某核电厂主泵电机的损耗分析与探讨

李虎

（上海核工程研究设计院）

某核电厂主泵电机的损耗分析与探讨

李虎

（上海核工程研究设计院）

本文介绍了某核电厂主泵电机的结构特点，避免了传统轴封电机存在反应堆冷却剂泄漏隐患的可能性，为核电厂的安全运行提供了坚实的保障。但是目前该类型电机的设计方案损耗较大、效率较低，主要原因为电机内部屏蔽套的采用加大了定转子气隙的厚度，这极大地降低了电磁功率的传递效率。本文从电机学原理的角度出发，全面系统地分析主泵电机的损耗类型，并探讨了提高电机效率的设想。

主泵电机；核电厂；耦合；损耗；效率

0 引言

随着我国改革开发进程的逐步深入、国民经济的快速迅猛发展和人民生活水平的日益提高，并伴随着世界各国各组织都从不同层次不同场合提倡了绿色能源和节约能源的重要性，我国政府决定大力发展核电，这些都为迄今为止最具发展潜力的能源形式奠定了坚实的外部基础。然而作为核电厂内部的用电负荷，特别是电机设备也同样承担着节约能源的重任，因为各种风机、泵、阀场合都需要不同类型电机的驱动。因此如何选用一台合适的电机就是各相关专业系统的一个重要课题。

反应堆冷却剂泵（主泵）作为核电厂一回路唯一的能动部件，是核电厂的心脏。某核电厂主泵电机相对与传统轴封泵电机具有明显的优点，因为它的设计中不需要传统轴密封所需的大量外部支持系统，彻底消除了轴封部位冷却剂泄漏的潜在可能。同时，其设计寿命为60年，也极大地降低了维护成本，基本上消除了电机定期检查的要求。然而，主泵电机的设计过程中，为了配合被驱动装置的特性，其设计相对传统电机是有区别的，主要包括如下方面：①电机上下两端各有一个飞轮，其能耗较高；②由于电机安装于屏蔽结构内部，其温升较高，对电机的绝缘系统设计提出了十分高的要求；③定转子之间设置了两个屏蔽套，主要为了与一回路的冷却介质相互隔绝，这必然会增加空气隙厚度，也相应地降低电机的效率。

下面，先从电机学原理入手分析，并以某核电厂主泵电机作为分析实例，最后为提高效率提出设想。

1 电机损耗分析的理论依据

作为能量转换的传递者，电机通过电磁场将电磁能转换为机械能，为工艺系统提供驱动力，实现各种功能。

在电压源供电下，电流是一个未知量，求解电机电磁场是典型的场路耦合问题。根据电流的确定过程，场路耦合可以分为松弛耦合和紧密耦合两类。紧密耦合是把磁场方程和电流电路方程作为一个整体来统一求解，该方法已广泛应用于电机和变压器分析中。场用Maxwell方程来描述，路用Kirchhoff方程描述，运动方程用转矩平衡来描述，最后把磁矢量位A与电流i同时作为变量来求解［1、6］。

在存在涡流区域内，采用A-f法分析，磁场满足式（1）、（2），并且通过Kirchhoff方程将等效集总参数表述为式（3），即式中，v为磁阻率；A、f为磁矢量位和磁标量位；J为电流密度；s为电导率；u和i励磁电压和电流；e为感应电动势；R为线圈电阻；Ls为漏感。随着电机旋转，每一步的磁矢量位和电流就可以得到，屏蔽套中的涡流也可以得到；之后，输出转矩通过Maxwell张量法求得。

2 电机的损耗类型分析

全面准确地对电机在不同运行工况下的损耗分析具有十分重要的作用，它将指导后续设计，也为提高效率提供了基础。下面将分两种运行工况对电机的损耗进行全面描述和分析［2-4］。

2.1 空载运行工况

空载运行是指电机不拖动负载下的运行工况，输出有效转矩为零。但与变压器不同的是，即使在空载下，电机的定转子之间也是有能量传递的，这部分电磁能，除了满足转子铁心损耗（非常小，可忽略）之外，还提供摩擦损耗的能量；再加上定子绕组损耗（铜耗）和空载下的铁耗之后即是电机输入功率，其中，铁耗是指在有效铁心中的损耗及其他金属件中空载杂散损耗之和，其损耗关系见图1。

图1 空载下电机内部损耗关系图

需注意的是，空载试验最好是在负载试验结束之后才进行。根据文献［5］的推荐方法，对被试电机施加额定频率下的不同电压，一般根据原则选取7个电压点，按电压从高到低的顺序进行试验。

2.2 负载运行工况

负载运行是指电机拖动各种类型负载的运行工况，包括泵、风机和阀门等类型负荷。电机输入功率在克服上述空载损耗和其他损耗之后，电机转轴即可输出有效转矩，即输出功率P2=2πnT。

在负载运行下，转子中将出现感应电流，也将产生转子绕组损耗 Pcur，根据电机学原理， Pcur等于转差率与定转子间电磁传递功率的乘积，也可以表示为

为了精确计算考虑，在负载工况下，还需要考虑负载杂散损耗 PLLLL。它是负载电流在有效铁心及除导体之外的其他金属中引起的损耗，还同时考虑了因磁通脉动而产生的电流在电动机的定子和转子绕组引起的涡流损耗。一般来说 PLLLL与输出转矩的平方成线性关系。这些损耗关系见图2。

图2 负载下电机内部损耗与功率关系图

需注意的是，负载试验必须在额定负载热试验结束之后才能进行，这主要是为了保证定转子绕组温度已达到热平衡状态。根据文献［5］的推荐方法，对被试电机施加额定频率下的不同电压，一般根据原则选取6个负载点，按负载率从高到低的顺序进行试验，并尽快完成试验，以减少因温度变化引起的试验误差。

3 某核电厂主泵电机的空载损耗分析

根据主泵电机在第一次空载试验时的初步数据，可得出摩擦损耗是与转速有关的参数，与每种电机泵系统有关，用线性回归分析法可修匀，同时也可以表示为转差率的函数。

空载试验时输入功率减去该试验温度时定子绕组损耗和摩擦损耗之后，就剩下铁心和屏蔽套的铁耗和其他金属件的空载杂散损耗 PEFEE。根据电磁理论，该值包括涡流损耗和磁滞损耗，前者由涡流造成，可根据欧姆定律计算得到。由于主泵电机结构中引入了定子屏蔽套和转子屏蔽套，由C276哈氏合金制成，都具有一定的厚度，屏蔽套的涡流十分可观，因此涡流损耗也比较大，占据铁耗较大部分比例。

对主泵电机在60Hz下的空载损耗的试验数据进行分析后得出，横坐标为空载线电压的平方，纵坐标为空载损耗与定子绕组损耗的差值（即为空载恒定损耗 PK，是摩擦损耗Pf与铁耗 PFFEE之和）。该曲线较好地验证了铁耗与空载线电压的平方具有线性关系。

4 提高主泵电机效率的设想

经过上述从理论算法到试验测量等结果可以看出，该主泵电机的电磁场与损耗分析完全可用传统电磁场理论进行分析。

从主泵电机特殊的型式结构和试验结果可知，该主泵电机的空载损耗是非常大的，特别是其中的摩擦损耗和铁耗两者分别占据了半壁江山。经过分析，前者主要是由飞轮产生，后者是由屏蔽套产生。因此若想提高现有主泵电机的效率，必须从这两方面进行着手，改善电机结构以实现更优越的性能；或找到其他具有相同耐腐蚀且磁性能比C276哈氏合金更弱的新型材料。

5 结束语

本文首先论述在新形式下发展核电的必然性和重要性，从传统电磁场理论出发，分析了电机的在不同运行工况下的各种损耗类型，然后再以某核电厂主泵电机的空载试验数据分析作为验证本文分析方法的正确性。最后从两个重要方面为提高现有主泵电机的效率提出了设想。

作为主泵电机国产化的必经之路，必须将主泵电机的电压等级和频率等基本参数设计成与国产化核电厂一致，这样可以提高主泵变频器和主泵整体运行的可靠性，为整体安全水平和可利用率水平提高一个等级。这也是下一步工作的研究重点。

［1］ Ho S L， Li H L， Fu W N， et al. A novel approach to circuit-field-torque coupled time stepping finite element modeling of electric machines［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 2000， 36（4）： 1886-1889.

［2］ GB755—2008 旋转电机 定额和性能［S］.

［3］ GB/T 1032—2012 三相异步电动机试验方法［S］.

［4］ GB/T755.2—2003 旋转电机（牵引电机除外）确定损耗和效率的试验方法［S］.

［5］ GB/T 20137—2006 三相笼型异步电动机损耗和效率的确定方法［S］.

［6］李虎，蒋晓华，毕大强，等.永磁同步电动机中永磁体的三维涡流分析［J］.清华大学学报（自然科学版）.2009，49（8）：1085-1088.

2016-06-05）