核三代核级电动机关键技术研究及产业化分析

2022-07-25王险峰

科学技术创新 2022年22期

王险峰

（奥特彼电机（上海）有限公司，上海 201800）

在核能发电技术我国起步较晚，长期依赖进口，特别是核电站的核级设备更是依靠进口，但我国从未停止创新研发的脚步，在核三代核电技术我国提出国际最高标准的核安全技术，也是在该领域实现由核大国向核强国迈进的重要一步，该技术对于提升核电机组的安全可靠具有积极作用。核三代核级电动机项目的成功实施，是我国核级设备项目上的又一次实质性突破，为国家重大装备制造水平提升做出了突出贡献。此次创新研发中，重点是进行电机长寿命绝缘体系、耐辐射、耐高温等关键技术的研究并实现技术突破，从而保证核电站的长期安全可靠运行。

1 核级电动机概述

1.1 定义

核级电动机与常规电动机类似，其内部结构包括定子、转子、端盖、机座、轴承等。其中定子部分由机座、定子铁芯、绕组等组成。转子包括转子铁芯、风扇、转轴等。不同点在于，核级电动机要具备较高的综合性能，要具备耐辐照、耐高温、耐抗震等核环境下运行能力，进而保障核电系统的稳定安全。一般情况下，为了确保核电电机的安全，都会将其设置在保护壳体之内，整机需采用全封闭设计，定子机座焊接密封外壳，前后端盖与机座等并在结合处设置密封圈或垫。密封件同样要采用耐高温、抗辐照的材料，通常为氟橡胶[1]。

1.2 用途分析

核级电动机是一种综合性能较强的设备，可以用于多个核电运行程序的自动控制环节。核级电动机通常是以配套主机的形式应用到核电厂的设备单元中。核电机组的设计规划往往会直接影响到实际的运行效果。科学合理的组装设计，会使电厂发电效率提升，增加电厂的经济效益。

1.3 技术指标

电动机的技术指标：启动电流倍数在100%额定电压下≤6.5 倍额定电流，在80%额定电压下≤5 倍额定电流、带载启动时间在100%额定电压下≤3s，在80%额定电压下≤5s、在70%额定电压下能够带载启动、最大转矩不低于2.0（100%额定电压），最大转矩不低于1.0（70%额定电压）、声压级噪声≤82dB（A）(核二代≤85dB（A）)、电流倍数、启动时间即启动转矩、最大转矩、噪声同时符合要求前提下效率执行国家二级能效（核二代无要求）[2]。

2 关键技术

2.1 电机结构设计

电动机由前、后端盖，定子，转子，电刷部件等部分组成，另外，设置疏水排液口。具体如图1 所示。

图1 电动机结构

2.1.1 定子铁芯

定子铁芯是电机组成中的重要结构，对电机的功能性具有重要影响。本次设计中，定子铁芯采用球墨铸铁材料添加特定化学成分和改进铸造工艺使铸件抗拉强度和机械特性达到要求，钢板焊接件采用感应钎焊技术研究，通过分析感应器的直径、匝数、长度与工件负载的耦合关系，开发了导磁体驱流/脉冲加热钎焊技术，实现了对钎焊区域的集中快速加热，降低了钎焊过程中的热耗散，有效减少钎缝缺欠。

2.1.2 转子结构

转子结构前端是齿轮，为主要的传动装置，涉及齿轮啮，为了有效运作为一种润滑油浸润形式，为了避免润滑油进入到电机结构中，设置了密封结构[3]。转子外径使用高精度磨床精磨后，酸洗两遍处理，两遍酸洗间隔不小于6 小时，提高了转子表面整齐度，减小了杂散损耗中的转子表面损耗，同时改进槽型设计和选用高性能导条和端环材料，具有更大的功率密度，在同等尺寸的前提下可以增加电机的输出功率，有效降低电机的转子损耗，降低发热，增加电机的使用寿命和电气安全性。

2.1.3 外壳

电机外壳是最外层的保护结构，为全封闭形式，定子与机座焊接密封，前后端设有密封圈、密封垫。为了满足实际安全需求，密封元件均为耐高温、抗辐射的氟橡胶材料。外壳结构如图2 所示。

图2 外壳防护结构

2.2 电磁设计

2.2.1 励磁方式选择

从电机励磁方式来看，主要有串励、并励、复励三种。串励起动时需要较大的转矩且空载运行时转速较高；并励转速变化率相对较小，但机械特性偏硬；复励是串励与并励的混合，具有较强的综合性能，因此研发设计中选择了该励磁方式。与此同时，复励中，串励绕组与电枢绕组串联，这增加了电枢回路的电阻，有利于电动机的直接起动。

2.2.2 串励占总励磁比例

研发设计选择了复励方式，之后对串励占总励磁的比例进行了试验分析，试验结果表明，当串励为总励磁比例的20%～40%时，励磁效果良好；空载阶段以并励为主，这样可以解决转速过快的问题；载荷增加时，由串励励磁，过载时以混合励磁。

2.2.3 电磁负荷

电磁负荷对电机的体积、温度等具有直接影响，当电机体积较小时，热量难以快速排除，此时电机运行温度会快速提升；当电机体积较大时，升温会相对较慢，但温度过高同样会影响运行效率。因此，针对电磁负荷的影响，冷却方式的合理尤为重要。由于电机装置是全封闭状态，因此冷却效果主要是受到自然因素、壳体情况的影响。综合对多种原因的分析，以电磁负荷为连续工作、有通风电机为标准，根据电机的功率计算出电机的电磁负荷及结构大小参数。

2.3 绝缘结构设计

鉴于发电机的使用环境，受到高温、辐射的影响，因此给予可靠的绝缘结构设计尤具有必要性。设计过程中，以H 级绝缘结构为标准。电枢槽绝缘结构设计如图3所示。该槽楔材料为聚酰亚胺玻璃布板，绝缘材料为聚酰亚胺芳酰胺纤维复合NHN+聚酰亚胺薄膜，在层间的绝缘设计中，以聚酰亚胺芳酰胺纤维复合NHN 为主。

图3 电枢槽绝缘

定子绕组绝缘设计中，对定子励磁线圈中的绝缘进行了分析，针对并励与串励在层间有机结合了聚酰亚胺芳酰胺纤维复合NHN；对于线圈与磁极之间的绝缘，采用聚酰亚胺玻璃布板；所有电磁线均采用QY2－220 耐220℃的聚酰亚胺漆包线。定子磁极绝缘如图4 所示。

图4 定子磁极绝缘

对绝缘整体采用绑扎紧固及整体VPI 浸烘两次及以上的工艺方案，保证了绝缘整体的耐热、耐辐照能力及特殊强度。

2.4 控制设计

电机励磁以复合方式为主，具体为串励、并励、电枢绕组。电机启动方式为先并励、再结合实际情况调整励磁方式。电机运行控制以实际需求为参考，当不需要频繁运行时，其控制方式为直接励磁、启动、运行，这种控制方式简化了控制回路。同时在复合励磁优化设计的基础上，可以减少启动电流。控制开关主要包括2 个接触器，通过选择接触器开关便能够实现电机的指定励磁启动。

3 检测验证

3.1 60 年可靠寿命试验

电机的绕组的可靠性寿命由定子绕组的绝缘寿命决定，因此对定子绕组绝缘系统进行创新设计，通过分析及验证方法使其能够达到可靠性指标要求。一般而言，电机的定子绕组绝缘系统是由匝间绝缘、对地绝缘、相间绝缘三个单元组合起来，是完成绕组功能的综合体。定子绕组绝缘系统三部分的可靠性模型属于串联模型，因此，欲提高定子绕组绝缘寿命，关键是提高匝间绝缘、对地绝缘、相间绝缘的安全可靠度，以便达到提高整个绕组绝缘系统可靠性的目的。参考上海电气设备检测所对我公司F 级10kV 电机绝缘结构的热老化加速试验数验证该过程中，线圈正常使用温度下的可靠性较高，寿命较长。

3.2 高温环境试验

进行了三种环境条件下的试验：a.10kV 电动机的高温环境试验，电机在主机厂直联驱动低压安注泵，进行了联机试验，电机在特殊环境下长时间运行后电机各项性能指标均符合用户要求，且运转良好。b.堆腔电机高温环境试验，堆腔电机NHD326T-2 45kW 在上海电器设备检测所有限公司进行一定环境温度下的负载试验，试验表明根据标准GB/T1032-2012、NB/T20212-2013 及相应的试验大纲的规定，电机满足运行要求。c.我公司生产的舰用耐高温电机在国家防爆电气质量监督检验中心进行了耐高温性能试验，试验结果表明，电机可以满足一定环境温度下带载运行要求，且长时间带载运行后，电机运转各项性能正常，符合相应标准要求。

3.3 耐辐照性能检测

耐辐射照能检测中主要是对电机的老化情况进行测定，看试样在预计正常的寿期内及可能的事故条件下，由γ 和β 辐照引起的材料性能退化对功能的影响。测试过程中，辐射应代表使用条件的环境的一部分，辐射的强度应相当于或大于在使用中的预期辐射[4]。在长时间辐射后，电机运转各项性能正常，符合相应标准要求。

4 产业化分析

4.1 整机制造工艺开发

该项目通过对外合作和自主研究，完成了环境条件下的高可靠性绝缘结构的研究和试验验证，电机整机通过了基准试验验证，加速热老化、振动老化、高温环境、γ和β 辐照老化等试验鉴定。研发的核级电机能够满足核三代技术要求的60 年寿命、高可靠性、耐高温及抗震加速度要求。经验证，整机制造工艺开发成熟，具备产业化基础条件。

4.2 生产规范

本项目在河南省重大专项资金的支持下，历时3 年协同攻关，攻克设计、制造等技术难关，在核二代核级电动机技术基础上，针对核三代核级电动机技术特点进行分析和对比，重点进行长寿命绝缘体系、耐辐射、耐高温、高效率等关键技术研究并实现技术突破，保证三代核电站的长期安全可靠运行；通过对工艺、工装、生产设备及试验检测平台的建设，形成年产2500 台的生产能力。生产具有规范性、安全性，符合国家有关要求[5]。

4.3 智能监控管理

基于时代的快速发展，智能技术的应用范围越来越广阔，在核三代核级电动机关键技术研发中，不仅结合了多方经验，同时也借助了现代化智能设备进行了监控、管理，可以实现对有关参数的持续监控，对异常数据进行报警，大为提升了安全生产效率。在核级电机的产业化生产中，借助该设备可以大为保障顺利性，从而推动我国核电事业的发展。