吳志強(qiáng)，吳玟璇

(中核集團(tuán)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(jī)組小修后，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行空載啟動，測量旋轉(zhuǎn)二極管檢測探頭波形時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)二極管回路信號相對較弱。為了消除此項(xiàng)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(jié)果，由俄方用新型母線全部進(jìn)行更換，完成后運(yùn)往國內(nèi)電機(jī)廠進(jìn)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(bào)警的根本原因。

1 БВД-3400-3000У3型勵(lì)磁機(jī)的基本情況介紹

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

型號：БВД-3400-3000У3

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

勵(lì)磁機(jī)在冷卻介質(zhì)額定溫度下的額定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 勵(lì)磁機(jī)額定工況下的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子部分主要由以下部件組成：轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵心、繞組

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

圖1 勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)子電樞槽內(nèi)放有兩個(gè)同相的三相繞組，轉(zhuǎn)子繞組90槽，繞組連接成兩個(gè)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與雙星型接線的電連接。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)整流器

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

1.2.3 集電環(huán)與直流母線

60根直流母線放置在轉(zhuǎn)子軸的30個(gè)軸向槽中，并用絕緣槽楔塊壓緊。經(jīng)旋轉(zhuǎn)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(fù)極引線分別并行連接，通過位于集電環(huán)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸上四個(gè)徑向孔內(nèi)的匯流母線與勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的載流母線的正負(fù)極相連接，如圖3所示。因此，直流母線是直流勵(lì)磁電流的傳遞樞紐，直流母線故障將直接導(dǎo)致機(jī)組失磁，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.勵(lì)磁機(jī)導(dǎo)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(hù)器;7.二極管;8.絕緣塊;9.V型護(hù)環(huán);10.絕緣環(huán);11.扇形鋼座圖2 自由側(cè)整流器示意圖

圖3 集電環(huán)與直流母線實(shí)物圖

1.3 缺陷描述

2015年10月5日，2號機(jī)組小修后，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行空載啟動，測量旋轉(zhuǎn)二極管檢測探頭波形時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)二極管回路信號相對較弱。由于勵(lì)磁機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，無法對內(nèi)部進(jìn)行仔細(xì)檢查。故提出如下處理方案：停機(jī)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(lì)磁機(jī)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(jìn)行更換。

2 原因分析及處理

2.1 原因分析

在一期調(diào)試期間進(jìn)行的二極管監(jiān)測裝置整定回路試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)分析測量二極管完全斷開，其波形應(yīng)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(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，無法對其內(nèi)部進(jìn)行全面檢查。

2.2 缺陷查找

根據(jù)2.1所述，運(yùn)行期間無法對勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子本體內(nèi)部進(jìn)行檢查，只能待停機(jī)檢修時(shí)將勵(lì)磁機(jī)解體，對本體進(jìn)行全面檢查。

2.2.1 勵(lì)磁機(jī)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(jìn)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(jìn)行反向耐壓試驗(yàn)，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(jìn)行母線的更換工作。

(1) 對直流母線進(jìn)行外觀檢查，判斷是否有裂紋；

(2) 對單根直流母線直阻進(jìn)行測量，并進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，各根直流母線間阻值相差不應(yīng)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(jìn)行通流試驗(yàn)，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(lì)磁檢測系統(tǒng)檢查

(1) 檢查勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)二極管檢測探頭是否異常；

(2) 對旋轉(zhuǎn)二極管檢測裝置進(jìn)行改進(jìn)，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(lì)磁機(jī)本體和勵(lì)磁系統(tǒng)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)直流母線K3、K7、A8、A14不導(dǎo)通，K1、K6、K26直阻偏大，手動檢查時(shí)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(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子全部直流母線進(jìn)行更換，工作完成后運(yùn)往上海電機(jī)廠進(jìn)行動平衡及超速試驗(yàn)。

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(zhuǎn)子放置于滾動支架上，以便可以旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子；

(2) 拆除兩側(cè)整流器、自由側(cè)無緯綁扎帶、支撐環(huán)固定螺栓、導(dǎo)電板及集電環(huán)固定螺栓和墊片并做好標(biāo)記；

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

(4) 拆除兩側(cè)母線壓緊槽楔、軟載流母線伸出軸位置處絕緣；

(6) 拆除兩側(cè)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(shí)固定；

(9) 回裝固定零部件；

(10) 回裝自由側(cè)無緯帶并將轉(zhuǎn)子運(yùn)至烘房對無緯帶進(jìn)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(yuǎn)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(xì)、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(shí)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(cè)和靠內(nèi)弧側(cè)斷口上均可見摩擦擠壓痕跡，同時(shí)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(cè)和外弧側(cè)的表面，由表面向內(nèi)部擴(kuò)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(yīng)與斷裂后產(chǎn)生了大電流電弧作用有關(guān)。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(shí)，采用高溫加熱后彎制工藝，彎頭處存在加工熱應(yīng)力；適配安裝整流器時(shí)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(yīng)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?yàn)橐€在彎頭制作和安裝時(shí)，存在損傷,并承受了較大的的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，運(yùn)行期間在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和電磁力等交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。

4 結(jié)論

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