基于FTA的旋转变压器故障分析

冯军，柳明明，周瑜，王世佳，魏志明，王禹林

（1.兰州空间技术物理研究所（真空技术与物理重点实验室），甘肃 兰州 746300；2.四川华都核设备有限公司，四川 都江堰 611830）

控制棒驱动机构是空间核能应用系统的关键设备，主要功能是：按照指令带动控制棒 在完成控制棒驱动机构组装后，将驱动机构与测试平台通过电缆连接并通电动作，通过主控计算机软件界面向驱动机构发送规定的动作指令，发现软件界面显示的机构运转角度显示无规律跳变。驱动机构无法正常工作，初步认为驱动机构的角度监测、采集和读取功能失效，与该功能相关的组件故障，为进行故障定位，采用FTA方法进行故分析和定位，排除故障。

1 故障现象

1．1 动态跳变

为驱动机构通电，通过软件向机构发送动作指令，机构能够按照指令动作，正常情况下，驱动机构每秒旋转5°，读取的角度值应该显示机构运转的角度，每秒叠加5°。如表1选取的一组值所示，软件中读取的旋转变压器数值显示无规律跳变，无法反应机构的实际运转角度状态；

表1 控制棒驱动机构运转时旋转变压器数值

1．2 静态跳变

驱动机构运转至一定角度停止运动，旋转变压器值仍然无规律跳变。

2 控制棒驱动机构配套设备

2．1 地面测试平台

地面测试平台能够对驱动机构（控制棒驱动机构和控制鼓驱动机构）进行同时异步控制，并能够实现对控制过程中旋转角度、运转速度、位移等试验参数的实时记录。地面测试平台主要由工控机、角度采集模块及接线箱等部分组成。

2．2 驱动电缆

驱动电缆一头通过圆形电连接器与驱动机构连接，另一头通过方形电连接器与地面测试平台连接。

2．3 软件

控制棒驱动机构软件配合地面测试平台完成对驱动机构的控制和功能实现，主要功能包括转动角速度显示、机构接收指令运转、内部组件温度显示、电压电流显示等。

3 角度跳变FTA分析

3．1 FTA 简介

FTA（Fault Tree Analysis，简称FTA，故障树分析）技术是从要分析的特定事故或故障开始（顶上事件），逐步分析其发生原因（中间事件）和无需再分的基本原因（底事件），再利用符号（逻辑门）将事件间的逻辑关系表达为倒树型结构，为确定安全对策提供可靠依据。作为故障检测与分析的重要方法，FTA能够准确有效定位故障。文中先建立旋转变压器读数跳变故障树，在故障树底事件确定后，通过试验方法逐一排除。

3．2 FTA 分析

FTA分析如下：

通过图1的连接关系可知，与旋转变压器监测角度功能相关的主要是地面测试平台、驱动电缆和驱动机构，因此造成旋转变压器读数故障主要有四种可能：

（1）旋转变压器故障，即事件M1。即旋转变压器本身故障，传感器测出的数据跳变。

（2）地面测试平台故障，即事件M2。

（3）测试软件故障，即事件M3。

（4）驱动机构故障，即事件M4。即驱动机构故障，运转不正常、跳变，从而导致传感器读取的数据跳变。

上述故障树中，详细分析情况如下：

事件M1（旋转变压器故障）包括：定子正弦绕组故障（事件X1），定子余弦绕组故障（事件X2），转子故障(事件X3)。

事件M2（地面测试平台故障）包括：角度采集模块（事件X4），驱动电缆故障（事件X5）。

事件M3（测试软件故障）主要底事件为软件故障（事件X6）。

事件M4（（即控制棒驱动机构故障）又包括：驱动机构运转故障（事件X7），旋转变压器转子松动（事件X8）。

3．3 故障排除试验

3．3．1 试验 1

按照图1的接线关系在原采集模块更换其他旋转变压器测试，旋转变压器转子静止时软件读数静止、旋转变压器转子转动时读数能够反映转动角度。用地面测试平台的另一采集模块，按照图2接线方式测试显示跳变的旋转变压器，结果显示跳变依然存在。

图1 旋转变压器与地面测试平台接线示意图

通过试验2排除了地面测试平台角度采集模块故障即X4导致旋转变压器读数跳变。

3．3．2 试验 2

按照图1的接线关系和测试方法，使用同一角度采集模块，更换驱动电缆，依次测试3台旋转变压器，测试结果显示原旋转变压器读数跳变，测试其余2台旋转变压器读数正常。

通过试验2排除了驱动电缆故障即事件X5导致旋转变压器读数跳变；

通过试验1、2能够排除软件故障即事件X6导致旋转变压器读数跳变。

3．3．3 试验 3

对控制棒驱动机构进行三坐标测量，标定时，控制棒驱动机构按照指令运转指定角度，三坐标测试仪测试控制棒驱动机构输出轴的旋转角度。结果显示三坐标测试仪与机构实际运转角度一致。通过试验3排除了驱动机构故障即事件X7导致旋转变压器读数跳变。

3．3．4 试验 4

旋转变压器转子安装在控制棒驱动机构输出轴上，通过销钉与输出轴连接并焊接，为检查转子的安装是否松动，在驱动机构动作前，在转子安装处做标记，并在驱动机构多次动作后，检查标记，未发生变化，认为转子安装可靠，未松动。

通过试验4排除了定子安装松动即事件X8导致旋转变压器读数跳变；

3．3．5 试验 5

针对读数跳变旋转变压器同一绕组阻值测试，测试结果：定子正弦绕组大于20MΩ、余弦绕组40Ω、激励44Ω，另一台正常旋转变压器定子正弦绕组40Ω、余弦40Ω、激励44Ω，此时利用地面测试平台为旋转变压器施加激励源，其中余弦输出连接，正弦输出悬空。手动旋转旋转变压器转子，测试旋转变压器余弦输出电流为为4～20mA，余弦输出信号正常。而后旋转变压器正弦连接测试平台，旋转变压器余弦输出悬空。手动旋转旋转变压器转子，测试旋转变压器正弦输出电流为4mA恒定不变，通过以上测试可知正弦绕组为断开故障状态。排除事件X2、X3导致旋转变压器读数跳变，因此将故障定位到旋转变压器定子正弦绕组断路。

4 结语

针对控制棒驱动机构角度跳变问题，进行了FTA分析，针对每个底事件开展了故障排除试验，最终将故障定位到旋转变压器定子正弦绕组断路，在驱动机构上更换了故障旋转变压器定子，再次测试，角度显示正常，故障排除。