石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)溫度控制及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司 ，陜西西安 710000)

0 引言

隨著石油行業(yè)的發(fā)展，鉆井作業(yè)的安全性越來(lái)越得到重視，其Ⅱ區(qū)爆炸性作業(yè)環(huán)境對(duì)鉆井設(shè)備提出了防爆性能的要求。目前石油鉆井平臺(tái)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要采用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)和正壓型電機(jī)。本文主要介紹增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

防爆原理及分類

1.1 原理

增安型電氣設(shè)備對(duì)各個(gè)部分采用機(jī)械的和(或)電氣的加強(qiáng)措施，進(jìn)一步提高它們的安全可靠程度，從而避免它們產(chǎn)生火花、電弧和(或)危險(xiǎn)溫度的可能性，使設(shè)備不可能成為點(diǎn)燃源，用符號(hào)“e”表示。

因此，必須對(duì)增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、外殼防護(hù)、電氣絕緣、導(dǎo)線連接、電氣間隙和爬電距離、極限溫升等方面提出必要而充分的特殊要求，以保證增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)具有可靠的防爆性能。

1.2 分類

石油鉆井平臺(tái)工作環(huán)境要求使用Ⅱ類電氣設(shè)備。Ⅱ類電氣設(shè)備用于除煤礦瓦斯氣體之外的其他爆炸性氣體環(huán)境。按照其擬使用的爆炸性環(huán)境的種類可進(jìn)一步分為ⅡA類：代表性氣體是丙烷；ⅡB類：代表性氣體是乙烯；ⅡC類：代表性氣體是氫氣。標(biāo)志ⅡB類的設(shè)備可適用于ⅡA類設(shè)備的使用條件，標(biāo)志ⅡC類的設(shè)備可適用于ⅡA和ⅡB類設(shè)備的使用條件。

Ⅱ類電氣設(shè)備按最高表面溫度可以劃分為6個(gè)溫度組別，見(jiàn)表1。

Ⅱ類電氣設(shè)備按設(shè)備保護(hù)級(jí)別可以劃分為Ga、Gb、Gc三個(gè)等級(jí)。

Ga：爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備，具有“很高”的保護(hù)級(jí)別，在正常運(yùn)行中出現(xiàn)預(yù)期故障或罕見(jiàn)故障時(shí)不是點(diǎn)燃源。

Gb：爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備，具有“高”的保護(hù)級(jí)別，在正常運(yùn)行或預(yù)期故障條件下不是點(diǎn)燃源。

Gc：爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備，具有“增強(qiáng)”的保護(hù)級(jí)別，在正常運(yùn)行中不是點(diǎn)燃源，也可采取一些附加保護(hù)措施，保證在點(diǎn)燃源預(yù)期經(jīng)常出現(xiàn)的情況下(例如燈具的故障)不會(huì)形成有效點(diǎn)燃。

2 增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)溫度控制

增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)為保證其不成為點(diǎn)燃源，需嚴(yán)格控制零部件表面溫度及溫升，選用的冷卻風(fēng)機(jī)、電加熱器、按鈕開(kāi)關(guān)、電纜格蘭等配件的防爆等級(jí)和溫度組別應(yīng)不低于電機(jī)的防爆等級(jí)和溫度組別要求。增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)必須滿足以下要求。

2.1 最高表面溫度

增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)最高表面溫度不能超過(guò)其溫度組別所對(duì)應(yīng)的溫度。考慮電源質(zhì)量因素，測(cè)定其最高表面溫度的試驗(yàn)應(yīng)在90%額定電壓下進(jìn)行。對(duì)于須進(jìn)行型式試驗(yàn)確定最高表面溫度的Ⅱ類電氣設(shè)備，應(yīng)不超過(guò)在電氣設(shè)備上標(biāo)志的溫度或溫度組別，但對(duì)于T6、T5、T4和T3組(或標(biāo)志的溫度≤200℃)要低5K；對(duì)于T2組和T1組(或標(biāo)志的溫度>200℃)要低10K。

2.2 繞組極限溫度

極限溫度是指防爆電氣設(shè)備的最高允許溫度，它是設(shè)備溫度組別確定的溫度和所用材料達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)的溫度中較低的那個(gè)溫度。

增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)繞組極限溫度應(yīng)不超過(guò)表2規(guī)定的值。

表2 絕緣繞組極限溫度(單位℃)

2.3 tE時(shí)間

tE時(shí)間是指在最高環(huán)境溫度下達(dá)到額定運(yùn)行溫度后，從交流繞組開(kāi)始通過(guò)啟動(dòng)電流(即堵轉(zhuǎn)起始電流)時(shí)起至溫度上升到極限溫度所需的時(shí)間。在計(jì)算增安型電動(dòng)機(jī)的tE時(shí)間時(shí)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分別計(jì)算，取兩者較小值作為電動(dòng)機(jī)固有的tE時(shí)間。

tE時(shí)間的長(zhǎng)短應(yīng)當(dāng)電機(jī)被堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流保護(hù)裝置能夠在tE時(shí)間結(jié)束之前使電機(jī)斷開(kāi)電源。石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電，可由變頻器限制啟動(dòng)電流，并由溫度檢測(cè)裝置監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度，進(jìn)行報(bào)警或停機(jī)。

2.4 溫度控制措施

我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)溫度組別為T(mén)3，最高表面溫度不超過(guò)200℃。

電機(jī)定子繞組采用H級(jí)絕緣成型繞組，真空壓力浸漆，保證絕緣、散熱和防潮性能，電阻法測(cè)量繞組溫度不超過(guò)155℃。繞組端部槽口處埋置PT100溫度傳感器，用戶手冊(cè)中要求用戶將電機(jī)啟動(dòng)電流設(shè)置為1.6倍額定電流，并將定子繞組PT100溫度傳感器信號(hào)接入變頻器保護(hù)電路，在溫度過(guò)高時(shí)報(bào)警或停機(jī)，以保證電機(jī)在運(yùn)行中繞組溫度不會(huì)超過(guò)極限溫度。

根據(jù)我公司設(shè)計(jì)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)溫升難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子tE時(shí)間的提升。為降低轉(zhuǎn)子溫升，電機(jī)電磁設(shè)計(jì)選取較小的發(fā)熱因數(shù)和定子電密；由于石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)采用變頻啟動(dòng)，對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較低，固采用銅導(dǎo)條并增加導(dǎo)條截面積，降低轉(zhuǎn)子電密，以降低轉(zhuǎn)子溫升。我公司所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，在轉(zhuǎn)子鐵芯、機(jī)座與定子鐵芯之間增加通風(fēng)道，有效降低了轉(zhuǎn)子溫升和電機(jī)總體溫升。

3 增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)為保證其不成為點(diǎn)燃源，需從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免它們產(chǎn)生火花或電弧。

3.1 定子結(jié)構(gòu)

對(duì)于增安型電動(dòng)機(jī)的定子而言，主要是定子繞組的結(jié)構(gòu)和絕緣處理。

對(duì)于額定電壓為200V以上多相繞組，應(yīng)在散嵌繞組的相位間提供附加的相絕緣(清漆除外)；對(duì)于額定電壓小于1000V的繞組，浸漆應(yīng)采用浸漬、滴注、或真空浸漬法進(jìn)行處理；對(duì)于額定電壓>1000V的繞組，應(yīng)采用模繞法線圈和真空壓力浸漬絕緣系統(tǒng)(VPI)，或者是富脂絕緣系統(tǒng)。

定子繞組端部與外殼之間的最小間隙不應(yīng)小于3mm。

我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)定子線圈采用耐電暈薄膜導(dǎo)線，繞組采用H級(jí)絕緣成型繞組和真空壓力浸漆，并在機(jī)座內(nèi)安裝電加熱器，在電機(jī)未使用時(shí)進(jìn)行防潮。

3.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條應(yīng)該與短路環(huán)硬釬焊或熔焊在一起，除非鼠籠的導(dǎo)條和端環(huán)制造為一個(gè)整體，且不視作裸露帶電導(dǎo)體。

我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用銅導(dǎo)條和銅端環(huán)熔焊的鼠籠結(jié)構(gòu)，并且在導(dǎo)條插入鐵心后將導(dǎo)條漲緊，防止導(dǎo)條和鐵心間震顫產(chǎn)生放電火花。

3.3 最小徑向氣隙

定子和轉(zhuǎn)子之間的最小徑向氣隙在旋轉(zhuǎn)電機(jī)靜止時(shí)，應(yīng)不小于下列公式計(jì)算的值

最小徑向氣隙，單位：mm

3.4 電氣間隙和爬電距離

電氣間隙和爬電距離是提高增安型電氣設(shè)備電氣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。電氣間隙是指不同電位導(dǎo)體之間在空氣中的最短距離，與工作電壓有效值有關(guān)。爬電距離是指不同電位的導(dǎo)體之間在絕緣材料表面上的最短距離，不僅與工作電壓有效值有關(guān)，還與絕緣材料的耐起痕指數(shù)等級(jí)、表面污染程度有關(guān)。電氣間隙和爬電距離均應(yīng)符合GB 3836.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于外部連接件，最小值為3mm。

設(shè)計(jì)時(shí)可以在絕緣件上設(shè)置凸筋或者凹槽，以增加電氣間隙和爬電距離。絕緣件上有效的凸筋和凹槽應(yīng)符合：凸筋高度至少為2.5mm，厚度應(yīng)與材料的機(jī)械強(qiáng)度相適應(yīng)，至少為1mm。

凹槽深度和寬度都不小于2.5mm。

3.5 外殼防護(hù)等級(jí)

增安型電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級(jí)要求為

(1)內(nèi)部裝有裸露帶電零部件的外殼，至少應(yīng)提供IP54的防護(hù)等級(jí)。

(2)內(nèi)部?jī)H裝有絕緣帶電零部件的外殼，至少應(yīng)提供IP44的防護(hù)等級(jí)。

對(duì)于設(shè)置有排水孔或通風(fēng)孔的Ⅱ類設(shè)備，內(nèi)部裝有裸露或絕緣帶電零部件的外殼，至少應(yīng)提供IP44的防護(hù)等級(jí)。

我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)整機(jī)防護(hù)等級(jí)達(dá)IP44，接線盒防護(hù)等級(jí)達(dá)IP56，并在機(jī)座和接線盒上設(shè)置接地點(diǎn)，用電纜進(jìn)行可靠接地連接。

4 結(jié)語(yǔ)

我公司根據(jù)行業(yè)的發(fā)展需求，已研發(fā)出電壓等級(jí)600V、660V和690V，功率400 kW～1100 kW的增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)(防爆標(biāo)志Ex d e ⅡB T3 Gc)，并廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外海洋和陸地石油鉆井平臺(tái)。

石油鉆井平臺(tái)用增安型變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到生產(chǎn)安全，除了考慮上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)外，還應(yīng)考慮電氣絕緣、導(dǎo)線連接、材料選取、電機(jī)試驗(yàn)等問(wèn)題，嚴(yán)格按照國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，保證電機(jī)符合使用工況的要求。