壓水堆核電站1E級(jí)K1類高壓三相異步電動(dòng)機(jī)研制

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

核電站余熱排出泵用1E級(jí)K1類高壓三相異步電動(dòng)機(jī)是二代加壓水堆核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，是核電站唯一的K1類電機(jī)，目前只有少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家掌握了該電動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)。為推進(jìn)該設(shè)備的國產(chǎn)化，打破國外壟斷，填補(bǔ)國內(nèi)空白，響應(yīng)能源發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，幾家國內(nèi)大公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，對(duì)余熱排出泵機(jī)組進(jìn)行攻關(guān)，其中我公司負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)部分的研制及制造。

1 余熱排出系統(tǒng)簡介

核反應(yīng)堆余熱排出系統(tǒng)(RRA)又稱為反應(yīng)堆停堆冷卻系統(tǒng)，反應(yīng)堆停堆后，最初由蒸發(fā)器將剩余部分熱量導(dǎo)出，當(dāng)二回路不能再運(yùn)行時(shí)，即由余熱排出系統(tǒng)導(dǎo)出這部分熱量，保證反應(yīng)堆冷卻，余熱排出泵是余熱排出系統(tǒng)冷卻劑循環(huán)驅(qū)動(dòng)裝置，該泵不僅完成正常冷停堆功能，還完成失水事故(LOCA)工況核反應(yīng)堆冷卻停堆功能，以確保核安全。

壓水堆核電站余熱排出泵用1E級(jí)K1類電動(dòng)機(jī)在失水事故時(shí)應(yīng)能夠正常運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)余熱排出泵，保證反應(yīng)堆系統(tǒng)安全。因此，不僅要滿足核電站一回路工況(抗地震，耐輻照、耐高溫、耐高濕、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿及海洋氣候腐蝕、溫度沖擊等)的使用要求，而且要滿足一回路管路等承壓邊界破裂引起的失水事故時(shí)驅(qū)動(dòng)余熱排出泵將反應(yīng)堆內(nèi)熱量導(dǎo)出的功能。

2 電機(jī)的基本參數(shù)

型號(hào)：HY630-4；額定電壓：6.6kV；額定頻率：50Hz；額定功率：355kW；額定轉(zhuǎn)速：1480r/min；絕緣等級(jí)：F級(jí)；安裝方式：IMB3；防護(hù)等級(jí)：IP555。

當(dāng)打開電動(dòng)機(jī)前部的壓力平衡孔時(shí)，電動(dòng)機(jī)的防護(hù)等級(jí)從IP555變成IP22；冷卻方式為IC511。

3 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)RCC-E(法國標(biāo)準(zhǔn)《壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》)要求，1E級(jí)K1類電氣設(shè)備需進(jìn)行試驗(yàn)：基本性能試驗(yàn)→整機(jī)熱老化試驗(yàn)→濕熱老化試驗(yàn)→輻照老化試驗(yàn)→長期運(yùn)行試驗(yàn)→振動(dòng)老化試驗(yàn)→抗地震試驗(yàn)→LOCA(Loss of Cool and Accident失水事故)試驗(yàn)→基本性能試驗(yàn)驗(yàn)證，以上試驗(yàn)中的任何一項(xiàng)試驗(yàn)失敗，必須重新生產(chǎn)模擬件，并從第一項(xiàng)試驗(yàn)開始按順序逐項(xiàng)進(jìn)行，直至全部試驗(yàn)通過。

通過對(duì)上述試驗(yàn)環(huán)境逐一分析，確定如下關(guān)鍵技術(shù)：(1)抗地震結(jié)構(gòu)研究；(2)耐輻照非金屬材料研究；(3)耐高溫、高壓及飽和蒸汽絕緣結(jié)構(gòu)研究；(4)瞬間壓力升高結(jié)構(gòu)研究；(5)40年壽命絕緣結(jié)構(gòu)研究；(6)LOCA環(huán)境電源接插件研究。

4 技術(shù)攻關(guān)

通過對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究，我公司著重從電動(dòng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁結(jié)構(gòu)及絕緣結(jié)構(gòu)三方面進(jìn)行攻關(guān)。

4.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

K1類電動(dòng)機(jī)為感應(yīng)式三相異步電動(dòng)機(jī)，定子結(jié)構(gòu)類似于高壓隔爆電動(dòng)機(jī)，機(jī)座采用周圍布管結(jié)構(gòu)，定子繞組采用成型線圈雙層疊繞，絕緣結(jié)構(gòu)為聚酰亞胺體系，耐熱溫度指數(shù)為F級(jí)；轉(zhuǎn)子采用籠型銅條轉(zhuǎn)子，沖片采用0.5mm厚冷軋硅鋼片，軸承結(jié)構(gòu)為滾動(dòng)軸承，采用耐輻照潤滑脂，軸承室軸封處設(shè)有雙層曲路密封結(jié)構(gòu)(類似隔爆電機(jī)曲路密封結(jié)構(gòu))；接線盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分繼承了隔爆接線盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，并設(shè)計(jì)了使用可靠的電氣接插件結(jié)構(gòu)；冷卻方式與高壓隔爆電機(jī)相同為IC511，電機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1電動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

4.2 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)老化試驗(yàn)、抗地震試驗(yàn)、長期運(yùn)行試驗(yàn)是對(duì)K1類電動(dòng)機(jī)樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。

從K3類電機(jī)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)看，有抗震要求的電機(jī)，需要做抗震分析，抗震分析能通過，經(jīng)受抗震試驗(yàn)是沒有問題的。2008年K1類電動(dòng)機(jī)隨某公司的余熱排出泵一起做了整個(gè)機(jī)組的抗震分析，結(jié)果機(jī)組滿足要求，某公司的余熱排出泵已經(jīng)通過了行業(yè)鑒定。為了進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)組的安全可靠性，我們將聯(lián)合泵廠對(duì)整個(gè)機(jī)組進(jìn)一步做抗震試驗(yàn)，網(wǎng)格分析計(jì)算見圖2。

圖2抗震分析計(jì)算

4.3 軸承及端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)老化試驗(yàn)、抗地震試驗(yàn)和LOCA試驗(yàn)是對(duì)K1類電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。

通過與中廣核的技術(shù)交流，得知法國在1E級(jí)K1類電機(jī)研制過程中，由于在失水事故下電機(jī)外部瞬間產(chǎn)生5.6bar壓力，此壓力致使電機(jī)內(nèi)外壓力不平衡，壓力的釋放將電機(jī)軸承潤滑脂吹跑，從而引發(fā)電機(jī)機(jī)械故障。因此我們?cè)谳S承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整機(jī)壓力釋放上采取如下特殊措施：在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用佳電成熟的曲路軸承結(jié)構(gòu)，保證LOCA事故發(fā)生導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)外腔壓力失衡情況下潤滑脂不流失，軸承結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3雙曲路結(jié)構(gòu)

我們結(jié)合RRA余排泵電機(jī)的國外制造經(jīng)驗(yàn)，在電機(jī)的端蓋處設(shè)置泄壓裝置。當(dāng)電機(jī)機(jī)殼外壓力升高時(shí)，高壓氣體通過泄壓裝置進(jìn)入電機(jī)內(nèi)腔達(dá)到內(nèi)外氣壓的平衡，見圖4。

圖4泄壓裝置

4.4 電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長期運(yùn)行試驗(yàn)、加速熱老化試驗(yàn)和LOCA試驗(yàn)是對(duì)K1類電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。

2009年由機(jī)械聯(lián)合會(huì)組織，在北京召開了我公司的K1類電機(jī)鑒定試驗(yàn)大綱審查會(huì)，討論確定長期運(yùn)行試驗(yàn)電機(jī)累計(jì)運(yùn)行500h，期間起停次數(shù)累計(jì)1000次，其中熱起動(dòng)3次。電機(jī)的頻繁啟動(dòng)對(duì)定子繞組、轉(zhuǎn)子銅線具有較大破壞性，可導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子溫度急劇升高，因此我們?cè)陔姶旁O(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了連續(xù)起動(dòng)溫升對(duì)電機(jī)的影響，采取了特殊設(shè)計(jì)，使電機(jī)滿足試驗(yàn)要求。

加速熱老化試驗(yàn)是對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)，在電磁設(shè)計(jì)上我們通過調(diào)整熱負(fù)荷來降低電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的溫度，保證絕緣材料能順利的通過加速熱老化試驗(yàn)，滿足使用要求。

LCOA試驗(yàn)時(shí)由于壓力增加及水蒸氣的增加會(huì)使電機(jī)冷卻介質(zhì)比重成倍增加，導(dǎo)致電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速急速下降，影響電機(jī)的散熱。我們?cè)陔姶旁O(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了LOCA環(huán)境對(duì)電機(jī)的影響，增加電機(jī)熱容量來改善電機(jī)的發(fā)熱系數(shù)，使電機(jī)滿足此工況使用要求。

4.5 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加速熱老化試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)和LOCA試驗(yàn)是對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)。

K1類電動(dòng)機(jī)在LOCA事故時(shí)需承受156℃高溫、5.6bar壓力、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)輻射、100%濕度的惡劣環(huán)境工況，以減低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、減少試驗(yàn)陳本為原則，確定了研究試驗(yàn)方法：原材料選擇→輻照試驗(yàn)→單支線圈浸水試驗(yàn)→加上熱老化試驗(yàn)→樣機(jī)試制→定子浸水→模擬LOCA環(huán)境試驗(yàn)→最終確定絕緣結(jié)構(gòu)。

K1類電動(dòng)機(jī)需要經(jīng)歷嚴(yán)酷的LOCA試驗(yàn)和高劑量的輻照試驗(yàn)。為滿足這兩項(xiàng)要求，我們進(jìn)行了絕緣材料篩選試驗(yàn)和絕緣結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)，見圖5，進(jìn)行線圈浸水試驗(yàn)、繞組通蒸汽試驗(yàn)、絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)耐輻照試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目，并將通過這些試驗(yàn)的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱老化試驗(yàn)。

圖5絕緣結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

輻照老化試驗(yàn)一般民品電機(jī)是不做要求的，核潛艇余排泵電機(jī)輻照試驗(yàn)輻照劑量要求為2×105Gy，1E級(jí)K1類電機(jī)輻照劑量要求為8.5×105Gy，由于1E級(jí)K1類電機(jī)輻照劑量要求高，需要對(duì)1E級(jí)K1類電機(jī)涉及的全部非金屬材料做耐輻照試驗(yàn)，以保證順利通過整機(jī)輻照試驗(yàn)要求。

4.6 引接線、電源接插件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加速熱老化試驗(yàn)和LOCA試驗(yàn)是對(duì)引接線、電源接插件的考驗(yàn)。

考慮加速熱老化和LOCA環(huán)境下的使用，我們采取用銅桿包絕緣的方式，見圖6，引接線和繞組主絕緣結(jié)構(gòu)一致，保證了引接線絕緣和電機(jī)主絕緣的連續(xù)性，引接線隨繞組一起進(jìn)行浸漆處理，絕緣整體性和防潮性能得到保證 。

圖6引接線結(jié)構(gòu)

5 鑒定過程及產(chǎn)品供貨

遵循2009年2月4日由機(jī)械聯(lián)合會(huì)組織，在北京召開K1類電機(jī)鑒定試驗(yàn)大綱審查會(huì)通過的《K1類電動(dòng)機(jī)鑒定大綱》要求：K1類電動(dòng)機(jī)樣機(jī)從2011年7月開始，一次性通過了基本性能試驗(yàn)、整機(jī)熱老化試驗(yàn)、濕熱老化試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)、長期運(yùn)行試驗(yàn)、振動(dòng)老化試驗(yàn)、抗地震試驗(yàn)、LOCA(Loss of Cool and Accident失水事故)試驗(yàn)及試驗(yàn)后基本性能試驗(yàn)驗(yàn)證。2015年1月，我公司研制的1E級(jí)K1類鑒定樣機(jī)順利通過了由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的、由國內(nèi)相關(guān)行業(yè)知名專家參加的產(chǎn)品鑒定會(huì)，參會(huì)專家一致同意我公司研制的1E級(jí)K3類電機(jī)通過鑒定，可以投入批量生產(chǎn)。目前，我公司已簽訂紅沿河核電站5&6號(hào)機(jī)組余熱排出泵配套電機(jī)，數(shù)量4臺(tái)，產(chǎn)品已交付，各項(xiàng)性能均滿足要求。

6 結(jié)語

K1電動(dòng)機(jī)樣機(jī)成功研制，打破了國外壟斷、填補(bǔ)了國內(nèi)空白，其中全尺寸帶載LOCA鑒定試驗(yàn)為國際首次，提升了核級(jí)設(shè)備鑒定能力，提高了企業(yè)核心競爭力，為企業(yè)帶來可觀社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，成為中國核電名牌產(chǎn)品。目前，余熱排出系統(tǒng)(RRA)配套設(shè)備被列為國產(chǎn)化的重要項(xiàng)目，K1類電動(dòng)機(jī)研發(fā)成功確保了國家重點(diǎn)工程的順利實(shí)施。