压水堆核电站1E级K1类高压三相异步电动机研制

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

核电站余热排出泵用1E级K1类高压三相异步电动机是二代加压水堆核电站的关键设备之一，是核电站唯一的K1类电机，目前只有少数几个发达国家掌握了该电动机的制造技术。为推进该设备的国产化，打破国外垄断，填补国内空白，响应能源发展战略计划，几家国内大公司强强联合，对余热排出泵机组进行攻关，其中我公司负责电动机部分的研制及制造。

1 余热排出系统简介

核反应堆余热排出系统(RRA)又称为反应堆停堆冷却系统，反应堆停堆后，最初由蒸发器将剩余部分热量导出，当二回路不能再运行时，即由余热排出系统导出这部分热量，保证反应堆冷却，余热排出泵是余热排出系统冷却剂循环驱动装置，该泵不仅完成正常冷停堆功能，还完成失水事故(LOCA)工况核反应堆冷却停堆功能，以确保核安全。

压水堆核电站余热排出泵用1E级K1类电动机在失水事故时应能够正常运行，驱动余热排出泵，保证反应堆系统安全。因此，不仅要满足核电站一回路工况(抗地震，耐辐照、耐高温、耐高湿、耐强酸强碱及海洋气候腐蚀、温度冲击等)的使用要求，而且要满足一回路管路等承压边界破裂引起的失水事故时驱动余热排出泵将反应堆内热量导出的功能。

2 电机的基本参数

型号：HY630-4；额定电压：6.6kV；额定频率：50Hz；额定功率：355kW；额定转速：1480r/min；绝缘等级：F级；安装方式：IMB3；防护等级：IP555。

当打开电动机前部的压力平衡孔时，电动机的防护等级从IP555变成IP22；冷却方式为IC511。

3 关键技术

根据RCC-E(法国标准《压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》)要求，1E级K1类电气设备需进行试验：基本性能试验→整机热老化试验→湿热老化试验→辐照老化试验→长期运行试验→振动老化试验→抗地震试验→LOCA(Loss of Cool and Accident失水事故)试验→基本性能试验验证，以上试验中的任何一项试验失败，必须重新生产模拟件，并从第一项试验开始按顺序逐项进行，直至全部试验通过。

通过对上述试验环境逐一分析，确定如下关键技术：(1)抗地震结构研究；(2)耐辐照非金属材料研究；(3)耐高温、高压及饱和蒸汽绝缘结构研究；(4)瞬间压力升高结构研究；(5)40年寿命绝缘结构研究；(6)LOCA环境电源接插件研究。

4 技术攻关

通过对上述关键技术的研究，我公司着重从电动机机械结构、电磁结构及绝缘结构三方面进行攻关。

4.1 总体结构设计

K1类电动机为感应式三相异步电动机，定子结构类似于高压隔爆电动机，机座采用周围布管结构，定子绕组采用成型线圈双层叠绕，绝缘结构为聚酰亚胺体系，耐热温度指数为F级；转子采用笼型铜条转子，冲片采用0.5mm厚冷轧硅钢片，轴承结构为滚动轴承，采用耐辐照润滑脂，轴承室轴封处设有双层曲路密封结构(类似隔爆电机曲路密封结构)；接线盒结构设计充分继承了隔爆接线盒结构设计技术，并设计了使用可靠的电气接插件结构；冷却方式与高压隔爆电机相同为IC511，电机结构见图1。

图1电动机总体结构图

4.2 抗震结构设计

振动老化试验、抗地震试验、长期运行试验是对K1类电动机样机整体结构的考验。

从K3类电机的生产经验看，有抗震要求的电机，需要做抗震分析，抗震分析能通过，经受抗震试验是没有问题的。2008年K1类电动机随某公司的余热排出泵一起做了整个机组的抗震分析，结果机组满足要求，某公司的余热排出泵已经通过了行业鉴定。为了进一步验证机组的安全可靠性，我们将联合泵厂对整个机组进一步做抗震试验，网格分析计算见图2。

图2抗震分析计算

4.3 轴承及端盖结构设计

振动老化试验、抗地震试验和LOCA试验是对K1类电机轴承结构的考验。

通过与中广核的技术交流，得知法国在1E级K1类电机研制过程中，由于在失水事故下电机外部瞬间产生5.6bar压力，此压力致使电机内外压力不平衡，压力的释放将电机轴承润滑脂吹跑，从而引发电机机械故障。因此我们在轴承结构设计和整机压力释放上采取如下特殊措施：在轴承结构设计上采用佳电成熟的曲路轴承结构，保证LOCA事故发生导致电机内外腔压力失衡情况下润滑脂不流失，轴承结构见图3。

图3双曲路结构

我们结合RRA余排泵电机的国外制造经验，在电机的端盖处设置泄压装置。当电机机壳外压力升高时，高压气体通过泄压装置进入电机内腔达到内外气压的平衡，见图4。

图4泄压装置

4.4 电磁结构设计

长期运行试验、加速热老化试验和LOCA试验是对K1类电机电磁结构的考验。

2009年由机械联合会组织，在北京召开了我公司的K1类电机鉴定试验大纲审查会，讨论确定长期运行试验电机累计运行500h，期间起停次数累计1000次，其中热起动3次。电机的频繁启动对定子绕组、转子铜线具有较大破坏性，可导致定子、转子温度急剧升高，因此我们在电磁设计时充分考虑了连续起动温升对电机的影响，采取了特殊设计，使电机满足试验要求。

加速热老化试验是对绝缘结构的考验，在电磁设计上我们通过调整热负荷来降低电机实际运行的温度，保证绝缘材料能顺利的通过加速热老化试验，满足使用要求。

LCOA试验时由于压力增加及水蒸气的增加会使电机冷却介质比重成倍增加，导致电机风扇转速急速下降，影响电机的散热。我们在电磁设计时充分考虑了LOCA环境对电机的影响，增加电机热容量来改善电机的发热系数，使电机满足此工况使用要求。

4.5 绝缘结构设计

加速热老化试验、交变湿热试验、辐照老化试验和LOCA试验是对绝缘结构的考验。

K1类电动机在LOCA事故时需承受156℃高温、5.6bar压力、强酸、强碱、强辐射、100%湿度的恶劣环境工况，以减低试验风险、减少试验陈本为原则，确定了研究试验方法：原材料选择→辐照试验→单支线圈浸水试验→加上热老化试验→样机试制→定子浸水→模拟LOCA环境试验→最终确定绝缘结构。

K1类电动机需要经历严酷的LOCA试验和高剂量的辐照试验。为满足这两项要求，我们进行了绝缘材料筛选试验和绝缘结构验证试验，见图5，进行线圈浸水试验、绕组通蒸汽试验、绝缘材料及绝缘结构耐辐照试验等相关试验项目，并将通过这些试验的绝缘结构进行热老化试验。

图5绝缘结构试验

辐照老化试验一般民品电机是不做要求的，核潜艇余排泵电机辐照试验辐照剂量要求为2×105Gy，1E级K1类电机辐照剂量要求为8.5×105Gy，由于1E级K1类电机辐照剂量要求高，需要对1E级K1类电机涉及的全部非金属材料做耐辐照试验，以保证顺利通过整机辐照试验要求。

4.6 引接线、电源接插件结构设计

加速热老化试验和LOCA试验是对引接线、电源接插件的考验。

考虑加速热老化和LOCA环境下的使用，我们采取用铜杆包绝缘的方式，见图6，引接线和绕组主绝缘结构一致，保证了引接线绝缘和电机主绝缘的连续性，引接线随绕组一起进行浸漆处理，绝缘整体性和防潮性能得到保证 。

图6引接线结构

5 鉴定过程及产品供货

遵循2009年2月4日由机械联合会组织，在北京召开K1类电机鉴定试验大纲审查会通过的《K1类电动机鉴定大纲》要求：K1类电动机样机从2011年7月开始，一次性通过了基本性能试验、整机热老化试验、湿热老化试验、辐照老化试验、长期运行试验、振动老化试验、抗地震试验、LOCA(Loss of Cool and Accident失水事故)试验及试验后基本性能试验验证。2015年1月，我公司研制的1E级K1类鉴定样机顺利通过了由中国机械工业联合会组织的、由国内相关行业知名专家参加的产品鉴定会，参会专家一致同意我公司研制的1E级K3类电机通过鉴定，可以投入批量生产。目前，我公司已签订红沿河核电站5&6号机组余热排出泵配套电机，数量4台，产品已交付，各项性能均满足要求。

6 结语

K1电动机样机成功研制，打破了国外垄断、填补了国内空白，其中全尺寸带载LOCA鉴定试验为国际首次，提升了核级设备鉴定能力，提高了企业核心竞争力，为企业带来可观社会效应和经济效益，成为中国核电名牌产品。目前，余热排出系统(RRA)配套设备被列为国产化的重要项目，K1类电动机研发成功确保了国家重点工程的顺利实施。