秦山核电90 kW异步电机烧毁原因分析及优化

2020-12-18曹祖庭

中国核电 2020年5期

曹祖庭

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300)

1 故障电机简介

电机是核电中重要的旋转设备，重要电机单机组装机量约为600台，它的可靠运行关系着核电的生产与安全。电机的故障种类很多，常见的有转子故障、轴承故障、定子绕组故障等。文献[1]介绍了一种由于电机轴承摩擦发热大叠加散热不好导致巴基斯坦恰希玛核电二期安全壳空气冷却机组电机接连故障烧毁；文献[2]介绍了一种由于发电机匝间短路导致发电机振动超标的故障。

本文介绍一种三相异步电机由于单相对中性点短路，电机保护未正确动作导致电机烧毁的事件，故障电机5SER402 MO(设备编码)为秦山核电二厂3、4号机组公共厂房除盐水生产系统除盐水输出泵的电机，该泵为核岛提供除盐水的功能。电机的参数见表1。

表1 电机参数Table 1 The motor parameters

它的上游电源来自于除盐水配电厂房配电柜抽屉5 LKU471 JA(配电抽屉位号)，其供电一次图如图1所示。

电机启动方式为直接启动，短路保护由主熔断器来实现，其他保护通过UNT电机保护模块来实现，UNT保护动作后，通过一副故障触点切断主接触器线圈回路，使接触器线圈失电分闸来实现切断故障电流，保护电机的目的。主要保护配置见表2。这种电机保护模块广泛应用于发电站、石油石化行业和水泥钢铁行业等，全国装机量在10万台以上[3]。

表2 保护配置表

图1 供电一次图Fig.1 Theprimary power supply

2 故障现象及检查情况

5SER402 MO在完成预防性维修(核电定期对电机进行的检查，包括电机绝缘、线圈值阻和润滑情况等)后，操作人员在远控上位机上启动电机，电机并未启动，电机本体有白烟冒出，电机烧毁，上游电源抽屉5 LKU471 JA上运行指示灯亮，UNT保护模块显示屏显示缺相告警。故障后对电机和抽屉进行了详细的检查。

2.1 电机本体检查情况

故障后对电机进行了解体检查，发现内部定子线圈的引出线烧毁严重，电缆绝缘层脱落，如图2所示。具体描述如下：

A(黄线)相、B(绿线)相4根电机定子线圈引出线绝缘层烧毁脱落；B相其中一根引出线烧断；C相两根引出线(红线)未发现明显烧灼痕迹，绝缘层完好。

通过现象分析故障时A相线圈与B相线圈存在持续较大的故障电流，C相线圈电流不大，或故障电流时间较短，未对C相造成影响。

图2 电机烧毁情况Fig.2 The condition of burning motor

2.2 电机接线箱检查情况

故障后对电机接线箱进行检查，检查发现电机外部进线电缆过长，在接线箱内弯曲多次，存在很大的应力；C相进线电缆与中性排有强烈放电现象，C相进线线鼻子击穿。电机接线箱接线情况如图3所示，C相进线与中性排接触示意图如图4所示。

图3 电机接线箱情况Fig.3 The condition of motor junction box

图4 C相电缆进线与中性排接触示意图Fig.4 The schematic of contactsbetween phase C and neutral line

2.3 5 LKU471 JA抽屉检查情况

抽屉是除了给电机提供工作电源外，还起到保护电机，切断故障电流的作用。对抽屉的主熔断器、接触器和电机保护模块(UNT)进行详细检查，情况如下。

(1)主熔断器：抽屉主熔断器(NH2-250 A aM)未熔断，说明电机速断保护未起作用；

(2)主接触器：在主接触器失电的情况下，接触器看上去还是处于吸合状态，主接触器触点粘合，经测量A、B两相处于接通状态，C相处于断开状态。将接触器拆解，触点强行分开，发现接触器6个触点已经烧糊，触点材质热融化，如图5所示。

图5 接触器触点情况Fig.5 The condition of contactor contacts

(3)电机保护模块(UNT)：对电机保护模块进行上电，查询故障记录，故障记录显示为缺相，缺相时的故障电流分别为：Ia=899 A，Ib=896 A，Ic=0 A,如图6所示。对电机保护模块各个保护功能进行验证，各个保护动作正常，未发现拒动等异常。

图6 缺相故障时的电流Fig.6 The current at phase failure

3 原因分析

通过对电机接线箱的检查发现，C相电缆端子绝缘层存在破损现象再叠加上接线箱中电缆均偏长，弯曲于接线箱内，存在很大的应力，C相裸露的接线鼻子与零排接触，导致了C相对中性点短路(如图3所示)，从而旁路了电机内部C相线圈。从电机内部C相两根接线未发现烧灼痕迹(如图2所示)，绝缘层完好也证明了C相线圈并未过流。因此C相接线鼻子与中性排短路为此次故障的直接原因。

通过图2的供电一次图与表1保护配置表可以看出，在电机启动的5 s内,堵转保护不起作用(启动延时5 s)、过流保护不起作用(UNT过流保护需要躲过启动电流影响，启动成功后才起作用)、不平衡保护不起作用(延时5 s)、低电压保护不起作用(延时5 s)和过热保护不起作用(UNT过热保护保护模型需躲过启动电流的影响)[4]，因此启动阶段(5 s内)能起到电机保护作用的保护为熔断器的速断保护与UNT的缺相保护。

下面分析故障发生后为什么没有切断故障电流导致电机烧毁。

3.1 短路瞬间

电机从启动到烧毁过程中电机未转动，假设电机3个线圈阻抗相同进行分析。电机在带载启动瞬间A,B,C相电流约为1050 A(数据来源于秦山核电2010年—2018年此电机预防性维修后的试验数据)，由于C相对中性点短路(如图7所示)，旁路了电机C相线圈，CA线电压为原来相电压的1.732倍，由于电机线圈阻抗相同，因此启动瞬间A相电流约为1 818.2 A；同理，B相电流也约为1 818.2 A。CA,CB线电压相位成60°，因此A、B相电流也成60°相角，计算得C相电流约为3 150 A。

图7 C相与中性点短路示意图Fig.7 The schematic of short-circuitbetween phase C and neutral point

综上估算故障瞬间A、B、C相故障电流分别约为1 800 A、1 800 A和3 150 A。这个级别的电流下，对熔断器保护曲线和接触器接通分断能力进行分析，熔断器的保护特性曲线如图8所示，现场用的熔断器型号为250 A aM。

故障电流在1818.2 A时熔断器熔断时间约为4.5 s，因此在4.5 s内A、B相熔断器不会熔断，故障电流在3150 A左右熔断器的熔断时间约为0.3 s。

图8 熔断器保护特性曲线Fig.8 The protection characteristic curve of fuse

对主接触器的接通分断能力进行分析，主接触器的型号为AF185，额定电流为185 A,额定接通能力为10Ie=1850 A，额定分断能力为8Ie=1480 A，额定短时耐受电流Icw为2000 A，1 s，详细参数如表3所示。A、B相故障电流为1818.2 A时,接触器具备接通能力，当不具备分断能力(即此电流等级下负荷能接通电流，但是会出现即使线圈失电触点分断不了现象)。C相障电流为3150 A时，接触器C相已无接通能力，此电流也已超过接触器的耐受电压，因此在0.3 s(3150 A情况下C相熔断器熔断时间)内触点发生严重融化，出现断相现象(如图9所示)。

表3 接触器参数

图9 接触器触点示意图Fig.9 Theschematic of contactor contacts

通过上述分析0～0.3 s过程中，UNT电机保护模块未动作，熔断器未动作，0.3 s内接触器C相触点融化断开(无接通能力)，A、B相触点接通，无法分开(无分断能力)。

3.2 缺相瞬间

C相缺相瞬间电机接线示意图如图10所示，Ia=Ib，按照之前假设线圈阻抗相同，A、B相电压分配与两个线圈，因此为之前A、B相故障电流的一半909.1 A，C相电流为0 A。

图10 缺相后电机接线示意图Fig.10 The schematic of motor wiring after phase failure

UNT电机保护模块缺相保护动作(缺相保护无延时，瞬动)，断开主接触器线圈回路，接触器线圈失电，UNT记录下缺相瞬间各个相电流(如图6所示，分别为899 A、896 A、0 A)，记录下的电流与理论故障电流几乎一致。因此也证明上述分析过程的正确性。

在0.3 s内A、B相1818.2 A电流与缺相后主接触器由于触点融化A、B相触点粘连，无分断能力，即使接触器线圈失电，但是A、B相触点已无法分开，因此A、B相900 A左右的故障电流持续存在。

3.3 缺相到电机烧毁过程

由于缺相时故障电流已经降低到909.1 A，从图8熔断器的动作曲线看出在909.1 A时熔断器不会动作。因此A、B相故障电流持续存在，电机内部冒烟，A、B相绝缘层烧毁，线圈发热，直至B相连接线烧断(如图2所示)故障电流才消失。

4 结论

从故障过程的分析来看，电机烧毁事件的直接原因为预防性维修后电机接线存在问题，导致C相与中性排短路。根本原因为熔断器和接触器选型不合理。若主接触器的型号为AF260，接触器的额定最大电流Ie=260 A，额定接通能力为10Ie=2600 A,额定分断能力为8Ie=2 080 A，耐受电流能达到3 500 A，因此在A、B相故障电流1 818.2 A情况下，接触器具有分断能力，C相故障电流3 150 A情况下，0.3 s内缺相发生后切断接触器，或者0.3 s熔断器熔断，切除接触器电源，断开故障电流，避免电机烧毁。通过查询通用用电设备配电设计规范，熔断体的额定电流应大于电动机的额定电流，且其安秒特性曲线计及偏差后应略高于电动机起动电流时间特性曲线[5]。因此90 kW电机熔断器选择应该为200 A aM，200 A熔断器满足躲过启动电流要求，且比250 A保护时间短，能够更快速起到保护作用。