李虎

（上海核工程研究設計院）

某核電廠主泵電機的損耗分析與探討

李虎

（上海核工程研究設計院）

本文介紹了某核電廠主泵電機的結構特點，避免了傳統(tǒng)軸封電機存在反應堆冷卻劑泄漏隱患的可能性，為核電廠的安全運行提供了堅實的保障。但是目前該類型電機的設計方案損耗較大、效率較低，主要原因為電機內部屏蔽套的采用加大了定轉子氣隙的厚度，這極大地降低了電磁功率的傳遞效率。本文從電機學原理的角度出發(fā)，全面系統(tǒng)地分析主泵電機的損耗類型，并探討了提高電機效率的設想。

主泵電機；核電廠；耦合；損耗；效率

0 引言

隨著我國改革開發(fā)進程的逐步深入、國民經濟的快速迅猛發(fā)展和人民生活水平的日益提高，并伴隨著世界各國各組織都從不同層次不同場合提倡了綠色能源和節(jié)約能源的重要性，我國政府決定大力發(fā)展核電，這些都為迄今為止最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉葱问降於藞詫嵉耐獠炕A。然而作為核電廠內部的用電負荷，特別是電機設備也同樣承擔著節(jié)約能源的重任，因為各種風機、泵、閥場合都需要不同類型電機的驅動。因此如何選用一臺合適的電機就是各相關專業(yè)系統(tǒng)的一個重要課題。

反應堆冷卻劑泵（主泵）作為核電廠一回路唯一的能動部件，是核電廠的心臟。某核電廠主泵電機相對與傳統(tǒng)軸封泵電機具有明顯的優(yōu)點，因為它的設計中不需要傳統(tǒng)軸密封所需的大量外部支持系統(tǒng)，徹底消除了軸封部位冷卻劑泄漏的潛在可能。同時，其設計壽命為60年，也極大地降低了維護成本，基本上消除了電機定期檢查的要求。然而，主泵電機的設計過程中，為了配合被驅動裝置的特性，其設計相對傳統(tǒng)電機是有區(qū)別的，主要包括如下方面：①電機上下兩端各有一個飛輪，其能耗較高；②由于電機安裝于屏蔽結構內部，其溫升較高，對電機的絕緣系統(tǒng)設計提出了十分高的要求；③定轉子之間設置了兩個屏蔽套，主要為了與一回路的冷卻介質相互隔絕，這必然會增加空氣隙厚度，也相應地降低電機的效率。

下面，先從電機學原理入手分析，并以某核電廠主泵電機作為分析實例，最后為提高效率提出設想。

1 電機損耗分析的理論依據(jù)

作為能量轉換的傳遞者，電機通過電磁場將電磁能轉換為機械能，為工藝系統(tǒng)提供驅動力，實現(xiàn)各種功能。

在電壓源供電下，電流是一個未知量，求解電機電磁場是典型的場路耦合問題。根據(jù)電流的確定過程，場路耦合可以分為松弛耦合和緊密耦合兩類。緊密耦合是把磁場方程和電流電路方程作為一個整體來統(tǒng)一求解，該方法已廣泛應用于電機和變壓器分析中。場用Maxwell方程來描述，路用Kirchhoff方程描述，運動方程用轉矩平衡來描述，最后把磁矢量位A與電流i同時作為變量來求解［1、6］。

在存在渦流區(qū)域內，采用A-f法分析，磁場滿足式（1）、（2），并且通過Kirchhoff方程將等效集總參數(shù)表述為式（3），即式中，v為磁阻率；A、f為磁矢量位和磁標量位；J為電流密度；s為電導率；u和i勵磁電壓和電流；e為感應電動勢；R為線圈電阻；Ls為漏感。隨著電機旋轉，每一步的磁矢量位和電流就可以得到，屏蔽套中的渦流也可以得到；之后，輸出轉矩通過Maxwell張量法求得。

2 電機的損耗類型分析

全面準確地對電機在不同運行工況下的損耗分析具有十分重要的作用，它將指導后續(xù)設計，也為提高效率提供了基礎。下面將分兩種運行工況對電機的損耗進行全面描述和分析［2-4］。

2.1 空載運行工況

空載運行是指電機不拖動負載下的運行工況，輸出有效轉矩為零。但與變壓器不同的是，即使在空載下，電機的定轉子之間也是有能量傳遞的，這部分電磁能，除了滿足轉子鐵心損耗（非常小，可忽略）之外，還提供摩擦損耗的能量；再加上定子繞組損耗（銅耗）和空載下的鐵耗之后即是電機輸入功率，其中，鐵耗是指在有效鐵心中的損耗及其他金屬件中空載雜散損耗之和，其損耗關系見圖1。

圖1 空載下電機內部損耗關系圖

需注意的是，空載試驗最好是在負載試驗結束之后才進行。根據(jù)文獻［5］的推薦方法，對被試電機施加額定頻率下的不同電壓，一般根據(jù)原則選取7個電壓點，按電壓從高到低的順序進行試驗。

2.2 負載運行工況

負載運行是指電機拖動各種類型負載的運行工況，包括泵、風機和閥門等類型負荷。電機輸入功率在克服上述空載損耗和其他損耗之后，電機轉軸即可輸出有效轉矩，即輸出功率P2=2πnT。

在負載運行下，轉子中將出現(xiàn)感應電流，也將產生轉子繞組損耗 Pcur，根據(jù)電機學原理， Pcur等于轉差率與定轉子間電磁傳遞功率的乘積，也可以表示為

為了精確計算考慮，在負載工況下，還需要考慮負載雜散損耗 PLLLL。它是負載電流在有效鐵心及除導體之外的其他金屬中引起的損耗，還同時考慮了因磁通脈動而產生的電流在電動機的定子和轉子繞組引起的渦流損耗。一般來說 PLLLL與輸出轉矩的平方成線性關系。這些損耗關系見圖2。

圖2 負載下電機內部損耗與功率關系圖

需注意的是，負載試驗必須在額定負載熱試驗結束之后才能進行，這主要是為了保證定轉子繞組溫度已達到熱平衡狀態(tài)。根據(jù)文獻［5］的推薦方法，對被試電機施加額定頻率下的不同電壓，一般根據(jù)原則選取6個負載點，按負載率從高到低的順序進行試驗，并盡快完成試驗，以減少因溫度變化引起的試驗誤差。

3 某核電廠主泵電機的空載損耗分析

根據(jù)主泵電機在第一次空載試驗時的初步數(shù)據(jù)，可得出摩擦損耗是與轉速有關的參數(shù)，與每種電機泵系統(tǒng)有關，用線性回歸分析法可修勻，同時也可以表示為轉差率的函數(shù)。

空載試驗時輸入功率減去該試驗溫度時定子繞組損耗和摩擦損耗之后，就剩下鐵心和屏蔽套的鐵耗和其他金屬件的空載雜散損耗 PEFEE。根據(jù)電磁理論，該值包括渦流損耗和磁滯損耗，前者由渦流造成，可根據(jù)歐姆定律計算得到。由于主泵電機結構中引入了定子屏蔽套和轉子屏蔽套，由C276哈氏合金制成，都具有一定的厚度，屏蔽套的渦流十分可觀，因此渦流損耗也比較大，占據(jù)鐵耗較大部分比例。

對主泵電機在60Hz下的空載損耗的試驗數(shù)據(jù)進行分析后得出，橫坐標為空載線電壓的平方，縱坐標為空載損耗與定子繞組損耗的差值（即為空載恒定損耗 PK，是摩擦損耗Pf與鐵耗 PFFEE之和）。該曲線較好地驗證了鐵耗與空載線電壓的平方具有線性關系。

4 提高主泵電機效率的設想

經過上述從理論算法到試驗測量等結果可以看出，該主泵電機的電磁場與損耗分析完全可用傳統(tǒng)電磁場理論進行分析。

從主泵電機特殊的型式結構和試驗結果可知，該主泵電機的空載損耗是非常大的，特別是其中的摩擦損耗和鐵耗兩者分別占據(jù)了半壁江山。經過分析，前者主要是由飛輪產生，后者是由屏蔽套產生。因此若想提高現(xiàn)有主泵電機的效率，必須從這兩方面進行著手，改善電機結構以實現(xiàn)更優(yōu)越的性能；或找到其他具有相同耐腐蝕且磁性能比C276哈氏合金更弱的新型材料。

5 結束語

本文首先論述在新形式下發(fā)展核電的必然性和重要性，從傳統(tǒng)電磁場理論出發(fā)，分析了電機的在不同運行工況下的各種損耗類型，然后再以某核電廠主泵電機的空載試驗數(shù)據(jù)分析作為驗證本文分析方法的正確性。最后從兩個重要方面為提高現(xiàn)有主泵電機的效率提出了設想。

作為主泵電機國產化的必經之路，必須將主泵電機的電壓等級和頻率等基本參數(shù)設計成與國產化核電廠一致，這樣可以提高主泵變頻器和主泵整體運行的可靠性，為整體安全水平和可利用率水平提高一個等級。這也是下一步工作的研究重點。

［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 旋轉電機 定額和性能［S］.

［3］ GB/T 1032—2012 三相異步電動機試驗方法［S］.

［4］ GB/T755.2—2003 旋轉電機（牽引電機除外）確定損耗和效率的試驗方法［S］.

［5］ GB/T 20137—2006 三相籠型異步電動機損耗和效率的確定方法［S］.

［6］李虎，蔣曉華，畢大強，等.永磁同步電動機中永磁體的三維渦流分析［J］.清華大學學報（自然科學版）.2009，49（8）：1085-1088.

2016-06-05）