核电站屏蔽电机主泵故障分析及监测系统改进建议

核电站屏蔽电机主泵故障分析及监测系统改进建议
发布时间：2021-04-29T07:52:49.056Z 来源：《福光技术》2021年1期作者：黄静陈孝田[导读] 主泵是核电站的关键设备，其稳定运行对提高核电厂的安全性、可靠性有着重要意义。

中核检修有限公司三门分公司 317109
摘要：非能动先进压水堆是我国引进的第三代先进压水堆核电站。

它采用先进的非能动技术，大大提高了核电站的安全性，降低了核电站的建设成本。

而主泵作为核电站 - 回路唯一的能动部件，是核电站的心脏。

主泵直接将堆芯产生的能量传送到蒸汽发生器，再由蒸汽发生器传递给二回路的主蒸汽系统，带动汽轮发电机发电。

非能动先进压水堆采用屏蔽电机主泵，无主泵的转动密封，减少了反应堆冷却剂的泄漏途径，提高了系统的安全性。

如果屏蔽电机的主泵发生故障，将会对整个核电站造成重要的影响，因此本文先分析了核电站屏蔽电机主泵的常见故障，然后屏蔽电机主泵的监测系统提出了一些改进建议，以供参考。

关键词：核电站；屏蔽电机主泵；故障；监测系统；建议
1屏蔽电机主泵的概述
屏蔽电机主泵的主要结构特点是泵和电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，由一个电枢绕组提供旋转磁场并驱动转子，取消了普通离心泵的旋转轴密封装置，只有静密封。

屏蔽套将电机的定子和转子隔开，电机通过转子与定子之间的循环介质对其进行冷却。

其主要结构示意图如图 1 所示。

图 1 屏蔽电机主泵主要结构示意图
屏蔽泵具有安全性高、结构紧凑、运行稳定的优点。

其主要缺点在于：由于屏蔽套的存在，泵工作效率较低；电机绕组温度运行较高，对绕组绝缘不利；屏蔽泵完全密封，从外部难以判断其轴承磨损等情况，不便于设备维护。

2核电站屏蔽电机主泵的常见故障分析
2.1转子质量不平衡
质量不平衡是旋转机械最常见的故障，大多是由转轴质量偏心造成，在轴承上产生动载荷，使设备发生振动。

其振动频率一般与旋转频率相同，因此其振动信号频谱的典型特征是基频振动占比很大，高频振动占比较小。

当主泵转速一定时，振幅或相位变化比较平稳，转轴的轴心轨迹为偏心率较小的椭圆。

2.2屏蔽套破损
为尽量减少能量损失，屏蔽泵的定子屏蔽套与转子之间的间隙很小且本身的厚度较薄，容易因轴承磨损等原因而与转子产生碰摩造成破损，同时也容易受冷却液内的异物撞击而破损。

若屏蔽套破损，则冷却介质会侵蚀定子绕组而造成短路。

由于屏蔽套处于泵的内部，目前还没有比较可靠的方法直接检测其早期裂纹的情况，对于较大的碰摩或者异物撞击情况，可通过监测振动信号进行诊断。

2.3转轴碰摩
转轴碰摩是一个复杂的过程，转轴与静止件发生摩擦时，受到的附加作用力是时变非线性的，所产生的非线性振动在频谱图上表现出频谱成分丰富的特征，不仅有工频，还有低次和高次谐波分量。

当发生局部摩擦时，轴心轨迹向单方面倾斜，时域波形出现削波现象，以正进动为主。

当发生全周摩擦时，随着接触弧度的增加，高次谐波分量有增加的趋势，轴心轨迹出现不规则扩散，时域波形的削波现象严重，将出现反进动，其频率总是略高于同阶正进动的频率。

2.4转轴裂纹
转轴若出现裂纹，则会破坏转轴截面的对称性，在圆周方向存在最大和最小两个抗弯刚度。

转子旋转 l 周，动挠度变化 2 次，故引起2倍于转速的频率振动，裂纹越大，2 倍频的振动分量也越大。

另外，
由于带裂纹的转子刚度减小，除产生 2 倍频的振动分量外，在通过一阶临界转速时，1 倍频的振动峰值也会增大。

在升速和降速过程中，当达到半临界转速时，由于 2 倍转速刚好等于临界转速，会导致振幅突然增大，出现明显的振动峰值。

2.5转子导条故障
通常，当三相异步电机正常对称运行时，其定子电流中主要含有基波相关电流。

当转子断条时，则转子磁动势发生变化，反馈到定子电流中，则会产生特定频率的电流，不同数目的导条故障会在屏蔽电机主泵定子绕组电流中产生不同的谐波分量，通过对电流的监测与谐波分析，可以对转子的导条故障进行判断。

2.6
定子绕组匝间短路
由于定子绕组温度相比常规电机高很多，绕组绝缘在高温下更容易因老化失效而发生匝间短路。

定子绕组出现故障会导致电流变化以及三相电流不平衡，同时影响电机本身的振动，严重时甚至会出现接地故障。

3对屏蔽电机主泵的监测系统的改进建议
核电站对屏蔽电机主泵状态的监测，主要是对主泵的各状态参数单独进行监测，其传感器测点分布情况如图 2 所示。

当某个状态参数阈值超标时，则发出相应的警告。

这种单参数阈值监测方法可以用于异常状态的监测，但是基本不考虑主泵的实际运行工况，其报警设定值需考虑各种正常工况下的最大值，以免误报警，导致系统检测的灵敏度受限。

图 2 屏蔽电机主泵主要测点分布示意
当前，屏蔽电机主泵的各监测系统不能保存高频采样的数据。

当发生故障时，可用于分析诊断的只有保存在电厂数据库中的低频采样的历史数据，故只能临时增加一套数据采样系统用于采集高频数据。

这样不仅直接影响了故障处理的响应速率，而且错失了故障早期和发生时的关键数据。

为此，笔者就屏蔽电机主泵的状态监测诊断提出了改进建议。

3.1保存必要的采样数据
核电厂应保存主泵必要的监测数据，以便于后续的离线分析。

比如，正常运行基准数据，包括不同工况、不同季节下的数据，可用于训练异常检测智能算法；定期采集的数据，建立历史数据库，可作为劣化趋势评估的判断依据；异常状态时自动采集一段时间的数据，可用于故障诊断分析等。

是否保存高频采样数据，可结合数据变化的规律和用途进行考虑。

3.2多参数特征异常状态在线监测
主泵中的各状态参数会受环境温度、电厂运行模式等的影响而有所变化，仅通过静态监测单通道阈值无疑存在局限性，检测灵敏性不高，不利于发现故障前期征兆。

利用智能算法对主泵进行多参数异常状态监测，有利于提高检测灵敏度，提前发现故障征兆。

3.3故障智能诊断
主泵状态数据的故障智能监测和诊断研究目前仍处于起步阶段，主要原因在于，一方面主泵内部机理复杂，状态数据维数高，另一方面主泵正常状态下的监测数据占绝大多数，异常数据只有极少部分，不能满足智能算法模型训练和验证的需要。

为了获取足够的异常数据样本，建议通过样机试验研究或者与其他同类型电厂共享数据等方式，积累有效数据样本。

4结束语
主泵是核电站的关键设备，其稳定运行对提高核电厂的安全性、可靠性有着重要意义。

因此本文对核电站屏蔽电机主泵故障分析及监测系统改进建议进行深入的探讨，以期能为我国核电站的发展提供一定的帮助。

参考文献
[1]龚安，史海涛．基于特征组合分析的主泵异常检测方法[J]．科学技术与工程，2019(12)：223-230．
[2]李学华 . 非能动先进压水堆核电厂主交流系统可靠性分析 [J]．电力系统装备，2020(19):71-72.。