屏蔽主泵电机定子绕组腔密封设计

屏蔽主泵电机定子绕组腔密封设计
王超;李藏雪;张进宝;石阳;谷凤玲
【摘要】根据屏蔽主泵电机定子密封腔结构的特殊性、技术复杂、制造难度大等
特点,重点分析了大型屏蔽主泵电机密封腔的结构特点及关键技术,并提出了与轴封
主泵的不同之处.为确保主泵设备的安全运行,提供了可靠的依据.
【期刊名称】《防爆电机》
【年(卷),期】2015(050)005
【总页数】3页(P11-13)
【关键词】反应堆冷却剂泵;屏蔽电机;定子腔;密封
【作者】王超;李藏雪;张进宝;石阳;谷凤玲
【作者单位】哈尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江哈尔滨150040;哈
尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨电气动力装备有限公司,
黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江哈尔滨150040
【正文语种】中文
【中图分类】TM303.1
屏蔽主泵早期曾用于试验性的商用堆，其后的商用核电厂逐渐采用轴封主泵。

大型屏蔽主泵用于核电厂设计代表是某公司AP600压水堆核电厂，主要是借鉴沸水堆的安全理念，采用屏蔽泵防止高温、高压、带高辐射冷却剂泄露，在此基础上发展AP1000三代非能动商用核电厂，是大型屏蔽主泵首次工程应用。

屏蔽主泵是立式、
单级、无轴封、高惯量离心泵，主泵通过螺栓将机座与泵壳连接并采用“C”形环焊接密封，其屏蔽电机系立式、水冷式感应电动机，一般设计为三相、四极笼型且具有较高的转动惯量。

由于主泵采用的无轴封结构要求，其定子绕组腔具有较大的设计和制造难度，也是影响电机60年设计寿命重要因素，本文重点分析屏蔽主泵电机定子绕组腔设计特点及影响其使用寿命的重要因素。

电机定子腔由机壳、铁心、定子绕组、屏蔽套、屏蔽套支撑结构等主要零部件组成。

机壳内热装定子铁心，定子铁心由整圆冲片叠制而成，定子冲片采用开口槽，线圈下线后，槽口用高强度陶瓷槽楔填充，铁心段内圆和端部的分段支撑结构共同构成屏蔽套的背部支撑，屏蔽套两端与机座焊接形成密封的绕组腔。

2．1 结构功能
2．1．1 承压边界组成部分
屏蔽电机机座是构成电机定子腔的组成部分，且是反应堆一回路压力边界的一部分。

2．1．2 压力边界的电气贯穿件
定子腔绕组供电的引出线为电气贯穿件，其装配应符合 ASME锅炉及压力容器规
范第三卷NB-1140的规定。

2．1．3 绕组密封腔
通过定子屏蔽套与机壳的焊接结构形成绕组密封腔，使绕组组件与反应堆冷却剂隔离。

承受17．2Mpa的设计压力。

2．2 电气功能
定子在变频器供电工况范围内实现主泵屏蔽电机定子的电气功能，形成旋转磁场，为转子负载提供大于5000kW的能量。

要求电机体积尽可能小，确保在额定条件
下最大绕组表面温度小于200℃，且与主泵同为60年寿命要求。

若电机在通电前具有反向转速，速度大小为全转速的0～85%，变频器使电机产生一个减速转矩，并将转子的储能反馈回电网。

2．3 检测功能
定子绕组两端部和中部的绕组三相温度监测。

2．4 电站系统要求功能
主泵定子腔满足核电站系统抽真空再充的调试工况要求。

3．1 机壳按一次压力边界件设计，采用分段焊接结构。

上段与泵壳通过主螺栓连接，中段为支撑定子铁心段，两段不与反应堆冷却剂直接接触，材料选用低合金钢，下部内表面要与反应堆冷却剂直接接触，选用不锈钢，与中段通过堆焊过渡金属的全渗透焊接进行连接，并进行射线探伤进行检测。

3．2 定子铁心是整圆冲片叠压，两端由不锈钢的齿压板固定而组成的。

在定子铁
心内压下，将拉筋焊在定子铁心外径上的轴向槽内以固定铁心。

保证铁心装压紧密，装压过程采用特殊工艺和工具，在特殊芯轴上装压、焊接铁心，使定子铁心内圆形成一个相对坚固的表面，保证对屏蔽套起到良好支撑作用。

叠片冲片材料为无取向硅钢片冲制而成，采取工艺措施严格控制叠片毛刺的最大高度。

硅钢片上涂了一层薄的水溶性无机填料的高电阻绝缘漆以减小损耗，这对叠片的叠压系数影响很小。

3．3 定子绕组及绝缘
定子绕组设计为在最大负载下能够运行60年，其绝缘系统超过N级绝缘的要求，温度大于200℃的情况下满足设计寿命要求。

绝缘的系统参照IEEE 275进行测试，在300℃、320℃、340℃、360℃和380℃进行测试的寿命相比较，推算出的定
子绕组的使用寿命。

设计选择高寿命的防电晕和硅树脂绝缘材料，保证电机较低的温度以达到不降低材料的绝缘性，定子下线后，绕组进行特殊的真空压力浸漆，保证良好的绝缘性和散热性。

3．4 定子屏蔽套
定子内腔装有屏蔽套，防止定子线圈和绝缘层与循环于电机内的反应堆冷却剂接触。

屏蔽套材料为非磁性、高电阻率、约0．4mm厚的 Hastelloy C-276镍基合金钢板，采用专用的精剪、滚筒成型、焊接设备制造完成，屏蔽套上下两端分别与机座焊接形成屏蔽腔室，为检验屏蔽套及焊缝，要进行严格水压、气压试验和氦检漏检查。

4．1 定子绕组腔密封性设计与检测
定子腔存在着多种密封结构，包括定子屏蔽套自身的纵向焊缝、机座上下与屏蔽套环焊缝、定子绕组供电引出线陶瓷焊接密封结构、定子绕组测温引线结构、系统抽真空再填充结构密封。

复杂结构的密封可靠性是影响定子腔绝缘寿命的重要因素，必须采用有效的试验来检测其密封性。

定子内腔先进行水压试验，试验完成后保持压力，然后在屏蔽套与机壳之间充入高压惰性气体进行检漏，为了保护屏蔽套，此过程要求保证定子内腔水的压力必须比氮气压力高。

氮气检漏完后进行抽真空及氦气检漏，先是抽真空，达到一定真空度后往定子内腔里充入高压氦气进行检漏。

主要方法是在定子屏蔽套形成的转子腔进行水压检验，检测屏蔽套相关焊缝的强度。

施加的压力在1．25倍的设计压力，保持压力，对全部的外表面进行目视检验，
任何的泄漏或压力下降都应被视为失败。

定子高压惰性气体泄露试验，在已经完成的水压检验的条件，对定子绕组腔加压是通过用约1．1倍的惰性气体进行定子腔检测，通过阀门对定子绕组腔加压和减压，过程要分阶段缓慢进行，并在保持压力的情况下评估试验。

高压氦气检测试验用氦气对转子腔中心孔施加压力分阶段平均加压，直到约0．8倍的设计压力，记录每一次加压时的氦气泄漏率及保压情况。

4．2 定子绕组腔热分析设计
屏蔽电机不但损耗高，且损耗主要集中在定、转子屏蔽、定子铁心、定子绕组、转子外表面、飞轮表面、轴承等位置，这些损耗主要与电机的电磁参数如电流、磁密、转速、材料及结构有关，在设计中的参数选择时需要综合考虑。

定子屏蔽套特殊结构使定子绕组腔成为一个封闭区域，造成定子铁心和绕组的冷却
只能靠温度梯度产生的热传导散热。

绕组端部由于散热困难，是温度场中的热点，必须进行绕组最大表面温度热分析。

屏蔽电机的冷却措施及温升控制是保证设计寿命的关键。

因此一方面，屏蔽电机绕组的绝缘级别选用尽可能高;另一方面，必须采取多种有效的冷却来降低电机绕组
腔各部分温度，并设计有绕组温度检测报警及停机装置。

下线后的定子进行浸漆处理可以增强绕组腔中线圈的端部和渐开线部分的热量传导，以确保电机在额定条件下绕组表面最大温度不超过200℃，且能够排除线圈周围和线圈之间的空气，防
止局部放电。

定子腔定子屏蔽段损耗大，为了保证该部分的散热，除要保证内部冷却水的流量外，还应保证该部分的流体的流速，以增强换热能力。

另外可在机壳外设计冷却夹套，专为定子绕组冷却。

4．3 定子绕组腔屏蔽套结构分析
屏蔽套结构分析是屏蔽电机定子腔设计分析的核心内容，目的是评估在主泵设计规范中规定的设计瞬态工况(包括事故工况)中压力、温度、转速变化对定子屏蔽套相关结构的完整性的影响。

主要分析内容为定子屏蔽套的外压失稳、摩擦长度、热应力屈曲、径向疲劳和轴向疲劳，分析结构包括铁心槽处和铁心端部定子屏蔽套支撑结构、定子屏蔽套自身的纵向焊缝、机座上、下部与屏蔽套环焊缝，需要通过模拟件测试和有限元分析相结合的方法。

屏蔽电机主泵定子绕组腔及屏蔽套的设计结构理论上彻底消除了轴封潜在的泄漏根源，但大型屏蔽电机泵的设计制造存在相对大的难度，其中定子绕组腔密封性设计、热分析和屏蔽套结构分析是其设计的关键技术之一。

屏蔽套的成型和安装、定子腔密封性检测是制造和试验的难点，对其进行深入的分析研究，并在设计制造中遵循核安全理念，保证主泵设备的技术上可行、运行上可靠，对我国核电事业的发展必将产生重大影响。

【相关文献】
［1］黄经国．PWR冷却剂主循环泵的技术经历和和发展［J］．水泵技术，2009．4．
［2］林诚格．非能动安全先进压水堆核电技术［M］．北京:原子能出版社，2010．10．
［3］李梦启．AP1000三代核电反应堆冷却剂泵屏蔽电机的技术特点［J］．大电机技术，2009．［4］柴文虎．屏蔽套纵焊缝焊接工艺研究［J］．大电机技术，2014．。