岭澳核电站循环冷却水泵电动机故障原因分析及对策_湘电集团有限公司_湘潭电机股从限公司

引言
　　2002年12月7日，岭澳核电站2号机组在中间双相冷停堆(RRA连接状态)运行方式下启动1号循环冷却水泵时，其感应式(鼠笼)电动机启动3min后差动保护和过流保护动作，其供电开关LGD401JA开关跳闸。在电机启动过程中现场还发现电机冒烟。故障发生后，对该电动机进行电气特性检查，电机A相绝缘为60MΩ，B相和C相绕组之间以及对地的绝缘电阻为0Ω。进一步检查确认该电机定子绕组B、C相发生了两相接地短路故障。本文就此事件采用RCA分析技术对故障根本原因进行了分析，希望提出的建议将有助于设备可靠性的提高。
　　1故障原因初步分析
　　采用RCA(根本原因分析)技术对故障的分析过程按如下几个步骤进行：①对电动机故障过程和原始证据进行调查和信息收集，确认故障位置和故障的涉及范围(电动机下部槽外绕组部分线匝烧断和上部绕组与相环线连接的引线烧断，以及两路电源进线与相环线连接处、两路中性点连接线与相环线连接处均发生过热现象)。②对电机可能存在的故障模式进行罗列，就其发生的可能性进行论证。③针对故障模式的特征和表现形式作出进一步调查和试验验证，根据相关证据对最可能故障模式进行详细分析、论证和排除。④收集国外同类系统发电机的经验反馈。⑤通过分析和故障推理，找出这起设备故障事件的根本原因及影响因素。⑥针对根本原因及涉及到的相关影响因素等分析，制定相应的纠正措施。
　　事件分析过程中主要完成的试验项目：①对1号循环水泵电动机供电断路器和6.6kV母线进线断路器保护性能进行检验，结果表明保护装置设置正确。②对电动机加热器控制回路进行检验，确认电动机停运期间加热器是否投运。③对母线绝缘检测装置检验，试验结果显示绝缘装置工况正常。在2LGIM01断路器切除故障设备后，母线绝缘恢复正常，从而证实故障情况下2LGD母线绝缘低一、二级报警是由于电动机故障所引发。④对电动机供电开关同期性校验。⑤对电动机直流电阻及绝缘检测。
　　根据对事件的调查和相关保护及断路器等的试验检查，可确认电动机内部B、C相间短路是造成故障的直接原因，即设备本身存在匝间质量缺陷造成设备投运时出现匝间短路继而引发相间短路故障。
　　2故障原因的详细分析
　　2．1定子绕组匝间短路
　　对电动机解体检查，共有6处损坏部位，分别是铁心下端绕组B相和C相相邻处、铁心上端绕组B相和C相绕组与相环的连接引线处、电动机电源进线(两路并联)与相环的连接处(共2处，即两路电源引线的6个连接点上绝缘层均烧毁)、电动机中性线(两路并联)与相环的连接处(两处，两路中性点引线的6个连接点上绝缘层均烧毁)等。其中铁心下端C相的第2个绕组有10匝左右的导线已经烧断。其紧邻的同相第1个绕组上有一匝(两根)导线烧断，在接下来相邻的B相绕组上也有一匝(两根)导线烧断。铁心上端绕组B相和C相与相环连接引线均烧断其位置如图1所示。另外，与相环相连接的两处进线和中性点引线部位均由内部向外的绝缘过热炭化。铁心上端烧断的引线和下端烧损的绕组导线均属于同一极下的BC相绕组。从故障的发展过程来分析，如果上端先出现断线或两相短路故障，那么下端再发生短路故障的可能性几乎不存在，而且下端烧损的导线数量、面积以及程度要大许多。如果由下端绕组中先发生故障，则故障的发展会造成短路故障区域扩大，过大的两相短路电流造成上端绕组引线过热烧断。因此，从上下端的故障程度和发展机理分析，故障发生的起点应在铁心下端的绕组部分。
　　对于铁心下端故障区域，C相的第2个绕组烧损最为严重，而第1个绕组以及与第1个绕组相邻的B相绕组烧损程度相对较轻，而C相的第2个绕组和C相的第1个绕组所对应的是电源进线。因此，当在两相间首先发生短路故障时，短路放电所烧损的部位不会对C相的第2个绕组造成严重的损伤，而只有当在C相的第2个绕组烧损首先发生匝间短路并将绕组烧损后，电弧以及高温波及到第1绕组形成2个绕组间的匝间短路，并且立刻形成相间短路。这样才会有B相的第2个绕组严重烧损现象发生。
　　当在铁心下端相间短路故障发生时，过大的短路电流直接经过B相和C相的引线形成短路回路，并造成引线焊接点的熔断，同时形成电弧放电，引发在上端引线间的相间短路，在电动力的作用下将两个引线拉断(其过程伴随着弧光放电)。在B、C相间短路的情况下，A相与B、C相间的部分绕组因短路而变小，同样也形成大于正常工况的短路电流。其中在电源进线以及中性点出线上，BC相经过的短路电流相同，A相短路电流要小一些。这些大的短路电流在进出线的焊接点上形成过热，造成焊点以及周围绝缘的损坏，BC相绝缘的损坏要比A相严重。从上部进出线的过热现象来看，是符合这种推理的。
C相的第2个绕组发生的匝间短路的原因是定子C相绕组存在质量缺陷，这种缺陷可能是导线制造缺陷、绕组匝间绝缘制造缺陷或在绕组下线整形时造成损伤等，具体的缺陷现在已无法确认。这种制造存在的缺陷，随着在电动机运行时间的延长而逐步发展，这次启动电动机时5-7倍的启动电流构成了电机故障的直接诱因。大的启动电流造成绕组绝缘的严重损坏(绝缘和导线烧坏)，电弧以及热效应导致该绕组对地绝缘降低，引发6.6kV母线绝缘低报警。由于电动机采用的是纵差保护，在匝间短路情况下保护不会动作，在匝间短路引发相间短路后保护才会动作。这样在B相的第3个绕组发生的匝间短路时间最长，损伤程度也最严重。因此，循环冷却水泵电动机定子C相绕组下端存在制造质量缺陷，导致电机启动时匝间短路并很快引发相间短路是造成电动机故障的根本原因。
　　2．2上部绕组与相环线连接的引线焊接质量不良
　　根据2.1节的分析，电动机绕组发生匝间短路及相间短路时，故障极下的B相和C相绕组与电动机电源相环连接的引线烧断并造成上部出现相间短路。
　　由于各绕组与相环的连接靠焊接相连，焊接质量不良会在电流作用下发热，甚至会在大电流下熔化烧断。在本次故障中，定子下部先出现短路故障，绕组回路通过短路电流薄弱的地方也就是焊接处。如果焊接质量好有可能故障在保护动作切除前仅在铁心下端出口故障点处发展。但是，根据故障后的现象看，在电动机电源进线与相环连接(焊接)处均发生了过热造成绝缘烧损现象。
　　循环水泵电动机绕组采用的是8极并联的接线形式，当一个磁极下面的两相电源发生短路时，则这两相其他7个极的绕组就被短路，因此，在短路极的短路电流会远大于该极正常运行条件下的负载电流。根据电动机故障时对2LGD母线进线录得的故障电流波形图，其故障后的最大电流为故障前稳态电流的12.2倍，而对于2CRF001MO来讲，其最大故障电流达到额定电流的近40倍(18kA，80ms)。如此大的电流通过电动机绕组导体(截面为16.8平方毫米)会产生很大的电动力，连同电流过热效应使得上端部引线烧(拉)断。如果在电动机上端绕组引线的焊点先发生过热熔断故障，则短路发生后就不应波及到下端的绕组。因此，引线接头焊接有存在缺陷的可能，但不是本次事件的诱发原因。
　　另外，根据定子绕组烧损的特征，故障点均出现在铁心外的端部绕组部分(上部和下部)，属于匝间和相间短路故障(无对地放电痕迹)。在下部绕组间短路放电后对铁心这段绕组外部绝缘有熏黑特征，但无放电痕迹。结合加热器的试验和绕组烧损特征，因而可以排除定子受潮的可能。
　　3故障原因逻辑推理和分析结论
　　1号循环水泵电动机在制造过程中，由于定于绕组槽口下端C相上一个绕组存在制造质量缺陷(导线制造缺陷、匝间绝缘制造缺陷、绕组下线整形时损伤等)，在电动机运行后，过热或电场作用使得缺陷位置绝缘逐渐损伤或形成轻微匝间短路缺陷，在上次停机时由于存在的过电压导致或加重匝间短路的发展。在本次电动机启动时，大的启动电流造成匝间严重短路，短路电弧烧伤该段对地的绝缘及导线，引发6.6kV母线绝缘低报警，随着电弧及热效应波及到邻相的绕组(同相)，使得1个绕组上的匝间短路发展到2个绕组上匝间短路，短路电弧迅速引发到下一个绕组(B相)，随即发生B、C两相间短路故障。其结果造成铁心槽口上端B、C相绕组与相环连接线的焊接处烧断并形成新的相同短路点，巨大的短路电动力造成引线拉(烧)断。在相间短路出现的整个过程，由于三相中出现的短路电流使得所有进出线连接点出现过热并烧坏其外包绝缘。相间短路故障发生后，电动机差动保护动作通过电源开关将故障切除。
　　由以上推理，可得出结论：1号循环冷却水泵电动机定子C相绕组槽口下端线棒存在制造质量缺陷，导致电机启动时匝间短路并很快引发相间短路是造成电动机故障的根本原因。
　　4改进措施和建议
　　4．1设备维修
　　为了尽快实现机组满负荷的运行，将该台电动机送至国内电机厂进行修复。报废了损坏的绕组，在原定子铁心上重绕了一个新的绕组。对电机绕组线棒的尺寸、绕组绕线方式、槽楔(由磁性改为非磁性)等作了改变，将每个绕组21匝双层并绕(21×2)的导线更改为单层导线，即在保持原有导线总的截面积不变的条件下提高了绕组的绝缘厚度。修复后电动机除运行温度和启动电流稍大外(在标准范围内)运行状况良好，并已实现一个循环周期的安全稳定运行。
　　4．2设备质量
　　电动机的正确选型和制造质量的有效控制是保证设备长期安全稳定运行的基础。对岭澳核电站2号机组2CRF001MO的故障，制造厂家认为这起故障是偶发事饵，在其制造的电动机设备中这类质量缺陷的发生概率极低。但对于广东核电集团三核循环水泵电动机的选型，建议结合大亚湾核电站和岭澳核电站电动机的设计和运行经验反馈来进行比较和分析，同时应对其保护、故障录波装置的配置选择进行充分评估和决策，并建议有关技术部门参与备件的试验验收工作。
　　4．3电动机的维护和检修
　　电动机绕组焊接引线和电源连接线是电动机电气回路易发生过热的薄弱环节。此次事故在这些焊接点处均出现了绝缘过热现象。由于核电站6.6kV重要的大型电动机设备都直接影响着核电站的稳定发电。因此，建议在现有的大修程序中增加或强调对电动机引线、绕组焊接点部位等过热情况的检查，并要求在电动机安装和大修期间应作好对异物的管理和控制。
　　4．4进一步提升对重要电动机的故障检测能力
　　对核电站重要电动机的部分故障模式的早期诊断，如绕组匝间短路故障、转子断条或气隙偏心等故障的诊断，曲于目前缺乏相应的检测设备和手段尚无法有效开展。因此，建议选配必要的检测设备，以提高对重要电动机设备早期缺陷的诊断水平。同时也建议对目前核电站重要电动机设备增设故障录波检测功能。

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