反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)溫升試驗(yàn)研究

張智峰，彭航，謝細(xì)明，李健，霍蒙，賀斌

（1.中國核動力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213；2.中國核動力研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)所可靠性工程技術(shù)研發(fā)中心，成都 610213；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（Control Rod Drive Mechanism，CRDM，以下簡稱驅(qū)動機(jī)構(gòu)）是反應(yīng)堆控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是影響反應(yīng)堆運(yùn)行安全性的關(guān)鍵部件之一[1-4]。通過控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動控制棒組件在堆芯內(nèi)上下移動，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆反應(yīng)性的控制，從而完成反應(yīng)堆啟動、功率調(diào)節(jié)、功率維持、正常停堆和安全停堆[5-6]。

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)是主要的動力源，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子由耐高溫電磁線繞制在鐵芯后，外套金屬殼封裝而成，在電源驅(qū)動下提供旋轉(zhuǎn)或保持所需的電磁力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子完成旋轉(zhuǎn)、保持等規(guī)定動作。定子電磁線圈在電源驅(qū)動下會發(fā)熱，同時(shí)反應(yīng)堆堆芯的高溫也會傳遞到電磁線圈上。若沒有采取合適的冷卻措施來控制溫升，則會使電磁線圈溫度超過耐溫等級，造成絕緣失效，甚至定子燒毀，影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行[7-9]。國內(nèi)外常采用的冷卻方式有水冷和風(fēng)冷，其中風(fēng)冷方式利用空氣強(qiáng)迫冷卻定子電磁線圈，具有結(jié)構(gòu)簡單和方便維修的優(yōu)點(diǎn)，已被普遍應(yīng)用于控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的冷卻[10-15]。

為了更精確地獲得控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)溫升情況，文中研究了一套試驗(yàn)方法，模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，獲得了電機(jī)在不同工況下的溫升情況，完成了電機(jī)散熱能力評估，為電機(jī)散熱優(yōu)化和通風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案研究

1.1 電機(jī)工作模式

文中選取某工程用驅(qū)動機(jī)構(gòu)作為研究對象，該驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用的是交流異步電機(jī)，電機(jī)的主要工作模式有兩相通電、三相通電和旋轉(zhuǎn)。電機(jī)采用風(fēng)冷散熱，風(fēng)速為5 m/s和8 m/s，對應(yīng)的風(fēng)量分別為0.25 m3/s和0.4 m3/s。

1.2 溫度測量方法

電機(jī)溫度測試方法通常有電阻法、溫度計(jì)法、埋置檢溫計(jì)法等[16-20]。

1）電阻法。在一定溫度范圍內(nèi)，電機(jī)繞組的阻值隨著溫度的上升而增大，兩者存在一定的函數(shù)關(guān)系，可通過測量電阻來間接獲得繞組溫度。函數(shù)關(guān)系如（1）式所示。

式中：R0和Rf分別為繞組冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻，Ω；t0和tf分別為繞組冷態(tài)環(huán)境溫度和熱態(tài)環(huán)境溫度，℃；k為常數(shù)，對銅繞組線通常取235 ℃。由于測量的是整個(gè)繞組電阻，計(jì)算溫度為繞組平均溫度，無法反映繞組的局部高溫，因此測量結(jié)果不夠保守。

2）溫度計(jì)法。對電機(jī)中不能采用電阻法測量的部位，可采用溫度計(jì)法來測量表面溫度。溫度計(jì)有膨脹式溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì)及非埋置式熱電偶或電阻溫度計(jì)。

3）埋置檢溫計(jì)法。埋置檢溫計(jì)法是將電阻檢溫計(jì)、熱電偶或半導(dǎo)體熱敏元件埋置于電機(jī)內(nèi)，連接至外部的二次儀表測量溫度。此方法可根據(jù)需要測量繞組內(nèi)部任何位置的溫度，一般需要在繞線階段將測量元件埋置在繞組線內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)研究

1）自然散熱溫升試驗(yàn)。在不同工作模式（兩相通電、三相通電和旋轉(zhuǎn)）及通風(fēng)條件（通風(fēng)、斷風(fēng)）下，電機(jī)的運(yùn)行工況共有6種。為優(yōu)化工況數(shù)量，提高試驗(yàn)效率，在斷風(fēng)條件下對兩相通電、三相通電和旋轉(zhuǎn)3種工作模式的電機(jī)進(jìn)行自然散熱溫升試驗(yàn)，獲得定子繞組溫升最大工作模式和各種工作模式下的平衡溫度。

2）通風(fēng)試驗(yàn)。針對自然散熱溫升試驗(yàn)中找到的電機(jī)溫升最大工作模式，開展通風(fēng)試驗(yàn)，風(fēng)速為5 m/s和8 m/s，獲得不同風(fēng)速下定子繞組的平衡溫度。

3）斷風(fēng)試驗(yàn)。針對電機(jī)溫升最大工作模式開展斷風(fēng)試驗(yàn)，在定子繞組達(dá)到熱平衡后，切斷通風(fēng)，獲得不同通風(fēng)量下斷風(fēng)后繞組溫度達(dá)到安全限值的時(shí)間，即最大斷風(fēng)時(shí)間，為工程通風(fēng)的安全設(shè)計(jì)提供輸入。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 模擬通風(fēng)裝置及測溫點(diǎn)設(shè)計(jì)

模擬的通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)及溫度點(diǎn)布置如圖1所示。

2.2 電機(jī)溫度測點(diǎn)布置

試驗(yàn)中選用工業(yè)常用的熱電偶測量定子繞組溫度與定子外壁溫度，熱電偶布置在定子繞組（見圖2）和電機(jī)外殼上。

圖1 模擬通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)及溫度點(diǎn)布置Fig.1 Simulation ventilation device design and temperature measuring point arrangement

圖2 電機(jī)溫度測點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of motor temperature measuring points

3 結(jié)果及分析

3.1 自然散熱溫升試驗(yàn)

斷風(fēng)條件下，定子繞組在60 min內(nèi)的溫升情況如圖3所示。旋轉(zhuǎn)與三相通電工況的溫升相當(dāng)，均大于兩相通電工況。三相通電工況下，45～60 min內(nèi)，定子繞組溫度仍保持線性增長，而旋轉(zhuǎn)工況在該時(shí)間段內(nèi)溫升速度明顯放緩。推斷三相通電工況溫升實(shí)際大于旋轉(zhuǎn)工況，三相通電是電機(jī)發(fā)熱最大的一種工況。

圖3 不同工作模式自然散熱溫升試驗(yàn)溫升曲線Fig.3 Temperature rise curves of natural heat dissipation temperature rise test under different working modes

斷風(fēng)條件下，兩相通電工作模式的定子部件在285 min內(nèi)的溫升情況如圖4所示。電機(jī)繞組在150 ℃即達(dá)到平衡，低于工程要求的溫度限值（160 ℃）。該工作模式下，電機(jī)不需通風(fēng)冷卻。三相通電和旋轉(zhuǎn)工作模式下，定子繞組的發(fā)熱量顯著大于兩相通電工況，可判斷其平衡溫度超過溫度限值，必須進(jìn)行通風(fēng)冷卻，因此不再開展三相通電和旋轉(zhuǎn)工作模式下的平衡溫度試驗(yàn)。

圖4 兩相通電斷風(fēng)試驗(yàn)溫升曲線Fig.4 Temperature rise curves of cut-out test under two-phase energized condition

3.2 通風(fēng)試驗(yàn)

在自然散熱溫升試驗(yàn)中，得到電機(jī)溫升最大的工況為三相通電工況。該工況下，對電機(jī)進(jìn)行5 m/s、8 m/s風(fēng)速溫升試驗(yàn)，其結(jié)果分別如圖5所示。由圖5a可以看出，5 m/s風(fēng)速下，定子繞組的平衡溫度為150 ℃，低于工程要求的溫度限值（160 ℃）；定子繞組與外壁的最大溫差為80 ℃，出口風(fēng)、入口風(fēng)的溫差為4～6 ℃。由圖5b可以看出，8 m/s風(fēng)速下，定子繞組的平衡溫度為145 ℃，低于工程要求的溫度限值；定子繞組與外壁的最大溫差為90 ℃，出口風(fēng)、入口風(fēng)的溫差為4～6 ℃。

三相通電工況下，定子繞組溫度與定子繞組-外壁溫差、外壁溫度間的關(guān)系如圖6所示。在5 m/s風(fēng)速下，隨著定子繞組溫度的升高，定子繞組與外壁的溫差近似呈線性增長，達(dá)到熱平衡后，兩者的溫差在80 ℃以上；風(fēng)速加大到8 m/s后，外壁溫度顯著降低，但由于繞組溫度下降幅度不大，因此繞組與外壁的溫差進(jìn)一步增大至90 ℃以上。分析認(rèn)為，定子部件內(nèi)部聚集的熱量不能充分傳遞到定子外壁，影響了風(fēng)冷效果，在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。此外，試驗(yàn)過程中，入風(fēng)口、出風(fēng)口的溫差保持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，并未隨外壁溫度的升高而明顯增加，表明通風(fēng)對定子外壁的冷卻能力已達(dá)到飽和。

圖5 不同風(fēng)速下三相通電通風(fēng)試驗(yàn)溫升曲線Fig.5 Temperature rise curves of ventilation test under three-phase power-on condition at different wind speeds

圖6 熱態(tài)三相通電定子繞組-外壁溫差、外壁溫度擬合曲線Fig.6 Fitting curves of stator winding-outer wall temperature difference and outer wall temperature under hot three-phase energization conditions

3.3 斷風(fēng)試驗(yàn)

三相通電工況時(shí)，分別在5 m/s和8 m/s 2種風(fēng)速下對達(dá)到熱平衡后的定子繞組進(jìn)行斷風(fēng)試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

由表1可知，三相通電工況時(shí)，電機(jī)在5 m/s和8 m/s 2種風(fēng)速下的最大斷風(fēng)時(shí)間分別為15 min和22 min。8 m/s風(fēng)速下，定子繞組和定子外壁的溫度相比于5 m/s風(fēng)速下都更低。因此8 m/s風(fēng)速下，定子繞組的溫度上升到工程要求的溫度限值（160 ℃）所花的時(shí)間更長，即8 m/s風(fēng)速對應(yīng)的最大斷風(fēng)時(shí)間更長。

表1 三相通電通風(fēng)后斷風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of windbreak test after ventilation in threephase maintenance mode

4 結(jié)論

1）研究了一套驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)溫升試驗(yàn)方案，通過自然散熱溫升試驗(yàn)，獲得了定子繞組各種模式的溫升狀況及平衡溫度。在電機(jī)溫升最大工作模式下，進(jìn)行了不同風(fēng)速條件下的通風(fēng)試驗(yàn)。當(dāng)定子繞組在通風(fēng)試驗(yàn)中達(dá)到熱平衡后，切斷通風(fēng)，進(jìn)行斷風(fēng)試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得了典型工況下電機(jī)的溫升狀況，為電機(jī)散熱優(yōu)化和工程通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考。

2）斷風(fēng)條件下，電機(jī)溫升最大的工作模式為三相通電。斷風(fēng)條件下，兩相通電時(shí)，定子繞組的平衡溫度為150 ℃，低于工程要求溫度限值（160 ℃），該工況下不需通風(fēng)冷卻。

3）三相通電工況下，增大風(fēng)量可降低定子外壁溫度，提高定子繞組與定子外壁的溫差。

4）三相通電工況下，5 m/s和8 m/s風(fēng)速下的最大斷風(fēng)時(shí)間分別為15 min和22 min。