王險峰

（奧特彼電機（上海）有限公司，上海 201800）

在核能發(fā)電技術(shù)我國起步較晚，長期依賴進(jìn)口，特別是核電站的核級設(shè)備更是依靠進(jìn)口，但我國從未停止創(chuàng)新研發(fā)的腳步，在核三代核電技術(shù)我國提出國際最高標(biāo)準(zhǔn)的核安全技術(shù)，也是在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由核大國向核強國邁進(jìn)的重要一步，該技術(shù)對于提升核電機組的安全可靠具有積極作用。核三代核級電動機項目的成功實施，是我國核級設(shè)備項目上的又一次實質(zhì)性突破，為國家重大裝備制造水平提升做出了突出貢獻(xiàn)。此次創(chuàng)新研發(fā)中，重點是進(jìn)行電機長壽命絕緣體系、耐輻射、耐高溫等關(guān)鍵技術(shù)的研究并實現(xiàn)技術(shù)突破，從而保證核電站的長期安全可靠運行。

1 核級電動機概述

1.1 定義

核級電動機與常規(guī)電動機類似，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、機座、軸承等。其中定子部分由機座、定子鐵芯、繞組等組成。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵芯、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸等。不同點在于，核級電動機要具備較高的綜合性能，要具備耐輻照、耐高溫、耐抗震等核環(huán)境下運行能力，進(jìn)而保障核電系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。一般情況下，為了確保核電電機的安全，都會將其設(shè)置在保護(hù)殼體之內(nèi)，整機需采用全封閉設(shè)計，定子機座焊接密封外殼，前后端蓋與機座等并在結(jié)合處設(shè)置密封圈或墊。密封件同樣要采用耐高溫、抗輻照的材料，通常為氟橡膠[1]。

1.2 用途分析

核級電動機是一種綜合性能較強的設(shè)備，可以用于多個核電運行程序的自動控制環(huán)節(jié)。核級電動機通常是以配套主機的形式應(yīng)用到核電廠的設(shè)備單元中。核電機組的設(shè)計規(guī)劃往往會直接影響到實際的運行效果。科學(xué)合理的組裝設(shè)計，會使電廠發(fā)電效率提升，增加電廠的經(jīng)濟效益。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

電動機的技術(shù)指標(biāo)：啟動電流倍數(shù)在100%額定電壓下≤6.5 倍額定電流，在80%額定電壓下≤5 倍額定電流、帶載啟動時間在100%額定電壓下≤3s，在80%額定電壓下≤5s、在70%額定電壓下能夠帶載啟動、最大轉(zhuǎn)矩不低于2.0（100%額定電壓），最大轉(zhuǎn)矩不低于1.0（70%額定電壓）、聲壓級噪聲≤82dB（A）(核二代≤85dB（A）)、電流倍數(shù)、啟動時間即啟動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、噪聲同時符合要求前提下效率執(zhí)行國家二級能效（核二代無要求）[2]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動機由前、后端蓋，定子，轉(zhuǎn)子，電刷部件等部分組成，另外，設(shè)置疏水排液口。具體如圖1 所示。

圖1 電動機結(jié)構(gòu)

2.1.1 定子鐵芯

定子鐵芯是電機組成中的重要結(jié)構(gòu)，對電機的功能性具有重要影響。本次設(shè)計中，定子鐵芯采用球墨鑄鐵材料添加特定化學(xué)成分和改進(jìn)鑄造工藝使鑄件抗拉強度和機械特性達(dá)到要求，鋼板焊接件采用感應(yīng)釬焊技術(shù)研究，通過分析感應(yīng)器的直徑、匝數(shù)、長度與工件負(fù)載的耦合關(guān)系，開發(fā)了導(dǎo)磁體驅(qū)流/脈沖加熱釬焊技術(shù)，實現(xiàn)了對釬焊區(qū)域的集中快速加熱，降低了釬焊過程中的熱耗散，有效減少釬縫缺欠。

2.1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)前端是齒輪，為主要的傳動裝置，涉及齒輪嚙，為了有效運作為一種潤滑油浸潤形式，為了避免潤滑油進(jìn)入到電機結(jié)構(gòu)中，設(shè)置了密封結(jié)構(gòu)[3]。轉(zhuǎn)子外徑使用高精度磨床精磨后，酸洗兩遍處理，兩遍酸洗間隔不小于6 小時，提高了轉(zhuǎn)子表面整齊度，減小了雜散損耗中的轉(zhuǎn)子表面損耗，同時改進(jìn)槽型設(shè)計和選用高性能導(dǎo)條和端環(huán)材料，具有更大的功率密度，在同等尺寸的前提下可以增加電機的輸出功率，有效降低電機的轉(zhuǎn)子損耗，降低發(fā)熱，增加電機的使用壽命和電氣安全性。

2.1.3 外殼

電機外殼是最外層的保護(hù)結(jié)構(gòu)，為全封閉形式，定子與機座焊接密封，前后端設(shè)有密封圈、密封墊。為了滿足實際安全需求，密封元件均為耐高溫、抗輻射的氟橡膠材料。外殼結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 外殼防護(hù)結(jié)構(gòu)

2.2 電磁設(shè)計

2.2.1 勵磁方式選擇

從電機勵磁方式來看，主要有串勵、并勵、復(fù)勵三種。串勵起動時需要較大的轉(zhuǎn)矩且空載運行時轉(zhuǎn)速較高；并勵轉(zhuǎn)速變化率相對較小，但機械特性偏硬；復(fù)勵是串勵與并勵的混合，具有較強的綜合性能，因此研發(fā)設(shè)計中選擇了該勵磁方式。與此同時，復(fù)勵中，串勵繞組與電樞繞組串聯(lián)，這增加了電樞回路的電阻，有利于電動機的直接起動。

2.2.2 串勵占總勵磁比例

研發(fā)設(shè)計選擇了復(fù)勵方式，之后對串勵占總勵磁的比例進(jìn)行了試驗分析，試驗結(jié)果表明，當(dāng)串勵為總勵磁比例的20%～40%時，勵磁效果良好；空載階段以并勵為主，這樣可以解決轉(zhuǎn)速過快的問題；載荷增加時，由串勵勵磁，過載時以混合勵磁。

2.2.3 電磁負(fù)荷

電磁負(fù)荷對電機的體積、溫度等具有直接影響，當(dāng)電機體積較小時，熱量難以快速排除，此時電機運行溫度會快速提升；當(dāng)電機體積較大時，升溫會相對較慢，但溫度過高同樣會影響運行效率。因此，針對電磁負(fù)荷的影響，冷卻方式的合理尤為重要。由于電機裝置是全封閉狀態(tài)，因此冷卻效果主要是受到自然因素、殼體情況的影響。綜合對多種原因的分析，以電磁負(fù)荷為連續(xù)工作、有通風(fēng)電機為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機的功率計算出電機的電磁負(fù)荷及結(jié)構(gòu)大小參數(shù)。

2.3 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

鑒于發(fā)電機的使用環(huán)境，受到高溫、輻射的影響，因此給予可靠的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計尤具有必要性。設(shè)計過程中，以H 級絕緣結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。電樞槽絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。該槽楔材料為聚酰亞胺玻璃布板，絕緣材料為聚酰亞胺芳酰胺纖維復(fù)合NHN+聚酰亞胺薄膜，在層間的絕緣設(shè)計中，以聚酰亞胺芳酰胺纖維復(fù)合NHN 為主。

圖3 電樞槽絕緣

定子繞組絕緣設(shè)計中，對定子勵磁線圈中的絕緣進(jìn)行了分析，針對并勵與串勵在層間有機結(jié)合了聚酰亞胺芳酰胺纖維復(fù)合NHN；對于線圈與磁極之間的絕緣，采用聚酰亞胺玻璃布板；所有電磁線均采用QY2－220 耐220℃的聚酰亞胺漆包線。定子磁極絕緣如圖4 所示。

圖4 定子磁極絕緣

對絕緣整體采用綁扎緊固及整體VPI 浸烘兩次及以上的工藝方案，保證了絕緣整體的耐熱、耐輻照能力及特殊強度。

2.4 控制設(shè)計

電機勵磁以復(fù)合方式為主，具體為串勵、并勵、電樞繞組。電機啟動方式為先并勵、再結(jié)合實際情況調(diào)整勵磁方式。電機運行控制以實際需求為參考，當(dāng)不需要頻繁運行時，其控制方式為直接勵磁、啟動、運行，這種控制方式簡化了控制回路。同時在復(fù)合勵磁優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，可以減少啟動電流。控制開關(guān)主要包括2 個接觸器，通過選擇接觸器開關(guān)便能夠?qū)崿F(xiàn)電機的指定勵磁啟動。

3 檢測驗證

3.1 60 年可靠壽命試驗

電機的繞組的可靠性壽命由定子繞組的絕緣壽命決定，因此對定子繞組絕緣系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，通過分析及驗證方法使其能夠達(dá)到可靠性指標(biāo)要求。一般而言，電機的定子繞組絕緣系統(tǒng)是由匝間絕緣、對地絕緣、相間絕緣三個單元組合起來，是完成繞組功能的綜合體。定子繞組絕緣系統(tǒng)三部分的可靠性模型屬于串聯(lián)模型，因此，欲提高定子繞組絕緣壽命，關(guān)鍵是提高匝間絕緣、對地絕緣、相間絕緣的安全可靠度，以便達(dá)到提高整個繞組絕緣系統(tǒng)可靠性的目的。參考上海電氣設(shè)備檢測所對我公司F 級10kV 電機絕緣結(jié)構(gòu)的熱老化加速試驗數(shù)驗證該過程中，線圈正常使用溫度下的可靠性較高，壽命較長。

3.2 高溫環(huán)境試驗

進(jìn)行了三種環(huán)境條件下的試驗：a.10kV 電動機的高溫環(huán)境試驗，電機在主機廠直聯(lián)驅(qū)動低壓安注泵，進(jìn)行了聯(lián)機試驗，電機在特殊環(huán)境下長時間運行后電機各項性能指標(biāo)均符合用戶要求，且運轉(zhuǎn)良好。b.堆腔電機高溫環(huán)境試驗，堆腔電機NHD326T-2 45kW 在上海電器設(shè)備檢測所有限公司進(jìn)行一定環(huán)境溫度下的負(fù)載試驗，試驗表明根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1032-2012、NB/T20212-2013 及相應(yīng)的試驗大綱的規(guī)定，電機滿足運行要求。c.我公司生產(chǎn)的艦用耐高溫電機在國家防爆電氣質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進(jìn)行了耐高溫性能試驗，試驗結(jié)果表明，電機可以滿足一定環(huán)境溫度下帶載運行要求，且長時間帶載運行后，電機運轉(zhuǎn)各項性能正常，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 耐輻照性能檢測

耐輻射照能檢測中主要是對電機的老化情況進(jìn)行測定，看試樣在預(yù)計正常的壽期內(nèi)及可能的事故條件下，由γ 和β 輻照引起的材料性能退化對功能的影響。測試過程中，輻射應(yīng)代表使用條件的環(huán)境的一部分，輻射的強度應(yīng)相當(dāng)于或大于在使用中的預(yù)期輻射[4]。在長時間輻射后，電機運轉(zhuǎn)各項性能正常，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 產(chǎn)業(yè)化分析

4.1 整機制造工藝開發(fā)

該項目通過對外合作和自主研究，完成了環(huán)境條件下的高可靠性絕緣結(jié)構(gòu)的研究和試驗驗證，電機整機通過了基準(zhǔn)試驗驗證，加速熱老化、振動老化、高溫環(huán)境、γ和β 輻照老化等試驗鑒定。研發(fā)的核級電機能夠滿足核三代技術(shù)要求的60 年壽命、高可靠性、耐高溫及抗震加速度要求。經(jīng)驗證，整機制造工藝開發(fā)成熟，具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)條件。

4.2 生產(chǎn)規(guī)范

本項目在河南省重大專項資金的支持下，歷時3 年協(xié)同攻關(guān)，攻克設(shè)計、制造等技術(shù)難關(guān)，在核二代核級電動機技術(shù)基礎(chǔ)上，針對核三代核級電動機技術(shù)特點進(jìn)行分析和對比，重點進(jìn)行長壽命絕緣體系、耐輻射、耐高溫、高效率等關(guān)鍵技術(shù)研究并實現(xiàn)技術(shù)突破，保證三代核電站的長期安全可靠運行；通過對工藝、工裝、生產(chǎn)設(shè)備及試驗檢測平臺的建設(shè)，形成年產(chǎn)2500 臺的生產(chǎn)能力。生產(chǎn)具有規(guī)范性、安全性，符合國家有關(guān)要求[5]。

4.3 智能監(jiān)控管理

基于時代的快速發(fā)展，智能技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，在核三代核級電動機關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)中，不僅結(jié)合了多方經(jīng)驗，同時也借助了現(xiàn)代化智能設(shè)備進(jìn)行了監(jiān)控、管理，可以實現(xiàn)對有關(guān)參數(shù)的持續(xù)監(jiān)控，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警，大為提升了安全生產(chǎn)效率。在核級電機的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，借助該設(shè)備可以大為保障順利性，從而推動我國核電事業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)論

本次項目研發(fā)重點進(jìn)行了核電機的長壽命絕緣體系、耐輻射、耐高溫、高效率等關(guān)鍵技術(shù)研究，最終實現(xiàn)了技術(shù)突破。該項目的成功，是電驅(qū)技術(shù)在核電設(shè)備項目上的又一次實質(zhì)性突破，對我國核電設(shè)備生產(chǎn)向高端、智能化制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了助力，希望能夠促進(jìn)我國核電事業(yè)的發(fā)展。