反应堆控制棒驱动机构电机温升试验研究

张智峰，彭航，谢细明，李健，霍蒙，贺斌

（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213；2.中国核动力研究设计院设计所可靠性工程技术研发中心，成都 610213；3.西南技术工程研究所，重庆 400039）

控制棒驱动机构（Control Rod Drive Mechanism，CRDM，以下简称驱动机构）是反应堆控制系统和保护系统的执行机构，是影响反应堆运行安全性的关键部件之一[1-4]。通过控制棒驱动机构带动控制棒组件在堆芯内上下移动，实现对反应堆反应性的控制，从而完成反应堆启动、功率调节、功率维持、正常停堆和安全停堆[5-6]。

控制棒驱动机构电机是主要的动力源，由定子和转子组成。定子由耐高温电磁线绕制在铁芯后，外套金属壳封装而成，在电源驱动下提供旋转或保持所需的电磁力，驱动转子完成旋转、保持等规定动作。定子电磁线圈在电源驱动下会发热，同时反应堆堆芯的高温也会传递到电磁线圈上。若没有采取合适的冷却措施来控制温升，则会使电磁线圈温度超过耐温等级，造成绝缘失效，甚至定子烧毁，影响反应堆正常运行[7-9]。国内外常采用的冷却方式有水冷和风冷，其中风冷方式利用空气强迫冷却定子电磁线圈，具有结构简单和方便维修的优点，已被普遍应用于控制棒驱动机构的冷却[10-15]。

为了更精确地获得控制棒驱动机构电机温升情况，文中研究了一套试验方法，模拟电机实际运行环境，获得了电机在不同工况下的温升情况，完成了电机散热能力评估，为电机散热优化和通风设计提供依据。

1 试验方案研究

1.1 电机工作模式

文中选取某工程用驱动机构作为研究对象，该驱动机构采用的是交流异步电机，电机的主要工作模式有两相通电、三相通电和旋转。电机采用风冷散热，风速为5 m/s和8 m/s，对应的风量分别为0.25 m³/s和0.4 m³/s。

1.2 温度测量方法

电机温度测试方法通常有电阻法、温度计法、埋置检温计法等[16-20]。

1）电阻法。在一定温度范围内，电机绕组的阻值随着温度的上升而增大，两者存在一定的函数关系，可通过测量电阻来间接获得绕组温度。函数关系如（1）式所示。

式中：R0和Rf分别为绕组冷态电阻和热态电阻，Ω；t0和tf分别为绕组冷态环境温度和热态环境温度，℃；k为常数，对铜绕组线通常取235 ℃。由于测量的是整个绕组电阻，计算温度为绕组平均温度，无法反映绕组的局部高温，因此测量结果不够保守。

2）温度计法。对电机中不能采用电阻法测量的部位，可采用温度计法来测量表面温度。温度计有膨胀式温度计、半导体温度计及非埋置式热电偶或电阻温度计。

3）埋置检温计法。埋置检温计法是将电阻检温计、热电偶或半导体热敏元件埋置于电机内，连接至外部的二次仪表测量温度。此方法可根据需要测量绕组内部任何位置的温度，一般需要在绕线阶段将测量元件埋置在绕组线内。

1.3 试验研究

1）自然散热温升试验。在不同工作模式（两相通电、三相通电和旋转）及通风条件（通风、断风）下，电机的运行工况共有6种。为优化工况数量，提高试验效率，在断风条件下对两相通电、三相通电和旋转3种工作模式的电机进行自然散热温升试验，获得定子绕组温升最大工作模式和各种工作模式下的平衡温度。

2）通风试验。针对自然散热温升试验中找到的电机温升最大工作模式，开展通风试验，风速为5 m/s和8 m/s，获得不同风速下定子绕组的平衡温度。

3）断风试验。针对电机温升最大工作模式开展断风试验，在定子绕组达到热平衡后，切断通风，获得不同通风量下断风后绕组温度达到安全限值的时间，即最大断风时间，为工程通风的安全设计提供输入。

2 试验装置设计

2.1 模拟通风装置及测温点设计

模拟的通风装置设计及温度点布置如图1所示。

2.2 电机温度测点布置

试验中选用工业常用的热电偶测量定子绕组温度与定子外壁温度，热电偶布置在定子绕组（见图2）和电机外壳上。

图1 模拟通风装置设计及温度点布置Fig.1 Simulation ventilation device design and temperature measuring point arrangement

图2 电机温度测点布置Fig.2 Arrangement of motor temperature measuring points

3 结果及分析

3.1 自然散热温升试验

断风条件下，定子绕组在60 min内的温升情况如图3所示。旋转与三相通电工况的温升相当，均大于两相通电工况。三相通电工况下，45～60 min内，定子绕组温度仍保持线性增长，而旋转工况在该时间段内温升速度明显放缓。推断三相通电工况温升实际大于旋转工况，三相通电是电机发热最大的一种工况。

图3 不同工作模式自然散热温升试验温升曲线Fig.3 Temperature rise curves of natural heat dissipation temperature rise test under different working modes

断风条件下，两相通电工作模式的定子部件在285 min内的温升情况如图4所示。电机绕组在150 ℃即达到平衡，低于工程要求的温度限值（160 ℃）。该工作模式下，电机不需通风冷却。三相通电和旋转工作模式下，定子绕组的发热量显著大于两相通电工况，可判断其平衡温度超过温度限值，必须进行通风冷却，因此不再开展三相通电和旋转工作模式下的平衡温度试验。

图4 两相通电断风试验温升曲线Fig.4 Temperature rise curves of cut-out test under two-phase energized condition

3.2 通风试验

在自然散热温升试验中，得到电机温升最大的工况为三相通电工况。该工况下，对电机进行5 m/s、8 m/s风速温升试验，其结果分别如图5所示。由图5a可以看出，5 m/s风速下，定子绕组的平衡温度为150 ℃，低于工程要求的温度限值（160 ℃）；定子绕组与外壁的最大温差为80 ℃，出口风、入口风的温差为4～6 ℃。由图5b可以看出，8 m/s风速下，定子绕组的平衡温度为145 ℃，低于工程要求的温度限值；定子绕组与外壁的最大温差为90 ℃，出口风、入口风的温差为4～6 ℃。

三相通电工况下，定子绕组温度与定子绕组-外壁温差、外壁温度间的关系如图6所示。在5 m/s风速下，随着定子绕组温度的升高，定子绕组与外壁的温差近似呈线性增长，达到热平衡后，两者的温差在80 ℃以上；风速加大到8 m/s后，外壁温度显著降低，但由于绕组温度下降幅度不大，因此绕组与外壁的温差进一步增大至90 ℃以上。分析认为，定子部件内部聚集的热量不能充分传递到定子外壁，影响了风冷效果，在后续设计中应进行改进。此外，试验过程中，入风口、出风口的温差保持在相对稳定的范围内，并未随外壁温度的升高而明显增加，表明通风对定子外壁的冷却能力已达到饱和。

图5 不同风速下三相通电通风试验温升曲线Fig.5 Temperature rise curves of ventilation test under three-phase power-on condition at different wind speeds

图6 热态三相通电定子绕组-外壁温差、外壁温度拟合曲线Fig.6 Fitting curves of stator winding-outer wall temperature difference and outer wall temperature under hot three-phase energization conditions

3.3 断风试验

三相通电工况时，分别在5 m/s和8 m/s 2种风速下对达到热平衡后的定子绕组进行断风试验，结果见表1。

由表1可知，三相通电工况时，电机在5 m/s和8 m/s 2种风速下的最大断风时间分别为15 min和22 min。8 m/s风速下，定子绕组和定子外壁的温度相比于5 m/s风速下都更低。因此8 m/s风速下，定子绕组的温度上升到工程要求的温度限值（160 ℃）所花的时间更长，即8 m/s风速对应的最大断风时间更长。

表1 三相通电通风后断风试验结果Tab.1 Results of windbreak test after ventilation in threephase maintenance mode

4 结论

1）研究了一套驱动机构电机温升试验方案，通过自然散热温升试验，获得了定子绕组各种模式的温升状况及平衡温度。在电机温升最大工作模式下，进行了不同风速条件下的通风试验。当定子绕组在通风试验中达到热平衡后，切断通风，进行断风试验。试验获得了典型工况下电机的温升状况，为电机散热优化和工程通风设计提供了参考。

2）断风条件下，电机温升最大的工作模式为三相通电。断风条件下，两相通电时，定子绕组的平衡温度为150 ℃，低于工程要求温度限值（160 ℃），该工况下不需通风冷却。

3）三相通电工况下，增大风量可降低定子外壁温度，提高定子绕组与定子外壁的温差。

4）三相通电工况下，5 m/s和8 m/s风速下的最大断风时间分别为15 min和22 min。