基于FTA的旋轉變壓器故障分析

馮軍，柳明明，周瑜，王世佳，魏志明，王禹林

（1.蘭州空間技術物理研究所（真空技術與物理重點實驗室），甘肅 蘭州 746300；2.四川華都核設備有限公司，四川 都江堰 611830）

控制棒驅動機構是空間核能應用系統的關鍵設備，主要功能是：按照指令帶動控制棒 在完成控制棒驅動機構組裝后，將驅動機構與測試平臺通過電纜連接并通電動作，通過主控計算機軟件界面向驅動機構發送規定的動作指令，發現軟件界面顯示的機構運轉角度顯示無規律跳變。驅動機構無法正常工作，初步認為驅動機構的角度監測、采集和讀取功能失效，與該功能相關的組件故障，為進行故障定位，采用FTA方法進行故分析和定位，排除故障。

1 故障現象

1．1 動態跳變

為驅動機構通電，通過軟件向機構發送動作指令，機構能夠按照指令動作，正常情況下，驅動機構每秒旋轉5°，讀取的角度值應該顯示機構運轉的角度，每秒疊加5°。如表1選取的一組值所示，軟件中讀取的旋轉變壓器數值顯示無規律跳變，無法反應機構的實際運轉角度狀態；

表1 控制棒驅動機構運轉時旋轉變壓器數值

1．2 靜態跳變

驅動機構運轉至一定角度停止運動，旋轉變壓器值仍然無規律跳變。

2 控制棒驅動機構配套設備

2．1 地面測試平臺

地面測試平臺能夠對驅動機構（控制棒驅動機構和控制鼓驅動機構）進行同時異步控制，并能夠實現對控制過程中旋轉角度、運轉速度、位移等試驗參數的實時記錄。地面測試平臺主要由工控機、角度采集模塊及接線箱等部分組成。

2．2 驅動電纜

驅動電纜一頭通過圓形電連接器與驅動機構連接，另一頭通過方形電連接器與地面測試平臺連接。

2．3 軟件

控制棒驅動機構軟件配合地面測試平臺完成對驅動機構的控制和功能實現，主要功能包括轉動角速度顯示、機構接收指令運轉、內部組件溫度顯示、電壓電流顯示等。

3 角度跳變FTA分析

3．1 FTA 簡介

FTA（Fault Tree Analysis，簡稱FTA，故障樹分析）技術是從要分析的特定事故或故障開始（頂上事件），逐步分析其發生原因（中間事件）和無需再分的基本原因（底事件），再利用符號（邏輯門）將事件間的邏輯關系表達為倒樹型結構，為確定安全對策提供可靠依據。作為故障檢測與分析的重要方法，FTA能夠準確有效定位故障。文中先建立旋轉變壓器讀數跳變故障樹，在故障樹底事件確定后，通過試驗方法逐一排除。

3．2 FTA 分析

FTA分析如下：

通過圖1的連接關系可知，與旋轉變壓器監測角度功能相關的主要是地面測試平臺、驅動電纜和驅動機構，因此造成旋轉變壓器讀數故障主要有四種可能：

（1）旋轉變壓器故障，即事件M1。即旋轉變壓器本身故障，傳感器測出的數據跳變。

（2）地面測試平臺故障，即事件M2。

（3）測試軟件故障，即事件M3。

（4）驅動機構故障，即事件M4。即驅動機構故障，運轉不正常、跳變，從而導致傳感器讀取的數據跳變。

上述故障樹中，詳細分析情況如下：

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

事件M2（地面測試平臺故障）包括：角度采集模塊（事件X4），驅動電纜故障（事件X5）。

事件M3（測試軟件故障）主要底事件為軟件故障（事件X6）。

事件M4（（即控制棒驅動機構故障）又包括：驅動機構運轉故障（事件X7），旋轉變壓器轉子松動（事件X8）。

3．3 故障排除試驗

3．3．1 試驗 1

按照圖1的接線關系在原采集模塊更換其他旋轉變壓器測試，旋轉變壓器轉子靜止時軟件讀數靜止、旋轉變壓器轉子轉動時讀數能夠反映轉動角度。用地面測試平臺的另一采集模塊，按照圖2接線方式測試顯示跳變的旋轉變壓器，結果顯示跳變依然存在。

圖1 旋轉變壓器與地面測試平臺接線示意圖

通過試驗2排除了地面測試平臺角度采集模塊故障即X4導致旋轉變壓器讀數跳變。

3．3．2 試驗 2

按照圖1的接線關系和測試方法，使用同一角度采集模塊，更換驅動電纜，依次測試3臺旋轉變壓器，測試結果顯示原旋轉變壓器讀數跳變，測試其余2臺旋轉變壓器讀數正常。

通過試驗2排除了驅動電纜故障即事件X5導致旋轉變壓器讀數跳變；

通過試驗1、2能夠排除軟件故障即事件X6導致旋轉變壓器讀數跳變。

3．3．3 試驗 3

對控制棒驅動機構進行三坐標測量，標定時，控制棒驅動機構按照指令運轉指定角度，三坐標測試儀測試控制棒驅動機構輸出軸的旋轉角度。結果顯示三坐標測試儀與機構實際運轉角度一致。通過試驗3排除了驅動機構故障即事件X7導致旋轉變壓器讀數跳變。

3．3．4 試驗 4

旋轉變壓器轉子安裝在控制棒驅動機構輸出軸上，通過銷釘與輸出軸連接并焊接，為檢查轉子的安裝是否松動，在驅動機構動作前，在轉子安裝處做標記，并在驅動機構多次動作后，檢查標記，未發生變化，認為轉子安裝可靠，未松動。

通過試驗4排除了定子安裝松動即事件X8導致旋轉變壓器讀數跳變；

3．3．5 試驗 5

針對讀數跳變旋轉變壓器同一繞組阻值測試，測試結果：定子正弦繞組大于20MΩ、余弦繞組40Ω、激勵44Ω，另一臺正常旋轉變壓器定子正弦繞組40Ω、余弦40Ω、激勵44Ω，此時利用地面測試平臺為旋轉變壓器施加激勵源，其中余弦輸出連接，正弦輸出懸空。手動旋轉旋轉變壓器轉子，測試旋轉變壓器余弦輸出電流為為4～20mA，余弦輸出信號正常。而后旋轉變壓器正弦連接測試平臺，旋轉變壓器余弦輸出懸空。手動旋轉旋轉變壓器轉子，測試旋轉變壓器正弦輸出電流為4mA恒定不變，通過以上測試可知正弦繞組為斷開故障狀態。排除事件X2、X3導致旋轉變壓器讀數跳變，因此將故障定位到旋轉變壓器定子正弦繞組斷路。

4 結語

針對控制棒驅動機構角度跳變問題，進行了FTA分析，針對每個底事件開展了故障排除試驗，最終將故障定位到旋轉變壓器定子正弦繞組斷路，在驅動機構上更換了故障旋轉變壓器定子，再次測試，角度顯示正常，故障排除。