核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣技術(shù)研究與發(fā)展

祁世發(fā)方建國劉 洋劉亞麗

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核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣技術(shù)研究與發(fā)展

祁世發(fā)1，2，方建國1，2，劉 洋1，2，劉亞麗3

（1.黑龍江省核主泵工程技術(shù)研究中心，哈爾濱，150040；2.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限責(zé)任公司，哈爾濱，150040； 3.機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100070）

核主泵在反應(yīng)堆核島內(nèi)運(yùn)行，始終受到核島內(nèi)高能射線的輻射作用，因此，電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)承受高能射線的水平，是核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要條件。絕緣結(jié)構(gòu)的快速熱老化評(píng)定試驗(yàn)是絕緣系統(tǒng)的耐熱等級(jí)和熱壽命的科學(xué)評(píng)定方法，為核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了科學(xué)的依據(jù)。

核主泵電動(dòng)機(jī)；絕緣；核輻射；快速熱老化

0 前言

核電能源因其清潔、高效、安全、可靠及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，越來越被人們所用。核主泵用于核反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)，又稱冷卻劑強(qiáng)制循環(huán)泵。核主泵要求能在潮濕環(huán)境、工況多變、有強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)的情況下，保障反應(yīng)堆冷卻劑在高溫、高壓力、強(qiáng)放射性的條件下安常循環(huán)。核主泵是反應(yīng)堆核島內(nèi)的核一級(jí)安全部件，是關(guān)鍵配套設(shè)備之一，也是國際上核禁運(yùn)設(shè)備之一。

目前具有設(shè)計(jì)制造核主泵能力的公司主要有：美國西屋/EMD、法馬通/日蒙、德國KSB、奧地利Andritz、日本三菱、俄羅斯ASE/SUMY等。

核主泵主要由泵和電動(dòng)機(jī)組成。核主泵分為：（1）軸封式，即泵與電動(dòng)機(jī)分體，中間由聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。電動(dòng)機(jī)為立式、空冷異步電動(dòng)機(jī)；（2）無軸封式，即泵與電動(dòng)機(jī)由同一根軸聯(lián)成一體。電動(dòng)機(jī)為立式，水冷屏蔽型異步電動(dòng)機(jī)。

本文主要介紹哈電動(dòng)裝公司核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣技術(shù)的研究和發(fā)展情況。

1 高能輻射對(duì)絕緣材料性能的影響[1]

核主泵在反應(yīng)堆核島內(nèi)運(yùn)行，因此核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣要承受射線的輻射。射線、Χ射線、快中子具有很高的穿透力，絕緣材料多為化學(xué)高分子聚合物，在高能輻射下可引起其分子的電離或激發(fā)，當(dāng)其劑量達(dá)到一定量值時(shí)，使絕緣材料發(fā)生裂解老化。絕緣材料耐輻照水平，判斷標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60544-4-2003[16](原IEC60544-3-1979[15])，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：性能考核標(biāo)準(zhǔn)為表面電阻率和體積電阻率及絕緣電阻保持在原始值的90%以上；電氣強(qiáng)度及機(jī)械強(qiáng)度保持在原始值的50%以上。

2 絕緣系統(tǒng)各組份的耐輻射性能

核主泵電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件要求其電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)必須能夠承受一定劑量的輻射累計(jì)劑量[2]，本文中電機(jī)繞組所受到的累計(jì)輻射吸收劑量為2×105Gy及以上。

2.1 電磁線絕緣

電磁線由銅導(dǎo)體及絕緣組成。下列5種電磁線在空氣中耐受2×105Gy輻射前后的電氣擊穿水平、彎曲性能和附著性能一致，在核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

（1）有機(jī)硅雙玻璃纖維繞包銅扁線[3]；

（2）雙玻聚酰亞胺-氟46復(fù)合薄膜繞包銅扁線[5]，

（3）聚酰亞胺-氟46復(fù)合薄膜銅扁線[4]；

（4）240級(jí)聚酰亞胺漆包銅扁線；

（5）單玻防電暈（三層復(fù)合）漆包圓銅繞組線。

2.2 云母帶[11]

電動(dòng)機(jī)絕緣中的云母帶由膠粘劑、云母紙和補(bǔ)強(qiáng)材料組合而成，哈電動(dòng)裝公司主泵電動(dòng)機(jī)主絕緣云母帶有以下幾種。

2.2.1 F級(jí)環(huán)氧少膠粉云母帶

F級(jí)環(huán)氧玻璃少膠粉云母帶和環(huán)氧薄膜少膠粉云母帶耐輻照（2×105Gy）性能見表1。

表1 F級(jí)環(huán)氧少膠云母帶輻照前后性能

2.2.2 220級(jí)少膠粉云母帶

220級(jí)少膠粉云母帶為厚粉紙?jiān)颇笌?。?列出了國產(chǎn)粉云母帶與進(jìn)口粉云母帶輻照（2×105Gy）前后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 220級(jí)少膠云母帶輻照前后性能

2.2.3 H級(jí)少膠粉云母帶

H級(jí)少膠粉云母帶可分為玻璃粉云母帶、聚酰亞胺薄膜玻璃粉云母帶等，以二苯醚衍生物為膠粘劑。表3為聚酰亞胺薄膜玻璃粉云母帶的輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3 浸漬樹脂

2.3.1 環(huán)氧型無溶劑浸漬樹脂

表4給出了環(huán)氧酸酐浸漬樹脂和環(huán)氧硼胺浸漬樹脂輻照前后測(cè)試數(shù)據(jù)。

從表4可見，這兩種F級(jí)環(huán)氧型浸漬樹脂均可在輻照累積劑量5×105Gy范圍內(nèi)使用。

表3 H級(jí)聚酰亞胺薄膜玻璃粉云母帶輻照前后性能

表4 環(huán)氧浸漬樹脂輻照前后性能

2.3.2 聚酯亞胺無溶劑浸漬樹脂[7]

聚酯亞胺無溶劑浸漬樹脂由單組份不飽和聚酯亞胺和活性單體苯乙烯組成，具有耐熱等級(jí)高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、粘接強(qiáng)度高、機(jī)電性能優(yōu)越、耐溶劑、耐潮濕、耐腐蝕、耐輻照、貯存期長(zhǎng)及浸透性好、固化快、固化溫度低等特點(diǎn)。耐熱等級(jí)180級(jí)和200級(jí)聚酯亞胺型浸漬樹脂耐輻照數(shù)據(jù)見表5。

表5 聚酯亞胺浸漬樹脂輻照前后性能

2.3.3 有機(jī)硅無溶劑浸漬樹脂

有機(jī)硅無溶劑浸漬樹脂輻照前后電氣性能測(cè)試見表6。

表6有機(jī)硅無溶劑浸漬樹脂輻照前后性能

項(xiàng)目體積電阻率表面電阻率介質(zhì)損耗因數(shù)電氣強(qiáng)度 單位MΩ·mMΩ%MV/m 原始值5.77×1083.54×1080.14423.6 2×105Gy4.67×1086.1×108

3 核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的特殊要求

核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)與普通電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)不同之處：

（1）要求絕緣系統(tǒng)承受輻照累積劑量達(dá)1×105Gy；

（2）電動(dòng)機(jī)為立式則要求定子繞組加強(qiáng)線圈固定，定子繞組固定方式與普通電動(dòng)機(jī)定子繞組固定方式不同；

（3）絕緣系統(tǒng)運(yùn)行壽命長(zhǎng)[6]，一般電機(jī)為20年，軸封電動(dòng)機(jī)以前要求30年，現(xiàn)在要求達(dá)40年，屏蔽電動(dòng)機(jī)要求60年；

（4）要求絕緣系統(tǒng)防潮、防霉，并具有優(yōu)異的抗沖擊和抗振動(dòng)性能；

（5）由于電動(dòng)機(jī)外形尺寸受到接口尺寸和空間的限制，要求電機(jī)外形尺寸最?。?/p>

（6）目前核主泵電動(dòng)機(jī)定子絕緣系統(tǒng)耐熱等級(jí)高達(dá)220級(jí)。

4 核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代初，哈電開始為核動(dòng)力裝置配套自主研究設(shè)計(jì)屏蔽式核主泵電動(dòng)機(jī)，從380V、8kW、H級(jí)屏蔽核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)到目前的6.9kV、6000kW、220級(jí)屏蔽核主泵電動(dòng)機(jī)[12]、軸封式電動(dòng)機(jī)由無到有，額定電壓由6kV到6.6kV、功率由4500kW到8000kW絕緣系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用。

4.1高壓大容量屏蔽式電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)

為配合我國第三代百萬千瓦級(jí)壓水堆核電站工程的設(shè)計(jì)和制造，引進(jìn)了高壓大容量核主泵屏蔽式電動(dòng)機(jī)技術(shù)，其絕緣結(jié)構(gòu)見表7。

以兩種國產(chǎn)材料和進(jìn)口材料制作的定子模擬線棒，經(jīng)輻照前后的介質(zhì)損耗角正切（tan）和擊穿電壓的測(cè)試值見表8。

三種材料制作的定子模擬繞組輻照前后的耐熱老化和壽命評(píng)定的結(jié)果見表9和表10。

經(jīng)過各項(xiàng)絕緣性能試驗(yàn)和耐熱老化評(píng)定可證明：國產(chǎn)化的、自主設(shè)計(jì)的高電壓、大容量核主泵屏蔽式電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的絕緣水平與進(jìn)口的、引進(jìn)的電動(dòng)機(jī)絕緣水平相當(dāng)。

表7 變頻啟動(dòng)屏蔽電動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求和絕緣結(jié)構(gòu)[14]

表8 模擬線棒輻照前后的tanδ和擊穿電壓值（平均值）

表9 定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)溫度指數(shù)(TI)

表10 定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)60年絕緣壽命對(duì)應(yīng)最高運(yùn)行溫度

4.2 軸封式核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)[13]

軸封式核主泵主要用于二代和二代加壓水堆核電站工程。

4.2.1 定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)

C1型定子繞組主絕緣采用中膠云母帶、整體VPI浸漬工藝[9]；C3型和二代加線圈主絕緣采用少膠云母帶、整體VPI浸漬工藝[8]。C3型和二代加線圈主絕緣厚度比C1型薄。

4.2.2 耐輻射性能

圖1為C3型和二代加模擬絕緣結(jié)構(gòu)與C1型模擬絕緣結(jié)構(gòu)的常態(tài)介質(zhì)損耗角正切（tgδ）；表11為擊穿電壓數(shù)據(jù)。

圖1 模擬絕緣結(jié)構(gòu)輻照前后常態(tài)介質(zhì)損耗正切曲線（額定電壓為6kV）

表11模擬絕緣結(jié)構(gòu)輻照前后擊穿電壓值

型號(hào)C1型(kV)C3型和二代加(kV) 未輻照64 5192.6 82.4 80.9 88.3 93.2 2×105Gy67 6385.3 78.8 79.6 75.8 74.3

4.2.3 耐熱性評(píng)定[10]

C1型絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)為162℃，熱壽命超過50年。C3型和二代加絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)為174.5℃，在130℃運(yùn)行溫度下，壽命為63.3年。

5 結(jié)語

近年來，隨著國際國內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展的進(jìn)步，我國核主泵屏蔽電動(dòng)機(jī)絕緣技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前，哈電動(dòng)裝公司核主泵屏蔽電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)額定電壓由380V提升到6.9kV、耐熱等級(jí)由H級(jí)提升到220級(jí)，容量由8kW增容到6000kW，絕緣系統(tǒng)耐熱壽命由15年、20年、30年提高到60年。

軸封式電動(dòng)機(jī)由無到有，額定電壓有6kV及6.6kV、功率由4500kW增容到了8000kW。

核主泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式由正常起動(dòng)發(fā)展到變頻起動(dòng)。

這一切都標(biāo)志著我國核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣技術(shù)在不斷的發(fā)展和進(jìn)步。近二十年來哈電動(dòng)裝公司核主泵電機(jī)產(chǎn)品安全運(yùn)行實(shí)踐表明，我國核主泵電動(dòng)機(jī)絕緣技術(shù)水平已達(dá)到了世界一流水平。

電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的快速熱老化評(píng)定試驗(yàn)為核主泵電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

[1] 桂林電器科學(xué)研究三室. 電工絕緣材料耐高能輻射性綜述[J]. 絕緣通訊, 1976, (4).

[2] 張東林, 石宵峰, 王旭輝. 核電耐輻照電動(dòng)機(jī)絕緣的發(fā)展[C]//中國電工學(xué)會(huì). 第六屆全國工程電介質(zhì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 常州: 1998.

[3] 赫兟, 石宵峰, 張東林. 核動(dòng)力裝置用屏蔽電動(dòng)機(jī)的絕緣.絕緣材料[J]. 2001, (2).

[4] 葉學(xué)淳. C級(jí)變頻交流牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)研究.上海大中型電機(jī), 2002, (1).

[5] 石宵峰.核電用屏蔽電動(dòng)機(jī)絕緣. 大電機(jī)技術(shù), 2002, (1).

[6] 張蕊.預(yù)測(cè)大電機(jī)絕緣壽命方法綜述.大電機(jī)技術(shù)，2004. (4).

[7] 孫雅玲, 張東林. H級(jí)聚酯亞胺硅鋼片漆的研制與應(yīng)用[J]. 上海大中型電機(jī), 2005, (2).

[8] 祁世發(fā), 朱姍姍, 張東林. 哈電大中型交流電機(jī)LD-F絕緣體系[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2010, (8).

[9] 孫雅玲, 劉洋, 張東林. 我國高壓交流電壓絕緣技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[C]//交直流電機(jī)行業(yè)技術(shù)交流會(huì)論文匯編, 哈爾濱: 中國電工學(xué)會(huì), 2010.

[10] 宋傳生.高壓電動(dòng)機(jī)絕緣老化診斷與壽命評(píng)價(jià). 防爆電機(jī), 2011 , (4).

[11] 管兆杰.國內(nèi)電機(jī)絕緣材料和工藝及絕緣結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析.電機(jī)與控制應(yīng)用, 2011，(4).

[12] 刁立民，李藏雪. 新型高溫高壓屏蔽電機(jī)的研制. 防爆電機(jī), 2013 , (1).

[13] 劉洋, 祁世發(fā). 主泵軸封式電動(dòng)機(jī)少膠型絕緣系統(tǒng)[J]. 防爆電機(jī), 2013 , (4).

[14] 楊洲, 石宵峰. 核電定子鐵心沖片絕緣工藝的研究. 大電機(jī)技術(shù), 2016, (3).

[15] IEC60544-3-1979, Guide for determining the effects of ionizing radiation on insulating materials part 3: test procedures for permanent effects first edition [S].

[16] IEC60544-4-2003,Electrical insulating materials - Determination of the effects of ionizing radiation - Part 4: Classification system for service in radiation environments[S].

Research and Development of Insulation Technology for Reactor Coolant Pump Motor

QI Shifa, FANG Jianguo, LIU Yang, LIU Yali

（1.Engineering Research Center of RCP Heilongjiang Province,Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China; 2. Beijing Electrical Research Institute, Bingjing 100070, China.）

Reactor coolant pump is arranged to operate within the reactor nuclear island. The insulation system of the motor is exposed to high energy X-ray radiation from the nuclear island. The assessment of the endurance level to high energy radiation of the selected insulating material and insulation structure is a necessary step in the design of insulation system of reactor coolant pump motor. and thermal aging evaluation and insulation test is scientific evaluation of the insulation system of the life of heat and heat resistant grades and provide a scientific basis for the reliable operation of the reactor coolant pump motor.

reactor coolant pump motor; insulation system; Gamma ray; radiation resistance test; stator winding insulation; thermal ageing assessment

TM623, TM32

A

1000-3983（2017）02-0034-04

2016-09-02

祁世發(fā)（1964-），1987年畢業(yè)于哈爾濱電工學(xué)院絕緣技術(shù)專業(yè)，一直從事電機(jī)絕緣技術(shù)工作，高級(jí)工程師。

審稿人：孫永鑫