見疲勞輝紋和芯部區(qū)域“韌窩花樣”，呈現(xiàn)出疲勞斷裂的形貌特征，且疲勞裂紋分別起源于內(nèi)弧側和外弧側的表面，由表面向內(nèi)部擴展，最終斷裂區(qū)在母線的芯部區(qū)域。此外，在斷口上還可見大量的材料高溫灼傷痕跡，該高溫灼傷也應與斷裂后產(chǎn)生了大電流電弧作用有關。斷口處掃描電鏡圖如圖7所示。

圖7 斷口處掃描電鏡圖

制造廠在加工該類引線彎頭部位時，采用高溫加熱后彎制工藝，彎頭處存在加工熱應力；適配安裝整流器時需再次擠壓使直流引線變形，引線彎頭處將再次承受部分應力。

綜上，通過對直流引線材料失效分析和制造安裝工藝分析可知，直流引線斷裂的原因為引線在彎頭制作和安裝時，存在損傷,并承受了較大的的熱應力和機械應力，運行期間在轉子高速旋轉產(chǎn)生的離心力和電磁力等交變應力的作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。

4 結論

通過此次勵磁系統(tǒng)故障檢查處理，說明勵磁機轉子直流母線斷裂是造成故障報警的根本原因。此次消除俄制勵磁機轉子故障的方法，為今后類似故障的排除提供了借鑒。