某核電廠主泵電機(jī)的損耗分析與探討

李虎

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院）

某核電廠主泵電機(jī)的損耗分析與探討

李虎

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院）

本文介紹了某核電廠主泵電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)軸封電機(jī)存在反應(yīng)堆冷卻劑泄漏隱患的可能性，為核電廠的安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。但是目前該類型電機(jī)的設(shè)計(jì)方案損耗較大、效率較低，主要原因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)部屏蔽套的采用加大了定轉(zhuǎn)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(jī)學(xué)原理的角度出發(fā)，全面系統(tǒng)地分析主泵電機(jī)的損耗類型，并探討了提高電機(jī)效率的設(shè)想。

主泵電機(jī)；核電廠；耦合；損耗；效率

0 引言

隨著我國改革開發(fā)進(jìn)程的逐步深入、國民經(jīng)濟(jì)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?jiān)實(shí)的外部基礎(chǔ)。然而作為核電廠內(nèi)部的用電負(fù)荷，特別是電機(jī)設(shè)備也同樣承擔(dān)著節(jié)約能源的重任，因?yàn)楦鞣N風(fēng)機(jī)、泵、閥場合都需要不同類型電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。因此如何選用一臺(tái)合適的電機(jī)就是各相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)重要課題。

反應(yīng)堆冷卻劑泵（主泵）作為核電廠一回路唯一的能動(dòng)部件，是核電廠的心臟。某核電廠主泵電機(jī)相對(duì)與傳統(tǒng)軸封泵電機(jī)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)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(shí)，其設(shè)計(jì)壽命為60年，也極大地降低了維護(hù)成本，基本上消除了電機(jī)定期檢查的要求。然而，主泵電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，為了配合被驅(qū)動(dòng)裝置的特性，其設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)是有區(qū)別的，主要包括如下方面：①電機(jī)上下兩端各有一個(gè)飛輪，其能耗較高；②由于電機(jī)安裝于屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其溫升較高，對(duì)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了十分高的要求；③定轉(zhuǎn)子之間設(shè)置了兩個(gè)屏蔽套，主要為了與一回路的冷卻介質(zhì)相互隔絕，這必然會(huì)增加空氣隙厚度，也相應(yīng)地降低電機(jī)的效率。

下面，先從電機(jī)學(xué)原理入手分析，并以某核電廠主泵電機(jī)作為分析實(shí)例，最后為提高效率提出設(shè)想。

1 電機(jī)損耗分析的理論依據(jù)

作為能量轉(zhuǎn)換的傳遞者，電機(jī)通過電磁場將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為工藝系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)各種功能。

在電壓源供電下，電流是一個(gè)未知量，求解電機(jī)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(gè)整體來統(tǒng)一求解，該方法已廣泛應(yīng)用于電機(jī)和變壓器分析中。場用Maxwell方程來描述，路用Kirchhoff方程描述，運(yùn)動(dòng)方程用轉(zhuǎn)矩平衡來描述，最后把磁矢量位A與電流i同時(shí)作為變量來求解［1、6］。

在存在渦流區(qū)域內(nèi)，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(biāo)量位；J為電流密度；s為電導(dǎo)率；u和i勵(lì)磁電壓和電流；e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；R為線圈電阻；Ls為漏感。隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)矩通過Maxwell張量法求得。

2 電機(jī)的損耗類型分析

全面準(zhǔn)確地對(duì)電機(jī)在不同運(yùn)行工況下的損耗分析具有十分重要的作用，它將指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)，也為提高效率提供了基礎(chǔ)。下面將分兩種運(yùn)行工況對(duì)電機(jī)的損耗進(jìn)行全面描述和分析［2-4］。

2.1 空載運(yùn)行工況

空載運(yùn)行是指電機(jī)不拖動(dòng)負(fù)載下的運(yùn)行工況，輸出有效轉(zhuǎn)矩為零。但與變壓器不同的是，即使在空載下，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子之間也是有能量傳遞的，這部分電磁能，除了滿足轉(zhuǎn)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(jī)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(guān)系見圖1。

圖1 空載下電機(jī)內(nèi)部損耗關(guān)系圖

需注意的是，空載試驗(yàn)最好是在負(fù)載試驗(yàn)結(jié)束之后才進(jìn)行。根據(jù)文獻(xiàn)［5］的推薦方法，對(duì)被試電機(jī)施加額定頻率下的不同電壓，一般根據(jù)原則選取7個(gè)電壓點(diǎn)，按電壓從高到低的順序進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 負(fù)載運(yùn)行工況

負(fù)載運(yùn)行是指電機(jī)拖動(dòng)各種類型負(fù)載的運(yùn)行工況，包括泵、風(fēng)機(jī)和閥門等類型負(fù)荷。電機(jī)輸入功率在克服上述空載損耗和其他損耗之后，電機(jī)轉(zhuǎn)軸即可輸出有效轉(zhuǎn)矩，即輸出功率P2=2πnT。

在負(fù)載運(yùn)行下，轉(zhuǎn)子中將出現(xiàn)感應(yīng)電流，也將產(chǎn)生轉(zhuǎn)子繞組損耗 Pcur，根據(jù)電機(jī)學(xué)原理， Pcur等于轉(zhuǎn)差率與定轉(zhuǎn)子間電磁傳遞功率的乘積，也可以表示為

為了精確計(jì)算考慮，在負(fù)載工況下，還需要考慮負(fù)載雜散損耗 PLLLL。它是負(fù)載電流在有效鐵心及除導(dǎo)體之外的其他金屬中引起的損耗，還同時(shí)考慮了因磁通脈動(dòng)而產(chǎn)生的電流在電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組引起的渦流損耗。一般來說 PLLLL與輸出轉(zhuǎn)矩的平方成線性關(guān)系。這些損耗關(guān)系見圖2。

圖2 負(fù)載下電機(jī)內(nèi)部損耗與功率關(guān)系圖

需注意的是，負(fù)載試驗(yàn)必須在額定負(fù)載熱試驗(yàn)結(jié)束之后才能進(jìn)行，這主要是為了保證定轉(zhuǎn)子繞組溫度已達(dá)到熱平衡狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)［5］的推薦方法，對(duì)被試電機(jī)施加額定頻率下的不同電壓，一般根據(jù)原則選取6個(gè)負(fù)載點(diǎn)，按負(fù)載率從高到低的順序進(jìn)行試驗(yàn)，并盡快完成試驗(yàn)，以減少因溫度變化引起的試驗(yàn)誤差。

3 某核電廠主泵電機(jī)的空載損耗分析

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

空載試驗(yàn)時(shí)輸入功率減去該試驗(yàn)溫度時(shí)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(jì)算得到。由于主泵電機(jī)結(jié)構(gòu)中引入了定子屏蔽套和轉(zhuǎn)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(duì)主泵電機(jī)在60Hz下的空載損耗的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出，橫坐標(biāo)為空載線電壓的平方，縱坐標(biāo)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(yàn)證了鐵耗與空載線電壓的平方具有線性關(guān)系。

4 提高主泵電機(jī)效率的設(shè)想

經(jīng)過上述從理論算法到試驗(yàn)測(cè)量等結(jié)果可以看出，該主泵電機(jī)的電磁場與損耗分析完全可用傳統(tǒng)電磁場理論進(jìn)行分析。

從主泵電機(jī)特殊的型式結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)結(jié)果可知，該主泵電機(jī)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(jīng)過分析，前者主要是由飛輪產(chǎn)生，后者是由屏蔽套產(chǎn)生。因此若想提高現(xiàn)有主泵電機(jī)的效率，必須從這兩方面進(jìn)行著手，改善電機(jī)結(jié)構(gòu)以實(shí)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(jié)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(jī)的在不同運(yùn)行工況下的各種損耗類型，然后再以某核電廠主泵電機(jī)的空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析作為驗(yàn)證本文分析方法的正確性。最后從兩個(gè)重要方面為提高現(xiàn)有主泵電機(jī)的效率提出了設(shè)想。

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

［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(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能［S］.

［3］ GB/T 1032—2012 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法［S］.

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

［5］ GB/T 20137—2006 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)損耗和效率的確定方法［S］.

［6］李虎，蔣曉華，畢大強(qiáng)，等.永磁同步電動(dòng)機(jī)中永磁體的三維渦流分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2009，49（8）：1085-1088.

2016-06-05）