潛水泵電機繞組測溫新方法的研究與應用

黃 康，彭力上

（天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

1 概述

某水電廠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施，頂蓋潛水泵無測溫裝置，在頂蓋潮濕環(huán)境下長期不啟動，絕緣體易受潮從而降低絕緣性能甚至導致電機損壞。為了潛水泵能可靠運行，考慮定期啟動電機驅潮，對潛水泵進行保養(yǎng)維護。由于潛水泵按設計是通過抽水流過外殼進行冷卻，空轉態(tài)下的冷卻能力和運行限制均無規(guī)定，需要進行試驗以確定空轉的安全限制條件和空轉干燥電機的可行性。潛水泵參數(shù)見表1。

型號流量揚程功率電壓BQW65-16 65 m3/s 16 m 5.5 kW絕緣溫升△T 45 ℃電機繞組質量1 kg 380 V

2 潛水泵電機測溫實驗設計

該型號潛水泵主軸及密封用油或油脂來潤滑，均不是水潤滑，無水空轉不影響潛水泵的運行潤滑條件。但是，必須考慮潛水泵運行多長時間達到電機繞組溫度限制，潛水泵無水空轉運行時，其冷卻介質從正常運行時的抽水流過外殼進行冷卻變成空氣流過冷卻，廠家反饋為了延長泵的使用壽命，建議冷態(tài)無水空轉時間不超過1 h。潛水泵無水空轉運行時，其電機繞組的溫度逐漸升高，如果運行時間過長，電機繞組溫度過高可能會導致絕緣損壞，從潛水泵參數(shù)表可以看出其電機繞組溫升有規(guī)定，不超過45 ℃。

有預埋溫度傳感器的電機可通過內部的溫度傳感器測溫。沒有預埋溫度傳感器的電機，則無法測量電機的內部溫度。對于無測溫裝置的潛水泵，在不改變現(xiàn)場運行環(huán)境及電機本體結構的情況下，需要進行試驗，根據(jù)湯姆遜效應利用導體的溫度與電阻的關系估算電機繞組溫度。

潛水泵電機的定子繞組由繞在定子上面的銅線構成。將銅線作為銅熱電阻處理，將其溫度的變化轉換為電阻的變化，當溫度升高時，其阻值隨之成線性關系增大，用來測量溫度從-50℃～+100℃的范圍。電機處于工作狀態(tài)時，電機內定子繞組的電阻隨溫度的升高而變大。假設電機剛停止工作時，電機內定子繞組溫度為Tt，定子繞組的直流電阻值為Rt。根據(jù)電阻溫度關系公式建立測溫模型，

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

潛水泵無冷卻條件下進行空轉試驗10 min，監(jiān)視溫升ΔT 不超過45℃，電機溫度Tt不超過60℃。潛水泵啟動前以及潛水泵停運后，使用直流電阻儀測量電機繞組的直流電阻R0、Rt，通過銅質繞組電阻變化判斷電機繞組和內部溫度情況。考慮電機的電阻可能變化很小，因此采用高精度的直流電阻儀進行測量。在潛水泵無水空轉試驗中，其電機繞組的溫度逐漸升高，使用紅外線測溫儀直接測量潛水泵外殼溫度，間接判斷電機的溫度。試驗前測量潛水泵外殼初始溫度，試驗中每分鐘測量一次，從而確定空轉時間與溫度的關系，根據(jù)電機繞組在試驗后的絕緣電阻數(shù)據(jù)來判斷電機是否干燥，并確定潛水泵定期啟動干燥所需時間t。

3 試驗實施及數(shù)據(jù)分析

試驗過程中，控制潛水泵電機空轉溫升ΔT 不超過45℃，或電機溫度Tt不超過60℃，若電流、電壓突變或大幅上揚將終止試驗，通過試驗，獲得相關數(shù)據(jù)（見表2、表3）。

項目電阻吸收比試驗前環(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試驗結束25.0 31.0 1.921 R60/R15=121.6MΩ/100.4MΩ=1.21

試驗時間ttest/min紅外線測溫儀測得的溫度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：

則電機啟動結束后的溫度Tt為：

根據(jù)表1，將試驗前后的相關數(shù)據(jù)代入公式（3）：

根據(jù)公式（2），潛水泵運行10 min后，其電機定子繞組的溫升ΔT =19.21℃，小于規(guī)定溫升45℃；根據(jù)公式（3）計算結果，表明通過測溫模型獲得的定子繞組最高運行溫度Tt=43.41℃，由紅外線測溫儀測量潛水泵外殼溫度最高為T10=31℃，均沒有超過試驗設計的安全溫度60℃。

分析表2的測溫數(shù)據(jù)，試驗至第10分鐘時的外殼最高溫度T10=31.0 ℃小于測溫模型獲得的第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，試驗儀器也存在一定誤差，故試驗數(shù)據(jù)沒有矛盾。從測得的潛水泵停運后的絕緣電阻121.6 MΩ 大于啟動前的93.2 MΩ，滿足潛水電動機冷狀態(tài)時繞組絕緣電阻允許現(xiàn)場測量阻值不小于5 MΩ 的要求[1]；其吸收比干燥后為1.21，滿足電動機不經干燥投入運行時，規(guī)定對于容量為500 kW 以下，轉速為1500 r/min 以下的電動機，在10℃～30℃時測得的吸收比大于1.2 的要求[2]。

由電機測溫試驗的安全設計，電機終止溫度不超過60℃，由公式（1）得，電機繞組溫度為60℃時的直流電阻Rst=R0+αR0( )60-T0，可求得電機定子繞組溫度為60℃時的電阻Rst＝2.046 Ω，試驗測得電機無水空轉10 min 后的直流電阻Rt=1.921 Ω 小于Rst＝2.046 Ω，確定試驗中第10 分種的潛水泵電機定子繞組溫度遠小于60℃，滿足安全要求。

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

鉗型電流表在測量過程中因磁路閉合不良，導致電流監(jiān)視有誤差，如1 min 時電流明顯小于其他時段（見表3），因該參數(shù)只用于安全監(jiān)視，對試驗結論并無影響，故不需重測。通過以上分析誤差都在允許范圍內，本次試驗數(shù)據(jù)有效。

4 結語

試驗結果表明：潛水泵無水空轉運行10 min，達到干燥電機的目的，其絕緣電阻增大，滿足規(guī)定要求，為某水電廠頂蓋潛水泵電機日常保養(yǎng)維護提供了新的方法，可以有效避免電機長期靜置不用導致繞組受潮的絕緣損壞。

本次潛水泵電機測溫試驗是基于電阻與溫度關系的測溫模型，該測溫模型適用于一般電機的測溫。同時試驗也證明了：通過電機繞組的直流電阻的變化可以間接監(jiān)視電機繞組的溫度，該測溫模型可設計成測溫裝置，在無測溫傳感器的電機運行時，經電抗器隔直流、阻交流解決了交直流隔離的問題，實現(xiàn)實時監(jiān)視電機的運行溫度。