張瑞斌
(大亞灣核電運營管理有限責任公司,廣東深圳 518124)
接觸器是低壓電器中重要的開關電器,承擔著主從回路切換、設備控制等功能[1]。自2016 年以來,某核電廠3、4 號機組主變壓器冷卻器回路接觸器運行時出現(xiàn)多起異聲問題。接觸器異聲可能導致冷卻器組異常停運,備用列冷卻器不及時啟動,影響主變壓器的安全穩(wěn)定運行。
接觸器異聲可能由鐵芯線圈匹配失調、線圈松動、鐵芯錯位、殼體固定不牢等多種因素引起。缺陷發(fā)生初期,通過備件更換的方式消除現(xiàn)場缺陷,之后接觸器異聲事件多次發(fā)生,嚴重影響系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性,急需對導致異聲的來源進行查找并實施改進。通過對接觸器檢測及拆解分析,最終發(fā)現(xiàn)接觸器動靜鐵芯極面存在銹蝕及灰塵聚集,在運行過程中接觸器吸合不到位產(chǎn)生異聲,并對接觸器失效原因及機理進行分析后提出改進措施,切實提高變壓器風冷回路運行可靠性。
主變壓器冷卻器控制柜,用于給主變壓器提供冷卻器組的電源供給及運行控制。冷卻器動力回路主接觸器,用于收到冷卻器控制回路發(fā)出的啟動信號后,接觸器線圈勵磁吸合,接通冷卻器動力回路,投運冷卻器;收到冷卻器控制回路發(fā)出的停運信號后,接觸器線圈失磁斷開,斷開冷卻器動力回路,停運冷卻器組。
接觸器所在風冷控制柜體安裝于變壓器戶外區(qū)域水泥基座上,柜體尺寸790 cm×575 cm×1250 cm;在柜子底部面板處設計有30 cm×12 cm 的通風孔板,用于和柜體頂部的通風格柵相匹配,實現(xiàn)冷卻器的自然冷卻。
風冷回路接觸器安裝于柜體內部中偏下位置,底部安裝在70 mm 的導軌上,與兩側的其他電氣部件有10 cm 左右的間距。
接觸器電磁異聲短期內不影響主回路的運行,但當電磁異聲擴大引起主部件振動偏差過大時,可能導致主回路斷開,引起單列冷卻器停運。
主變壓器共配置4 組冷卻器組,其中2 組長期投運,1 組隨負荷情況控制啟停,1 組備用;當處于運行列冷卻器故障停運后,備用列冷卻器自動投運。從變壓器冷卻器組配置上分析,即使發(fā)生異聲擴大導致單列冷卻器停運,不會影響主變的整體冷卻;但如果頻繁發(fā)生接觸器異聲導致的冷卻器跳閘事件,對主變壓器的運行是不利的。
接觸器主要由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、外殼及附件等組成。電磁系統(tǒng)包括吸引線圈、動鐵芯和靜鐵芯;觸頭系統(tǒng)包括3 副主觸頭和2 個常開、2 個常閉輔助觸頭,和鐵芯連在一起互相聯(lián)動;滅弧裝置用于快速切斷分合時產(chǎn)生的電弧,避免主觸頭燒壞;外殼及附件包含絕緣外殼、彈簧、傳動機構等。其中塑殼和動鐵芯連在一起,動鐵芯的運動帶動塑殼的運動,使動靜觸頭完成分合動作[2]。接觸器結構如圖1 所示,L1為靜鐵芯外沿至磁體左邊距;L2為磁體寬度;L3為靜鐵芯極柱寬度;L4為磁體邊沿與靜鐵芯極柱右邊距;L5為動鐵芯寬度;h1為靜鐵芯極柱高度;h2為線圈高度;h3為永磁體高度;h4為靜鐵芯底座高度;h5為動鐵芯厚度。
圖1 接觸器結構示意圖
2.2.1 電氣試驗檢測
(1)制定電氣試驗方案,對更換下的發(fā)生異聲缺陷接觸器進行電氣通流試驗,勵磁線圈接通電源后,接觸器吸合[3],加額定電流持續(xù)通流24 h,異聲未復現(xiàn)。
(2)接觸器首次通流試驗后10 min 未完全冷卻工況下,模擬接觸器手動投運功能,實現(xiàn)接觸器吸合過程[4],再次進行電氣通流試驗,接觸器加額定電流持續(xù)通流24 h,異聲未復現(xiàn)。
2.2.2 物理特性檢查
(1)對接觸器外觀檢查,未見明顯撞擊或形變痕跡。
(2)對接觸器進行解體檢查,鐵芯吸合面光滑、硅鋼片沒有松動跡象,未找到明顯異常點。
將2 個異聲接觸器從現(xiàn)場更換后,原樣封裝送廠家實驗室進行檢測分析,整體檢測分析情況如下。
2.3.1 外觀檢查
對進行檢測的接觸器分別編號為1 號、2 號,外觀檢查發(fā)現(xiàn)1 號接觸器進線一側端子后較多灰塵,2 號接觸器進線端子一側有較多灰塵。
2.3.2 電氣性能測試
測量接觸器的線圈電阻,測量結果顯示,1、2 號接觸器的線圈阻值分別為296.36 Ω、303.39 Ω,接觸器阻值正常范圍為282.9~315.3 Ω,說明接觸器線圈正常。
2.3.3 運行噪聲測試
分別給1、2 號接觸器的線圈通入380 V 50 Hz 的電壓,接觸器正常吸合、釋放。在多次吸合中接觸器偶爾出現(xiàn)噪聲,經(jīng)核查,1 號接觸器噪聲不明顯,2 號接觸器噪聲較環(huán)境本地噪聲高18.5 dB,接觸器運行噪聲測量情況如圖2 所示。
圖2 接觸器噪聲檢測
2.3.4 拆解檢查
1、2 號接觸器經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn),如圖3 所示,在動鐵芯和靜鐵芯對應的極面位置出現(xiàn)深色區(qū)域,在顯微鏡下觀察,其中有鐵銹和灰塵,2 號接觸器的靜鐵芯底部相對1 號接觸器存在更多的灰塵顆粒。2 個接觸器的線圈和接觸端子均正常,觸頭有輕微的電氣磨損。
圖3 接觸器解體圖
經(jīng)過對異聲接觸器的綜合檢測分析發(fā)現(xiàn),接觸器動、靜鐵芯極面存在灰塵和銹蝕,導致接觸器鐵芯吸合不緊,在運行過程中產(chǎn)生電磁異聲。
接觸器出廠時使用泡沫塑料進行包裹,手冊中定義其運行及存放溫度為-40~70 ℃,電廠內為恒溫恒、濕庫內存放,整體環(huán)境優(yōu)良。
控制柜為戶外安裝設備,除接觸器外,柜體內安裝有許多其他的電氣部件,為緩解電氣部件發(fā)熱導致柜體溫度升高,柜體設計自然冷卻通道,在柜體頂部帽檐下方配置出風格孔,在柜體底部配置有進風裝置,進風裝置長30 cm,寬12 cm,中間穿插40 mm×4 mm 的格柵孔板,在通風孔板底部加裝1 mm×1 mm 的濾網(wǎng),防止較大的異物進入柜體,進風裝置用于和柜體頂部的通風格柵相匹配,實現(xiàn)冷卻器的自然冷卻。同時為避免高濕度的空氣進入柜體內對電氣元件產(chǎn)生影響,在柜體內部配置防潮加熱器,加熱器位于控制柜體底部,設定溫度10 ℃、濕度80%啟動加熱器組??刂乒耋w內的布局如圖4 所示。
圖4 控制柜體內的布局
從部件布局情況分析,溫、濕度測量探頭及控制器位于控制柜體中偏上位置,接觸器處于進風裝置和溫、濕度探頭之間;在進風裝置和溫濕度探頭之間,還分布了許多其他的電氣發(fā)熱元件;在溫濕度探頭監(jiān)測到的數(shù)據(jù)達到啟動加熱器定值前,接觸器已在較高的濕度環(huán)境中運行一段時間。
在外界濕度接近濕度控制器定值情況下,防潮加熱系統(tǒng)無法投運,而接觸器實際持續(xù)運行在高濕度環(huán)境內,濕空氣的頻繁作用下,接觸器鐵芯極面發(fā)生銹蝕的可能性急劇增加。
接觸器柜體內安裝有許多的電氣部件,也包含其他規(guī)格的接觸器產(chǎn)品,同樣的柜體運行環(huán)境條件下,其他型號的電氣部件沒有發(fā)生明顯的異聲或功能失效情況,對此需對該型號接觸器產(chǎn)品自身的結構進行分析。
對該接觸器的結構進一步對比檢查發(fā)現(xiàn),相比于其他接觸器產(chǎn)品,該型號接觸器底部為非包裹半敞開式結構,安裝于接觸器底部的金屬底板上集成設計固定卡扣,透過金屬底板上有多個10 mm×6 mm 的孔洞,透過該孔洞可觀察到靜鐵芯側面,即接觸器底部靜鐵芯極面較大部分是直接裸露在空氣側,而與靜鐵芯相聯(lián)動的勵磁線圈、動鐵芯等也間接的暴露于空氣中。
上述分析到的控制柜體自帶的自然通風裝置,存在環(huán)境中潮氣直接作用于接觸器鐵芯極面,同時進風孔板自帶的濾網(wǎng)無法完全過濾空氣中的微小雜質,雜質透過控制柜防護網(wǎng)后隨空氣上升游走,透過接觸器底部的孔洞,進入動、靜鐵芯區(qū)域。在兩者疊加作用下,加劇接觸器鐵芯極面銹蝕及灰塵集聚,后續(xù)對接觸器普查也發(fā)現(xiàn)多個同位置型號的接觸器動、靜鐵芯存在大量的銹蝕情況,尤其以靜鐵芯側壁銹蝕情況最為嚴重。
接觸器產(chǎn)品在設計初期,考慮運行溫度對接觸器運行的影響,定義其運行范圍為-40~70 ℃,在防護等級上為IP20,即防護12.5 mm 直徑和更大的固體外來體的侵擾,防水等級為0,不具備防水功能,一般適用于控制柜內運行。
接觸器正常工作條件是-5~40 ℃[5],變壓器風冷回路控制柜在選型設計上,為有效降低柜體內運行溫度,柜體自身設計自然冷卻系統(tǒng),柜體內空氣與外界存在直接交換,為避免高濕度的空氣進入柜體內對電氣元件產(chǎn)生影響,在柜體內部配置防潮加熱器。而在實際的元器件布置上,溫濕度監(jiān)視器位于柜體中部偏上位置,在監(jiān)視器下方存在一定量的發(fā)熱電氣元件,這些電氣元件的發(fā)熱量會大大削弱從柜體底部進風裝置處進入潮氣的數(shù)據(jù),無法達到定值啟動加熱器。而位于柜體偏下的接觸器,在加熱器無法投運的情況下,長期與從進風裝置進入的潮氣接觸。風冷回路中的接觸器底部為非包裹半敞開式結構,安裝于接觸器底部的金屬底板上集成設計固定卡扣,透過金屬底板上的空洞,可觀察到靜鐵芯側面,即接觸器底部靜鐵芯極面較大部分是直接裸露在空氣側,而與靜鐵芯相聯(lián)動的勵磁線圈、動鐵芯等也間接的暴露于空氣中。
配電設備劣化過程是電場、磁場、溫度場和力學等多場共同作用的結果[6],在上述2 種因素的疊加作用下,從柜體進風裝置進入的潮氣,在多頻次的與接觸器鐵芯面接觸情況下,處于備用位未運行的接觸器靜鐵芯側面先發(fā)生銹蝕,進而這種銹蝕逐步蔓延至靜鐵芯正面、動鐵芯側面、動鐵芯正面,同時從進風裝置進入的空氣雜質等,也隨之附著在接觸器極面上,最終導致接觸器在切換投運后的運行過程中產(chǎn)生異聲。
主變壓器風冷回路主接觸器異聲的根本原因為使用的接觸器底部為非包裹半敞開式結構,接觸器的鐵芯及線圈等直接或間接的通過底座金屬底板上的孔洞暴露在空氣中,促成因素為風冷控制柜自帶的自然冷卻裝置底部進風裝置格柵給潮氣及灰塵雜質等進入提供條件,最終在潮氣長久作用下,處于備用列冷卻器的接觸器鐵芯極面發(fā)生銹蝕,疊加進入柜體空氣中的雜質在鐵芯極面集聚,最終導致接觸器在切換投運后的運行過程中因動靜鐵芯極面吸合不均產(chǎn)生異聲。
(1)改善控制柜體環(huán)境。封堵主變壓器控制柜底部格柵,消除環(huán)境因素導致的接觸器內部灰塵集聚及潮氣引起的銹蝕對接觸器運行的影響。
(2)替代接觸器。選用結構更緊湊的接觸器產(chǎn)品,替代完成后進行主變壓器風冷回路接觸器整體更換工作,消除原有接觸器結構設計及組裝等因素引起的異聲缺陷。
重要系統(tǒng)戶外柜體的選型使用上,在考慮柜體自身配置防潮電氣元件的基礎上,要額外考慮柜體整體的密封完整性,進而從根本上杜絕潮氣的侵入。同時在重要電氣部件的選擇上,結構緊湊度也是需要考慮的因素之一。
通過以上對接觸器本體解體及運行環(huán)境檢查發(fā)現(xiàn),此次接觸器異聲是外界的雜質與潮氣透過控制柜體格柵與接觸器鐵芯極面接觸,長久作用后灰塵和鐵銹蔓延至動靜鐵芯吸合極面,導致鐵芯吸合不一,產(chǎn)生異聲。此次接觸器異聲的產(chǎn)生除與接觸器自身結構相關聯(lián)外,還受到接觸器安裝位置、控制柜散熱防潮結構的綜合影響,是多個因素共同失效后的結果。
通用型的控制柜設計制造已有固有的規(guī)范要求,適用于戶外的控制柜體,其防護等級一般為IP54 及以上,在防水上為防護噴水,而在防護潮氣影響上面沒有進一步的嚴格要求。通過調研常用接觸器廠家生產(chǎn)的接觸器,對應防護等級均為IP20,而在接觸器個體結構設計上,同參數(shù)同等級的接觸器存在很大的個體差異。此次產(chǎn)生異聲的接觸器在結構設計上偏廣泛,接觸器底部為非包裹半敞開式結構;而某公司同電氣參數(shù)的AX40 接觸器產(chǎn)品,底部及殼體為一體式結構,從外部僅能直觀的觀察到接觸端子,對比之下,其結構緊湊性更優(yōu)。
綜上所述,在接觸器的選型上,不僅要關注電氣參數(shù),還應結合使用系統(tǒng)及實際運行環(huán)境等綜合分析,這些都給設計者提出了更高的要求。