某核電廠主泵變頻器故障分析與可靠性提升1

鄭海龍，宋光耀，田士蒙

（山東核電有限公司，煙臺 265116）

主冷卻劑泵采用大容量全密封式的屏蔽電動泵是我國引進(jìn)的某三代大型壓水堆核電機組的特點之一。該堆型每臺機組設(shè)置四臺主泵，每臺主泵須配置一臺變頻器（VFD）。標(biāo)準(zhǔn)電站與我國電站的主泵供電接線圖如圖1所示。由于主泵電機按60 Hz設(shè)計，而我國交流電工頻為50 Hz，因此，目前我國機組的變頻器不僅在主泵啟動過程中運行，而且在機組正常運行期間需要與主泵電機同時運行，這樣才能使主泵維持在額定轉(zhuǎn)速。因此，我國機組需采用具備高可靠特征的高壓變頻器。

圖1 某三代核電主泵供電接線圖Fig. 1 Power diagram of RCP in a third generation NPP

本文從主泵變頻器的可靠性設(shè)計入手，分析保證主泵變頻器可靠性的關(guān)鍵措施，結(jié)合某核電廠變頻器歷史故障，提出提升主泵變頻器可靠性的措施，對于主泵變頻器的設(shè)計優(yōu)化、設(shè)備制造、運行維護(hù)都具有重要意義。

1 可靠性設(shè)計

1.1 可靠性設(shè)計要求

主泵變頻器是非IE級、抗震Ⅱ類設(shè)備，按60年壽命設(shè)計。根據(jù)電廠設(shè)備發(fā)電可靠性分級方法，主泵變頻器為R-I類設(shè)備。電廠設(shè)計方在設(shè)備規(guī)范書中要求：供貨商應(yīng)盡可能提供理論上最高可靠性的設(shè)計，在其核心技術(shù)上應(yīng)具有至少10年的產(chǎn)品制造經(jīng)驗；在18個月的運行期內(nèi)目標(biāo)可用性應(yīng)該高于0.9999；變頻器的設(shè)計須滿足在任一功率器件失效的情況下，實際的平均修復(fù)時間（MTTR）小于1 h；變頻器的平均無故障時間（MTBF）應(yīng)大于100000 h。

1.2 可靠性保證措施

我國引進(jìn)項目采用西門子生產(chǎn)的水冷完美無諧波變頻器（WCⅢ-HA型）。該機組針對不同發(fā)電可靠性等級的設(shè)備提出了發(fā)電可靠性保證措施，分為三個層次［1］：第一，變頻器設(shè)計、制造、試驗等采用核電廠設(shè)計方給出的UL、ANSI、NEMA、IEEE、EN、CSA、EPRI、NFPA和IEC等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；第二，供貨商提供變頻器的運行經(jīng)驗報告（Operating Experience，OPEX）。報告內(nèi)容包括設(shè)備關(guān)鍵特性、應(yīng)用業(yè)績以及設(shè)備圖紙，特別說明了從INPO獲得變頻器在核電廠的運行故障及解決方案等情況；第三，供貨商提交故障模式和影響 分 析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）報告。利用故障樹方法（FTA）建立變頻器故障的數(shù)學(xué)模型，將變頻器失效作為頂上事件，對元器件故障進(jìn)行邏輯分析，并對變頻器失效的各種故障進(jìn)行概率計算，得出變頻器的整體可靠性和故障概率。在電氣回路、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)采取冗余設(shè)計、容錯設(shè)計的基礎(chǔ)上，計算得出變頻器在18個月運行期內(nèi)的可靠性為95.6%，相當(dāng)于33.5年運行期內(nèi)發(fā)生一次跳閘。FMEA分析得出對變頻器失效的主要貢獻(xiàn)因素依次是冗余控制器之間的光纖轉(zhuǎn)換開關(guān)失效、FPC柜熱交換器失效、輸出母線失效和冷卻泵共因失效等。

1.3 可靠性設(shè)計措施

可靠性的定量設(shè)計分析方法的應(yīng)用需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而準(zhǔn)確的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難以獲得，因此，可靠性的定性設(shè)計分析方法非常重要。在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)中制定和實施可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，是提高設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品可靠性最為有效的方法。設(shè)計人員常用的可靠性設(shè)計方法有降額設(shè)計、簡化設(shè)計、冗余設(shè)計、熱設(shè)計、耐久性設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計等。WCⅢ-HA型變頻器采用了延邊三角形多重結(jié)構(gòu)、寬脈沖調(diào)制技術(shù)，選用高性能的IGBT電力電子器件，輸出波形良好，不會給主泵電機帶來附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、共模電壓、電壓閃變等問題［2，3］。除此之外，變頻器還采用了以下冗余設(shè)計、容差設(shè)計：變頻器控制系統(tǒng)采取冗余設(shè)計、功率單元采用旁路及中性點偏移技術(shù)、采用冗余的雙路冷卻環(huán)路等，以保證其可靠性［4］。

2 某核電廠故障統(tǒng)計與分析

2.1 故障統(tǒng)計

某核電廠1、2號機組的8臺主泵變頻器在送電調(diào)試至首次大修期間頻繁發(fā)生故障，主要包括：3次控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致主泵非預(yù)期停運，1次功率單元短路導(dǎo)致主泵非預(yù)期停運，3次隔離變壓器內(nèi)部冷卻銅管漏水導(dǎo)致停機，3次控制系統(tǒng)非預(yù)期切換，3次失去控制器或通訊冗余， 4次功率單元旁路，以及多起其他元器件故障等。部分故障直接導(dǎo)致機組瞬態(tài)、主泵跳閘、機組停堆小修、大修提前等，給機組的安全穩(wěn)定運行帶來了較大影響。

2.2 原因分析與應(yīng)對措施

2.2.1 控制系統(tǒng)故障

控制板卡是控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行器件，每個板卡在CPU的統(tǒng)一管理下相互配合，共同實現(xiàn)變頻調(diào)壓、監(jiān)測保護(hù)的功能。綜合分析板卡的結(jié)構(gòu)、安裝方式、工作原理、壽命和現(xiàn)場運行環(huán)境，引發(fā)控制系統(tǒng)缺陷的可能原因如下：變頻器房間溫濕度和清潔度控制不好；板卡插接不牢，接觸不良，如圖2所示：板卡版本老舊，穩(wěn)定性差。

圖2 變頻器Modulater板卡部分被絕緣層覆蓋Fig.2 Modulater board partially covered with insulation

2018年9月首次出現(xiàn)控制系統(tǒng)非預(yù)期切換后，維修人員分析是由板卡臟污導(dǎo)致。因此，編制了變頻器控制系統(tǒng)專項檢查維護(hù)方案：要求每次停堆窗口都要對板卡進(jìn)行重新插拔并清潔，但兩臺機組在小修后重啟時都遇到了多次變頻器不能成功預(yù)充電的情況，此后僅使用壓縮空氣清潔板卡，而不對板卡重新插拔。

2019年6月維修人員在對1號機組EV61變頻器跳閘消缺時，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的板卡背板插槽夾持不牢，不同插槽的加持力存在較大差異，分析認(rèn)為這是導(dǎo)致板卡接觸不良、工作不穩(wěn)定、保護(hù)誤動等控制系統(tǒng)故障的直接原因。機組第一次大修時將主泵變頻器的控制系統(tǒng)背板全部更換。

2.2.2 隔離變壓器銅管漏水

設(shè)備供貨商認(rèn)為隔離變壓器銅管斷裂或出現(xiàn)漏點的缺陷是變頻器在運輸或吊裝時遭受沖擊造成的。將漏水變壓器送至國內(nèi)變壓器廠家進(jìn)行解體檢查時發(fā)現(xiàn)繞組內(nèi)部的銅管存在接縫，漏水點位于焊接處的銅管套管上（如圖3所示）。對拼接銅管取樣進(jìn)行材料分析，確定是套管在拼接處的焊縫因釬料填充不足導(dǎo)致縫隙腐蝕而穿孔漏水。變頻器廠家從2014年開始使用無拼接點的整根銅管導(dǎo)線，但2014年之前生產(chǎn)的變壓器無此要求。因此，該核電廠一期工程主泵變頻器隔離變壓器的冷卻銅管可能都存在接縫的情況。臨時應(yīng)對措施為加強巡檢，由運行人員巡檢并記錄冷卻水箱液位，若發(fā)現(xiàn)異常，及時通知維修人員進(jìn)行檢查處理。

圖3 隔離變壓器繞組銅管接頭處漏水Fig.3 Water leakage at copper pipe joint of isolation transformer winding

為徹底解決隔離變壓器漏水問題，該核電廠采購了8臺隔離變壓器備件，新隔離變壓器的高低壓繞組所用銅管為整根銅管，銅管壁厚綜合考慮了設(shè)備60年運行壽命及冷卻水腐蝕、金屬材料的振動疲勞、機械強度等因素。采購方對設(shè)備制造進(jìn)行了監(jiān)造并見證了隔離變壓器繞組繞制、銅管彎管加工等重要制造活動，制定了詳細(xì)的包裝要求和運輸要求，在包裝箱及隔離變壓器單元內(nèi)裝設(shè)了三維加速度檢測儀。

2.2.3 功率單元故障

當(dāng)出現(xiàn)通訊故障或控制異常時，功率單元可旁路切除，而功率單元交流輸入側(cè)與隔離變壓器二次繞組直連，一旦變頻器出現(xiàn)內(nèi)部故障，將導(dǎo)致主保護(hù)動作——變頻器跳閘。目前，該核電廠已制定功率單元旁路后的運行決策，并積極與供貨商研究功率單元的定期檢測手段，在檢修時對功率單元進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)異常及時更換，以確保元器件性能穩(wěn)定可靠。

2.2.4 冷卻系統(tǒng)漏水

變頻器冷卻系統(tǒng)的漏水缺陷主要是由墊片失效、安裝接口卡箍松動、接口處的螺紋密封膠失效等導(dǎo)致，如圖4所示。螺紋密封膠的使用年限一般為5～10年，變頻器從出廠至今，螺紋密封膠已達(dá)使用壽命。供貨商在冷卻水系統(tǒng)管道設(shè)計上使用了較多的接頭，但冷卻系統(tǒng)與電氣設(shè)備不同，少量的泄漏不影響設(shè)備運行，可以通過加快補水頻度的方式保證設(shè)備的冷卻。維修部門針對廠家的工藝制造問題制定了變頻器保養(yǎng)方案，并完善預(yù)防性維修內(nèi)容，對墊片和冷卻水管定期抽查。

圖4 變頻器冷卻系統(tǒng)銅管漏點Fig.4 Copper tube leakage point of VFD cooling system

2.2.5 通訊類故障

通訊故障發(fā)生后，重啟就能恢復(fù)正常，因此，故障可能是由通訊系統(tǒng)內(nèi)PLC及通訊模塊短時工作中斷造成的，并非元器件的原因。但WCⅢ型變頻器并沒有在線重啟后恢復(fù)的設(shè)計，導(dǎo)致一旦出現(xiàn)異常，設(shè)備就立刻失去冗余，可靠性降低。

參考自動化控制行業(yè)的做法，控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)可以做到單系統(tǒng)消缺后可繼續(xù)恢復(fù)備用，即來回切換的冗余設(shè)計。設(shè)備廠家正在研究對原控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代，以解決控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)消缺后不能恢復(fù)備用的問題。

2.2.6 元器件故障

主泵變頻器于2011年完成制造，大多數(shù)元器件已使用十年左右，而且真正上電運行時間不長，因此，故障率較高。除與變頻調(diào)壓核心功能相關(guān)的元器件外，其余元器件均為供貨商外購，外購部件質(zhì)量較差，選型老舊。目前，維修部門考慮將塑殼開關(guān)、閥門、按鈕指示燈等元器件進(jìn)行國產(chǎn)化替代。

3 可靠性提升措施

（1）改善變頻器的運行環(huán)境。將變頻器安裝區(qū)域隔離成為獨立的房間，增設(shè)空調(diào)，按儀控設(shè)備電子間的環(huán)境要求對變頻器房間溫濕度進(jìn)行控制，保證設(shè)備的工作環(huán)境良好。

（2）優(yōu)化變頻器檢修規(guī)程。根據(jù)維修經(jīng)驗與同行良好實踐，完善主泵變頻器保養(yǎng)方案和檢修規(guī)程，加強日常巡檢、保養(yǎng)，機組大修期間對變頻器進(jìn)行全面的檢查和功能試驗，并在每次主泵啟動前進(jìn)行控制系統(tǒng)切換試驗。

（3）加強設(shè)備可靠性管理。建立故障報告、分析和糾正措施制度（FRACAS），對發(fā)生的所有硬件故障和軟件錯誤，采用“質(zhì)量問題雙五條歸零”管理方法，即技術(shù)歸零五條（定位準(zhǔn)確、機理清楚、問題復(fù)現(xiàn)、措施有效、舉一反三）和管理歸零五條（過程清楚、責(zé)任明確、措施落實、嚴(yán)肅處理、完善制度）［5］。通過設(shè)備可靠性管理，探索設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測手段，防止類似故障再次發(fā)生，并為后續(xù)新產(chǎn)品的研發(fā)提供借鑒。

（4）逐步實現(xiàn)設(shè)備的升級。在機組大修期間將隔離變壓器全部更換為冷卻銅管無中間接頭的新產(chǎn)品。推動供貨商升級變頻器控制系統(tǒng)，使用更可靠的專用工控主板，實現(xiàn)控制器在線消缺和回切等功能；合作研制功率單元測試裝置，研究功率單元在線更換技術(shù)，實現(xiàn)功率單元性能測試、在線修復(fù)、在線更換。

（5）推動變頻器的國產(chǎn)化。與國內(nèi)設(shè)計院所和制造廠家合作，對主泵變頻器進(jìn)行全面升級或國產(chǎn)化?？梢酝ㄟ^對國內(nèi)高壓級聯(lián)變頻器運行、維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，得出系統(tǒng)可靠性分配方案，確定系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)措施，如采用三主控冗余控制、優(yōu)化控制系統(tǒng)和功率單元的硬件選型與測試等，研制出具有更高可靠性的變頻器［6］。

（6）探索主泵供電新方案。與國內(nèi)設(shè)計院所合作，研究增設(shè)一組電動發(fā)電機組，將50 Hz/10 kV廠用電變換為60 Hz/6.9 kV電源的可行性，以實現(xiàn)主泵啟停期間由變頻器驅(qū)動，正常運行期間旁路至60 Hz廠用電源，擺脫主泵在機組功率運行期間對變頻器的依賴。

4 結(jié)論

本文通過分析某三代壓水堆機組主泵配置變頻器的可靠性設(shè)計和歷史故障，總結(jié)運行維修經(jīng)驗，提出可靠性改進(jìn)方向，可進(jìn)一步降低變頻器失效率，提升該堆型機組的可用率。主要結(jié)論：

（1）設(shè)計方面，設(shè)計方與供貨商采用OPEX和FMEA方法分析計算變頻器的整體可靠性和故障概率，進(jìn)而針對變頻器失效的主要貢獻(xiàn)因素制定可靠性設(shè)計措施。

（2）實際運行中，變頻器的控制系統(tǒng)、功率單元、冷卻系統(tǒng)等故障頻發(fā)，直接降低了變頻器的可用性，是變頻器可靠性的薄弱點。

（3）核電廠可通過改善運行環(huán)境、優(yōu)化檢修規(guī)程、強化可靠性管理、推動設(shè)備升級換代及國產(chǎn)化等措施逐步提升變頻器可靠性。