潛水泵電機(jī)繞組測(cè)溫新方法的研究與應(yīng)用

黃 康，彭力上

（天生橋一級(jí)水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠(chǎng)，貴州 興義 562400）

1 概述

某水電廠(chǎng)頂蓋排水以自流排水為主，頂蓋潛水泵和射流泵作為頂蓋排水輔助設(shè)施，頂蓋潛水泵無(wú)測(cè)溫裝置，在頂蓋潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期不啟動(dòng)，絕緣體易受潮從而降低絕緣性能甚至導(dǎo)致電機(jī)損壞。為了潛水泵能可靠運(yùn)行，考慮定期啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)潮，對(duì)潛水泵進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。由于潛水泵按設(shè)計(jì)是通過(guò)抽水流過(guò)外殼進(jìn)行冷卻，空轉(zhuǎn)態(tài)下的冷卻能力和運(yùn)行限制均無(wú)規(guī)定，需要進(jìn)行試驗(yàn)以確定空轉(zhuǎn)的安全限制條件和空轉(zhuǎn)干燥電機(jī)的可行性。潛水泵參數(shù)見(jiàn)表1。

型號(hào)流量揚(yáng)程功率電壓BQW65-16 65 m3/s 16 m 5.5 kW絕緣溫升△T 45 ℃電機(jī)繞組質(zhì)量1 kg 380 V

2 潛水泵電機(jī)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該型號(hào)潛水泵主軸及密封用油或油脂來(lái)潤(rùn)滑，均不是水潤(rùn)滑，無(wú)水空轉(zhuǎn)不影響潛水泵的運(yùn)行潤(rùn)滑條件。但是，必須考慮潛水泵運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到電機(jī)繞組溫度限制，潛水泵無(wú)水空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，其冷卻介質(zhì)從正常運(yùn)行時(shí)的抽水流過(guò)外殼進(jìn)行冷卻變成空氣流過(guò)冷卻，廠(chǎng)家反饋為了延長(zhǎng)泵的使用壽命，建議冷態(tài)無(wú)水空轉(zhuǎn)時(shí)間不超過(guò)1 h。潛水泵無(wú)水空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，其電機(jī)繞組的溫度逐漸升高，如果運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電機(jī)繞組溫度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致絕緣損壞，從潛水泵參數(shù)表可以看出其電機(jī)繞組溫升有規(guī)定，不超過(guò)45 ℃。

有預(yù)埋溫度傳感器的電機(jī)可通過(guò)內(nèi)部的溫度傳感器測(cè)溫。沒(méi)有預(yù)埋溫度傳感器的電機(jī)，則無(wú)法測(cè)量電機(jī)的內(nèi)部溫度。對(duì)于無(wú)測(cè)溫裝置的潛水泵，在不改變現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境及電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的情況下，需要進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)湯姆遜效應(yīng)利用導(dǎo)體的溫度與電阻的關(guān)系估算電機(jī)繞組溫度。

潛水泵電機(jī)的定子繞組由繞在定子上面的銅線(xiàn)構(gòu)成。將銅線(xiàn)作為銅熱電阻處理，將其溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，其阻值隨之成線(xiàn)性關(guān)系增大，用來(lái)測(cè)量溫度從-50℃～+100℃的范圍。電機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)內(nèi)定子繞組的電阻隨溫度的升高而變大。假設(shè)電機(jī)剛停止工作時(shí)，電機(jī)內(nèi)定子繞組溫度為T(mén)t，定子繞組的直流電阻值為Rt。根據(jù)電阻溫度關(guān)系公式建立測(cè)溫模型，

式中：Rt為電機(jī)試驗(yàn)停運(yùn)后的直流電阻，Ω；R0為電機(jī)試驗(yàn)前的直流電阻，Ω；α 為銅熱電阻的溫度系數(shù)，取4.25×10-3；ΔT為電機(jī)定子繞組的溫升。

潛水泵無(wú)冷卻條件下進(jìn)行空轉(zhuǎn)試驗(yàn)10 min，監(jiān)視溫升ΔT 不超過(guò)45℃，電機(jī)溫度Tt不超過(guò)60℃。潛水泵啟動(dòng)前以及潛水泵停運(yùn)后，使用直流電阻儀測(cè)量電機(jī)繞組的直流電阻R0、Rt，通過(guò)銅質(zhì)繞組電阻變化判斷電機(jī)繞組和內(nèi)部溫度情況?？紤]電機(jī)的電阻可能變化很小，因此采用高精度的直流電阻儀進(jìn)行測(cè)量。在潛水泵無(wú)水空轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，其電機(jī)繞組的溫度逐漸升高，使用紅外線(xiàn)測(cè)溫儀直接測(cè)量潛水泵外殼溫度，間接判斷電機(jī)的溫度。試驗(yàn)前測(cè)量潛水泵外殼初始溫度，試驗(yàn)中每分鐘測(cè)量一次，從而確定空轉(zhuǎn)時(shí)間與溫度的關(guān)系，根據(jù)電機(jī)繞組在試驗(yàn)后的絕緣電阻數(shù)據(jù)來(lái)判斷電機(jī)是否干燥，并確定潛水泵定期啟動(dòng)干燥所需時(shí)間t。

3 試驗(yàn)實(shí)施及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過(guò)程中，控制潛水泵電機(jī)空轉(zhuǎn)溫升ΔT 不超過(guò)45℃，或電機(jī)溫度Tt不超過(guò)60℃，若電流、電壓突變或大幅上揚(yáng)將終止試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2、表3）。

項(xiàng)目電阻吸收比試驗(yàn)前環(huán)境溫度/℃25.0外殼溫度/℃24.2繞組直流電阻/Ω 1.776 R60/R15=93.2MΩ/87MΩ=1.07試驗(yàn)結(jié)束25.0 31.0 1.921 R60/R15=121.6MΩ/100.4MΩ=1.21

試驗(yàn)時(shí)間ttest/min紅外線(xiàn)測(cè)溫儀測(cè)得的溫度Tt/℃電流I/A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 24.224.625.225.425.826.428.028.929.030.231.0 0.2 4.010.09.8 9.710.210.59.8 9.9 9.8 9.7

根據(jù)公式（1）可推出銅電阻溫升公式：

則電機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后的溫度Tt為：

根據(jù)表1，將試驗(yàn)前后的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（3）：

根據(jù)公式（2），潛水泵運(yùn)行10 min后，其電機(jī)定子繞組的溫升ΔT =19.21℃，小于規(guī)定溫升45℃；根據(jù)公式（3）計(jì)算結(jié)果，表明通過(guò)測(cè)溫模型獲得的定子繞組最高運(yùn)行溫度Tt=43.41℃，由紅外線(xiàn)測(cè)溫儀測(cè)量潛水泵外殼溫度最高為T(mén)10=31℃，均沒(méi)有超過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的安全溫度60℃。

分析表2的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，試驗(yàn)至第10分鐘時(shí)的外殼最高溫度T10=31.0 ℃小于測(cè)溫模型獲得的第10分鐘繞組的溫度Tt=43.41 ℃，是由于從定子繞組到潛水泵外殼熱量有損失，試驗(yàn)儀器也存在一定誤差，故試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有矛盾。從測(cè)得的潛水泵停運(yùn)后的絕緣電阻121.6 MΩ 大于啟動(dòng)前的93.2 MΩ，滿(mǎn)足潛水電動(dòng)機(jī)冷狀態(tài)時(shí)繞組絕緣電阻允許現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量阻值不小于5 MΩ 的要求[1]；其吸收比干燥后為1.21，滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)不經(jīng)干燥投入運(yùn)行時(shí)，規(guī)定對(duì)于容量為500 kW 以下，轉(zhuǎn)速為1500 r/min 以下的電動(dòng)機(jī)，在10℃～30℃時(shí)測(cè)得的吸收比大于1.2 的要求[2]。

由電機(jī)測(cè)溫試驗(yàn)的安全設(shè)計(jì)，電機(jī)終止溫度不超過(guò)60℃，由公式（1）得，電機(jī)繞組溫度為60℃時(shí)的直流電阻Rst=R0+αR0( )60-T0，可求得電機(jī)定子繞組溫度為60℃時(shí)的電阻Rst＝2.046 Ω，試驗(yàn)測(cè)得電機(jī)無(wú)水空轉(zhuǎn)10 min 后的直流電阻Rt=1.921 Ω 小于Rst＝2.046 Ω，確定試驗(yàn)中第10 分種的潛水泵電機(jī)定子繞組溫度遠(yuǎn)小于60℃，滿(mǎn)足安全要求。

本次試驗(yàn)存在一定誤差，主要原因有：①潛水泵所在位置不便紅外線(xiàn)測(cè)溫儀測(cè)溫采樣，從而影響測(cè)量采樣溫度的精確性；②紅外線(xiàn)測(cè)溫儀、直流電阻儀、鉗型電流表等儀器因精度問(wèn)題導(dǎo)致誤差；③直流電阻儀測(cè)量的電阻也包括了電纜的電阻，動(dòng)力電纜在工作中也會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致電阻升高，考慮到電纜的溫升較低，且電阻也較電機(jī)繞組為低，在計(jì)算中可不予考慮。

鉗型電流表在測(cè)量過(guò)程中因磁路閉合不良，導(dǎo)致電流監(jiān)視有誤差，如1 min 時(shí)電流明顯小于其他時(shí)段（見(jiàn)表3），因該參數(shù)只用于安全監(jiān)視，對(duì)試驗(yàn)結(jié)論并無(wú)影響，故不需重測(cè)。通過(guò)以上分析誤差都在允許范圍內(nèi)，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明：潛水泵無(wú)水空轉(zhuǎn)運(yùn)行10 min，達(dá)到干燥電機(jī)的目的，其絕緣電阻增大，滿(mǎn)足規(guī)定要求，為某水電廠(chǎng)頂蓋潛水泵電機(jī)日常保養(yǎng)維護(hù)提供了新的方法，可以有效避免電機(jī)長(zhǎng)期靜置不用導(dǎo)致繞組受潮的絕緣損壞。

本次潛水泵電機(jī)測(cè)溫試驗(yàn)是基于電阻與溫度關(guān)系的測(cè)溫模型，該測(cè)溫模型適用于一般電機(jī)的測(cè)溫。同時(shí)試驗(yàn)也證明了：通過(guò)電機(jī)繞組的直流電阻的變化可以間接監(jiān)視電機(jī)繞組的溫度，該測(cè)溫模型可設(shè)計(jì)成測(cè)溫裝置，在無(wú)測(cè)溫傳感器的電機(jī)運(yùn)行時(shí)，經(jīng)電抗器隔直流、阻交流解決了交直流隔離的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行溫度。