反應堆控制棒驅動機構電機溫升試驗研究

張智峰，彭航，謝細明，李健，霍蒙，賀斌

（1.中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，成都 610213；2.中國核動力研究設計院設計所可靠性工程技術研發(fā)中心，成都 610213；3.西南技術工程研究所，重慶 400039）

控制棒驅動機構（Control Rod Drive Mechanism，CRDM，以下簡稱驅動機構）是反應堆控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的執(zhí)行機構，是影響反應堆運行安全性的關鍵部件之一[1-4]。通過控制棒驅動機構帶動控制棒組件在堆芯內上下移動，實現對反應堆反應性的控制，從而完成反應堆啟動、功率調節(jié)、功率維持、正常停堆和安全停堆[5-6]。

控制棒驅動機構電機是主要的動力源，由定子和轉子組成。定子由耐高溫電磁線繞制在鐵芯后，外套金屬殼封裝而成，在電源驅動下提供旋轉或保持所需的電磁力，驅動轉子完成旋轉、保持等規(guī)定動作。定子電磁線圈在電源驅動下會發(fā)熱，同時反應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，影響反應堆正常運行[7-9]。國內外常采用的冷卻方式有水冷和風冷，其中風冷方式利用空氣強迫冷卻定子電磁線圈，具有結構簡單和方便維修的優(yōu)點，已被普遍應用于控制棒驅動機構的冷卻[10-15]。

為了更精確地獲得控制棒驅動機構電機溫升情況，文中研究了一套試驗方法，模擬電機實際運行環(huán)境，獲得了電機在不同工況下的溫升情況，完成了電機散熱能力評估，為電機散熱優(yōu)化和通風設計提供依據。

1 試驗方案研究

1.1 電機工作模式

文中選取某工程用驅動機構作為研究對象，該驅動機構采用的是交流異步電機，電機的主要工作模式有兩相通電、三相通電和旋轉。電機采用風冷散熱，風速為5 m/s和8 m/s，對應的風量分別為0.25 m3/s和0.4 m3/s。

1.2 溫度測量方法

電機溫度測試方法通常有電阻法、溫度計法、埋置檢溫計法等[16-20]。

1）電阻法。在一定溫度范圍內，電機繞組的阻值隨著溫度的上升而增大，兩者存在一定的函數關系，可通過測量電阻來間接獲得繞組溫度。函數關系如（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，對銅繞組線通常取235 ℃。由于測量的是整個繞組電阻，計算溫度為繞組平均溫度，無法反映繞組的局部高溫，因此測量結果不夠保守。

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

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

1.3 試驗研究

1）自然散熱溫升試驗。在不同工作模式（兩相通電、三相通電和旋轉）及通風條件（通風、斷風）下，電機的運行工況共有6種。為優(yōu)化工況數量，提高試驗效率，在斷風條件下對兩相通電、三相通電和旋轉3種工作模式的電機進行自然散熱溫升試驗，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）通風試驗。針對自然散熱溫升試驗中找到的電機溫升最大工作模式，開展通風試驗，風速為5 m/s和8 m/s，獲得不同風速下定子繞組的平衡溫度。

3）斷風試驗。針對電機溫升最大工作模式開展斷風試驗，在定子繞組達到熱平衡后，切斷通風，獲得不同通風量下斷風后繞組溫度達到安全限值的時間，即最大斷風時間，為工程通風的安全設計提供輸入。

2 試驗裝置設計

2.1 模擬通風裝置及測溫點設計

模擬的通風裝置設計及溫度點布置如圖1所示。

2.2 電機溫度測點布置

試驗中選用工業(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）和電機外殼上。

圖1 模擬通風裝置設計及溫度點布置Fig.1 Simulation ventilation device design and temperature measuring point arrangement

圖2 電機溫度測點布置Fig.2 Arrangement of motor temperature measuring points

3 結果及分析

3.1 自然散熱溫升試驗

斷風條件下，定子繞組在60 min內的溫升情況如圖3所示。旋轉與三相通電工況的溫升相當，均大于兩相通電工況。三相通電工況下，45～60 min內，定子繞組溫度仍保持線性增長，而旋轉工況在該時間段內溫升速度明顯放緩。推斷三相通電工況溫升實際大于旋轉工況，三相通電是電機發(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溫升曲線Fig.3 Temperature rise curves of natural heat dissipation temperature rise test under different working modes

斷風條件下，兩相通電工作模式的定子部件在285 min內的溫升情況如圖4所示。電機繞組在150 ℃即達到平衡，低于工程要求的溫度限值（160 ℃）。該工作模式下，電機不需通風冷卻。三相通電和旋轉工作模式下，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，必須進行通風冷卻，因此不再開展三相通電和旋轉工作模式下的平衡溫度試驗。

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

3.2 通風試驗

在自然散熱溫升試驗中，得到電機溫升最大的工況為三相通電工況。該工況下，對電機進行5 m/s、8 m/s風速溫升試驗，其結果分別如圖5所示。由圖5a可以看出，5 m/s風速下，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、入口風的溫差為4～6 ℃。由圖5b可以看出，8 m/s風速下，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、入口風的溫差為4～6 ℃。

三相通電工況下，定子繞組溫度與定子繞組-外壁溫差、外壁溫度間的關系如圖6所示。在5 m/s風速下，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，達到熱平衡后，兩者的溫差在80 ℃以上；風速加大到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一步增大至90 ℃以上。分析認為，定子部件內部聚集的熱量不能充分傳遞到定子外壁，影響了風冷效果，在后續(xù)設計中應進行改進。此外，試驗過程中，入風口、出風口的溫差保持在相對穩(wěn)定的范圍內，并未隨外壁溫度的升高而明顯增加，表明通風對定子外壁的冷卻能力已達到飽和。

圖5 不同風速下三相通電通風試驗溫升曲線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 斷風試驗

三相通電工況時，分別在5 m/s和8 m/s 2種風速下對達到熱平衡后的定子繞組進行斷風試驗，結果見表1。

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

表1 三相通電通風后斷風試驗結果Tab.1 Results of windbreak test after ventilation in threephase maintenance mode

4 結論

1）研究了一套驅動機構電機溫升試驗方案，通過自然散熱溫升試驗，獲得了定子繞組各種模式的溫升狀況及平衡溫度。在電機溫升最大工作模式下，進行了不同風速條件下的通風試驗。當定子繞組在通風試驗中達到熱平衡后，切斷通風，進行斷風試驗。試驗獲得了典型工況下電機的溫升狀況，為電機散熱優(yōu)化和工程通風設計提供了參考。

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

3）三相通電工況下，增大風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風速下的最大斷風時間分別為15 min和22 min。