秦山核電90 kW異步電機燒毀原因分析及優化

曹祖庭

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 故障電機簡介

電機是核電中重要的旋轉設備，重要電機單機組裝機量約為600臺，它的可靠運行關系著核電的生產與安全。電機的故障種類很多，常見的有轉子故障、軸承故障、定子繞組故障等。文獻[1]介紹了一種由于電機軸承摩擦發熱大疊加散熱不好導致巴基斯坦恰希瑪核電二期安全殼空氣冷卻機組電機接連故障燒毀；文獻[2]介紹了一種由于發電機匝間短路導致發電機振動超標的故障。

本文介紹一種三相異步電機由于單相對中性點短路，電機保護未正確動作導致電機燒毀的事件，故障電機5SER402 MO(設備編碼)為秦山核電二廠3、4號機組公共廠房除鹽水生產系統除鹽水輸出泵的電機，該泵為核島提供除鹽水的功能。電機的參數見表1。

表1 電機參數Table 1 The motor parameters

它的上游電源來自于除鹽水配電廠房配電柜抽屜5 LKU471 JA(配電抽屜位號)，其供電一次圖如圖1所示。

電機啟動方式為直接啟動，短路保護由主熔斷器來實現，其他保護通過UNT電機保護模塊來實現，UNT保護動作后，通過一副故障觸點切斷主接觸器線圈回路，使接觸器線圈失電分閘來實現切斷故障電流，保護電機的目的。主要保護配置見表2。這種電機保護模塊廣泛應用于發電站、石油石化行業和水泥鋼鐵行業等，全國裝機量在10萬臺以上[3]。

表2 保護配置表

圖1 供電一次圖Fig.1 Theprimary power supply

2 故障現象及檢查情況

5SER402 MO在完成預防性維修(核電定期對電機進行的檢查，包括電機絕緣、線圈值阻和潤滑情況等)后，操作人員在遠控上位機上啟動電機，電機并未啟動，電機本體有白煙冒出，電機燒毀，上游電源抽屜5 LKU471 JA上運行指示燈亮，UNT保護模塊顯示屏顯示缺相告警。故障后對電機和抽屜進行了詳細的檢查。

2.1 電機本體檢查情況

故障后對電機進行了解體檢查，發現內部定子線圈的引出線燒毀嚴重，電纜絕緣層脫落，如圖2所示。具體描述如下：

A(黃線)相、B(綠線)相4根電機定子線圈引出線絕緣層燒毀脫落；B相其中一根引出線燒斷；C相兩根引出線(紅線)未發現明顯燒灼痕跡，絕緣層完好。

通過現象分析故障時A相線圈與B相線圈存在持續較大的故障電流，C相線圈電流不大，或故障電流時間較短，未對C相造成影響。

圖2 電機燒毀情況Fig.2 The condition of burning motor

2.2 電機接線箱檢查情況

故障后對電機接線箱進行檢查，檢查發現電機外部進線電纜過長，在接線箱內彎曲多次，存在很大的應力；C相進線電纜與中性排有強烈放電現象，C相進線線鼻子擊穿。電機接線箱接線情況如圖3所示，C相進線與中性排接觸示意圖如圖4所示。

圖3 電機接線箱情況Fig.3 The condition of motor junction box

圖4 C相電纜進線與中性排接觸示意圖Fig.4 The schematic of contactsbetween phase C and neutral line

2.3 5 LKU471 JA抽屜檢查情況

抽屜是除了給電機提供工作電源外，還起到保護電機，切斷故障電流的作用。對抽屜的主熔斷器、接觸器和電機保護模塊(UNT)進行詳細檢查，情況如下。

(1)主熔斷器：抽屜主熔斷器(NH2-250 A aM)未熔斷，說明電機速斷保護未起作用；

(2)主接觸器：在主接觸器失電的情況下，接觸器看上去還是處于吸合狀態，主接觸器觸點粘合，經測量A、B兩相處于接通狀態，C相處于斷開狀態。將接觸器拆解，觸點強行分開，發現接觸器6個觸點已經燒糊，觸點材質熱融化，如圖5所示。

圖5 接觸器觸點情況Fig.5 The condition of contactor contacts

(3)電機保護模塊(UNT)：對電機保護模塊進行上電，查詢故障記錄，故障記錄顯示為缺相，缺相時的故障電流分別為：Ia=899 A，Ib=896 A，Ic=0 A,如圖6所示。對電機保護模塊各個保護功能進行驗證，各個保護動作正常，未發現拒動等異常。

圖6 缺相故障時的電流Fig.6 The current at phase failure

3 原因分析

通過對電機接線箱的檢查發現，C相電纜端子絕緣層存在破損現象再疊加上接線箱中電纜均偏長，彎曲于接線箱內，存在很大的應力，C相裸露的接線鼻子與零排接觸，導致了C相對中性點短路(如圖3所示)，從而旁路了電機內部C相線圈。從電機內部C相兩根接線未發現燒灼痕跡(如圖2所示)，絕緣層完好也證明了C相線圈并未過流。因此C相接線鼻子與中性排短路為此次故障的直接原因。

通過圖2的供電一次圖與表1保護配置表可以看出，在電機啟動的5 s內,堵轉保護不起作用(啟動延時5 s)、過流保護不起作用(UNT過流保護需要躲過啟動電流影響，啟動成功后才起作用)、不平衡保護不起作用(延時5 s)、低電壓保護不起作用(延時5 s)和過熱保護不起作用(UNT過熱保護保護模型需躲過啟動電流的影響)[4]，因此啟動階段(5 s內)能起到電機保護作用的保護為熔斷器的速斷保護與UNT的缺相保護。

下面分析故障發生后為什么沒有切斷故障電流導致電機燒毀。

3.1 短路瞬間

電機從啟動到燒毀過程中電機未轉動，假設電機3個線圈阻抗相同進行分析。電機在帶載啟動瞬間A,B,C相電流約為1050 A(數據來源于秦山核電2010年—2018年此電機預防性維修后的試驗數據)，由于C相對中性點短路(如圖7所示)，旁路了電機C相線圈，CA線電壓為原來相電壓的1.732倍，由于電機線圈阻抗相同，因此啟動瞬間A相電流約為1 818.2 A；同理，B相電流也約為1 818.2 A。CA,CB線電壓相位成60°，因此A、B相電流也成60°相角，計算得C相電流約為3 150 A。

圖7 C相與中性點短路示意圖Fig.7 The schematic of short-circuitbetween phase C and neutral point

綜上估算故障瞬間A、B、C相故障電流分別約為1 800 A、1 800 A和3 150 A。這個級別的電流下，對熔斷器保護曲線和接觸器接通分斷能力進行分析，熔斷器的保護特性曲線如圖8所示，現場用的熔斷器型號為250 A aM。

故障電流在1818.2 A時熔斷器熔斷時間約為4.5 s，因此在4.5 s內A、B相熔斷器不會熔斷，故障電流在3150 A左右熔斷器的熔斷時間約為0.3 s。

圖8 熔斷器保護特性曲線Fig.8 The protection characteristic curve of fuse

對主接觸器的接通分斷能力進行分析，主接觸器的型號為AF185，額定電流為185 A,額定接通能力為10Ie=1850 A，額定分斷能力為8Ie=1480 A，額定短時耐受電流Icw為2000 A，1 s，詳細參數如表3所示。A、B相故障電流為1818.2 A時,接觸器具備接通能力，當不具備分斷能力(即此電流等級下負荷能接通電流，但是會出現即使線圈失電觸點分斷不了現象)。C相障電流為3150 A時，接觸器C相已無接通能力，此電流也已超過接觸器的耐受電壓，因此在0.3 s(3150 A情況下C相熔斷器熔斷時間)內觸點發生嚴重融化，出現斷相現象(如圖9所示)。

表3 接觸器參數

圖9 接觸器觸點示意圖Fig.9 Theschematic of contactor contacts

通過上述分析0～0.3 s過程中，UNT電機保護模塊未動作，熔斷器未動作，0.3 s內接觸器C相觸點融化斷開(無接通能力)，A、B相觸點接通，無法分開(無分斷能力)。

3.2 缺相瞬間

C相缺相瞬間電機接線示意圖如圖10所示，Ia=Ib，按照之前假設線圈阻抗相同，A、B相電壓分配與兩個線圈，因此為之前A、B相故障電流的一半909.1 A，C相電流為0 A。

圖10 缺相后電機接線示意圖Fig.10 The schematic of motor wiring after phase failure

UNT電機保護模塊缺相保護動作(缺相保護無延時，瞬動)，斷開主接觸器線圈回路，接觸器線圈失電，UNT記錄下缺相瞬間各個相電流(如圖6所示，分別為899 A、896 A、0 A)，記錄下的電流與理論故障電流幾乎一致。因此也證明上述分析過程的正確性。

在0.3 s內A、B相1818.2 A電流與缺相后主接觸器由于觸點融化A、B相觸點粘連，無分斷能力，即使接觸器線圈失電，但是A、B相觸點已無法分開，因此A、B相900 A左右的故障電流持續存在。

3.3 缺相到電機燒毀過程

由于缺相時故障電流已經降低到909.1 A，從圖8熔斷器的動作曲線看出在909.1 A時熔斷器不會動作。因此A、B相故障電流持續存在，電機內部冒煙，A、B相絕緣層燒毀，線圈發熱，直至B相連接線燒斷(如圖2所示)故障電流才消失。

4 結論

從故障過程的分析來看，電機燒毀事件的直接原因為預防性維修后電機接線存在問題，導致C相與中性排短路。根本原因為熔斷器和接觸器選型不合理。若主接觸器的型號為AF260，接觸器的額定最大電流Ie=260 A，額定接通能力為10Ie=2600 A,額定分斷能力為8Ie=2 080 A，耐受電流能達到3 500 A，因此在A、B相故障電流1 818.2 A情況下，接觸器具有分斷能力，C相故障電流3 150 A情況下，0.3 s內缺相發生后切斷接觸器，或者0.3 s熔斷器熔斷，切除接觸器電源，斷開故障電流，避免電機燒毀。通過查詢通用用電設備配電設計規范，熔斷體的額定電流應大于電動機的額定電流，且其安秒特性曲線計及偏差后應略高于電動機起動電流時間特性曲線[5]。因此90 kW電機熔斷器選擇應該為200 A aM，200 A熔斷器滿足躲過啟動電流要求，且比250 A保護時間短，能夠更快速起到保護作用。

5 優化措施

1)規范電機接線箱接線，剪短過長電纜，對裸露的接線銅牌用熱縮套管進行熱縮處理。

2)保守設計，接觸器型號選擇為AF260型號，熔斷器選擇為200 A aM型號。

6 結束語

電機單相對中性排短路故障相比于其他電機的故障形式比較少見，本案例由于設計時熔斷器選型偏大，接觸器選型偏小導致在特定范圍的故障電流下，接觸器散失分斷能力，導致電機燒毀。本文對核電站電機保護選型具有一定的借鑒意義。