基于FTA的旋轉(zhuǎn)變壓器故障分析

馮軍，柳明明，周瑜，王世佳，魏志明，王禹林

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所（真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），甘肅 蘭州 746300；2.四川華都核設(shè)備有限公司，四川 都江堰 611830）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是空間核能應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要功能是：按照指令帶動(dòng)控制棒 在完成控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組裝后，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與測(cè)試平臺(tái)通過電纜連接并通電動(dòng)作，通過主控計(jì)算機(jī)軟件界面向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)送規(guī)定的動(dòng)作指令，發(fā)現(xiàn)軟件界面顯示的機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)角度顯示無(wú)規(guī)律跳變。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法正常工作，初步認(rèn)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的角度監(jiān)測(cè)、采集和讀取功能失效，與該功能相關(guān)的組件故障，為進(jìn)行故障定位，采用FTA方法進(jìn)行故分析和定位，排除故障。

1 故障現(xiàn)象

1．1 動(dòng)態(tài)跳變

為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通電，通過軟件向機(jī)構(gòu)發(fā)送動(dòng)作指令，機(jī)構(gòu)能夠按照指令動(dòng)作，正常情況下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)每秒旋轉(zhuǎn)5°，讀取的角度值應(yīng)該顯示機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度，每秒疊加5°。如表1選取的一組值所示，軟件中讀取的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)值顯示無(wú)規(guī)律跳變，無(wú)法反應(yīng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)角度狀態(tài)；

表1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)值

1．2 靜態(tài)跳變

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)至一定角度停止運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)變壓器值仍然無(wú)規(guī)律跳變。

2 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配套設(shè)備

2．1 地面測(cè)試平臺(tái)

地面測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)︱?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制鼓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）進(jìn)行同時(shí)異步控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制過程中旋轉(zhuǎn)角度、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、位移等試驗(yàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄。地面測(cè)試平臺(tái)主要由工控機(jī)、角度采集模塊及接線箱等部分組成。

2．2 驅(qū)動(dòng)電纜

驅(qū)動(dòng)電纜一頭通過圓形電連接器與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，另一頭通過方形電連接器與地面測(cè)試平臺(tái)連接。

2．3 軟件

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軟件配合地面測(cè)試平臺(tái)完成對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制和功能實(shí)現(xiàn)，主要功能包括轉(zhuǎn)動(dòng)角速度顯示、機(jī)構(gòu)接收指令運(yùn)轉(zhuǎn)、內(nèi)部組件溫度顯示、電壓電流顯示等。

3 角度跳變FTA分析

3．1 FTA 簡(jiǎn)介

FTA（Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱FTA，故障樹分析）技術(shù)是從要分析的特定事故或故障開始（頂上事件），逐步分析其發(fā)生原因（中間事件）和無(wú)需再分的基本原因（底事件），再利用符號(hào)（邏輯門）將事件間的邏輯關(guān)系表達(dá)為倒樹型結(jié)構(gòu)，為確定安全對(duì)策提供可靠依據(jù)。作為故障檢測(cè)與分析的重要方法，F(xiàn)TA能夠準(zhǔn)確有效定位故障。文中先建立旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變故障樹，在故障樹底事件確定后，通過試驗(yàn)方法逐一排除。

3．2 FTA 分析

FTA分析如下：

通過圖1的連接關(guān)系可知，與旋轉(zhuǎn)變壓器監(jiān)測(cè)角度功能相關(guān)的主要是地面測(cè)試平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電纜和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此造成旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)故障主要有四種可能：

（1）旋轉(zhuǎn)變壓器故障，即事件M1。即旋轉(zhuǎn)變壓器本身故障，傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)跳變。

（2）地面測(cè)試平臺(tái)故障，即事件M2。

（3）測(cè)試軟件故障，即事件M3。

（4）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障，即事件M4。即驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障，運(yùn)轉(zhuǎn)不正常、跳變，從而導(dǎo)致傳感器讀取的數(shù)據(jù)跳變。

上述故障樹中，詳細(xì)分析情況如下：

事件M1（旋轉(zhuǎn)變壓器故障）包括：定子正弦繞組故障（事件X1），定子余弦繞組故障（事件X2），轉(zhuǎn)子故障(事件X3)。

事件M2（地面測(cè)試平臺(tái)故障）包括：角度采集模塊（事件X4），驅(qū)動(dòng)電纜故障（事件X5）。

事件M3（測(cè)試軟件故障）主要底事件為軟件故障（事件X6）。

事件M4（（即控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障）又包括：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)故障（事件X7），旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子松動(dòng)（事件X8）。

3．3 故障排除試驗(yàn)

3．3．1 試驗(yàn) 1

按照?qǐng)D1的接線關(guān)系在原采集模塊更換其他旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子靜止時(shí)軟件讀數(shù)靜止、旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)讀數(shù)能夠反映轉(zhuǎn)動(dòng)角度。用地面測(cè)試平臺(tái)的另一采集模塊，按照?qǐng)D2接線方式測(cè)試顯示跳變的旋轉(zhuǎn)變壓器，結(jié)果顯示跳變依然存在。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器與地面測(cè)試平臺(tái)接線示意圖

通過試驗(yàn)2排除了地面測(cè)試平臺(tái)角度采集模塊故障即X4導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變。

3．3．2 試驗(yàn) 2

按照?qǐng)D1的接線關(guān)系和測(cè)試方法，使用同一角度采集模塊，更換驅(qū)動(dòng)電纜，依次測(cè)試3臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器，測(cè)試結(jié)果顯示原旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變，測(cè)試其余2臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)正常。

通過試驗(yàn)2排除了驅(qū)動(dòng)電纜故障即事件X5導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變；

通過試驗(yàn)1、2能夠排除軟件故障即事件X6導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變。

3．3．3 試驗(yàn) 3

對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，標(biāo)定時(shí)，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照指令運(yùn)轉(zhuǎn)指定角度，三坐標(biāo)測(cè)試儀測(cè)試控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。結(jié)果顯示三坐標(biāo)測(cè)試儀與機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)角度一致。通過試驗(yàn)3排除了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障即事件X7導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變。

3．3．4 試驗(yàn) 4

旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子安裝在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸上，通過銷釘與輸出軸連接并焊接，為檢查轉(zhuǎn)子的安裝是否松動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作前，在轉(zhuǎn)子安裝處做標(biāo)記，并在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)多次動(dòng)作后，檢查標(biāo)記，未發(fā)生變化，認(rèn)為轉(zhuǎn)子安裝可靠，未松動(dòng)。

通過試驗(yàn)4排除了定子安裝松動(dòng)即事件X8導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變；

3．3．5 試驗(yàn) 5

針對(duì)讀數(shù)跳變旋轉(zhuǎn)變壓器同一繞組阻值測(cè)試，測(cè)試結(jié)果：定子正弦繞組大于20MΩ、余弦繞組40Ω、激勵(lì)44Ω，另一臺(tái)正常旋轉(zhuǎn)變壓器定子正弦繞組40Ω、余弦40Ω、激勵(lì)44Ω，此時(shí)利用地面測(cè)試平臺(tái)為旋轉(zhuǎn)變壓器施加激勵(lì)源，其中余弦輸出連接，正弦輸出懸空。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子，測(cè)試旋轉(zhuǎn)變壓器余弦輸出電流為為4～20mA，余弦輸出信號(hào)正常。而后旋轉(zhuǎn)變壓器正弦連接測(cè)試平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)變壓器余弦輸出懸空。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子，測(cè)試旋轉(zhuǎn)變壓器正弦輸出電流為4mA恒定不變，通過以上測(cè)試可知正弦繞組為斷開故障狀態(tài)。排除事件X2、X3導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)跳變，因此將故障定位到旋轉(zhuǎn)變壓器定子正弦繞組斷路。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)角度跳變問題，進(jìn)行了FTA分析，針對(duì)每個(gè)底事件開展了故障排除試驗(yàn)，最終將故障定位到旋轉(zhuǎn)變壓器定子正弦繞組斷路，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上更換了故障旋轉(zhuǎn)變壓器定子，再次測(cè)試，角度顯示正常，故障排除。