快速溫差法在潛水電泵溫升試驗中的應用

胡佳立，王星龍，黃天岐，朱俊磊，殷國山

（嘉興威凱檢測技術有限公司，嘉興 314000）

引言

潛水電泵（以下簡稱電泵）在工農業領域的應用非常廣泛，是重要的基礎裝備。其運行過程中繞組線圈將產生大量的熱，使得整個電泵有一個明顯的溫升。溫升性能的優劣直接影響電泵的壽命和使用的安全性。因此電泵的溫升是其安全性能的一個重要體現。當下各類電泵在進行出廠試驗、型式試驗，以及進行產品認證檢測時對溫升的考核主要還是采用電阻法進行。多年的測試經驗可以發現該方法所耗費的時間和電能較多，經濟效益較差，尤其對功率較大的電泵。隨著國家節能減排戰略的推進，綠色環保理念的深入人心。社會生產生活各領域對節能也越來越重視。對于電泵而言，探索一種新型的溫升檢測方法有著極大的現實意義：一方面將很好的契合當下國家整體綠色發展的戰略；另一方面也將有效的提升企業的生產效率并減輕其經濟負擔。所以，本文通過對比試驗探討一種新的簡便可行的溫升試驗方法，從時間和耗能兩個方向來切實減輕企業的成本負擔。

1 電阻法測量溫升

電阻法是溫升測試的傳統方法，其原理為：電阻是繞組線圈一個特定的物理參數，其阻值大小在一定范圍內與繞組本身的溫度相關，有特定的函數關系。在電阻法測試溫升過程中，我們重點關注線圈冷態阻值和熱態阻值以及測取這兩個阻值時的冷態線圈溫度和熱態介質溫度，通過特定函數關系反推即可得出繞組最終的溫度及溫升。對于潛水電泵而言：在溫升試驗中，將電泵安裝到水泵測試臺上，固定電泵并將泵體沒入水中。測量電泵繞組的冷態電阻，記錄此時的冷態線圈溫度，然后將泵在額定電壓和額定頻率條件下上電開啟，調整測試系統的進水和出水閥門，讓電泵在其額定工況下運行。采用熱電偶布置在電泵一些相應的部位，例如：外殼，電纜等處，觀察這些關鍵點的溫度變化曲線。當這些曲線的變化趨勢基本為零，比如在時間間隔30 min內溫度變化不超過1 K時，判定溫升穩定。開始測取熱態電阻：斷電停機記錄此時的介質溫度并開始計時，連續測定一段時間時的相應電阻值，直至電阻變化緩慢為止，記錄這些不同時刻點的電阻值。繪制電阻R隨時間t變化的曲線（圖1）[1]。

圖1中曲線外延與縱坐標相交點的阻值即可認為斷電瞬間的繞組阻值。最終繞組溫升按照下式計算[2]：

圖1 電泵繞組阻值變化曲線

式中：

Δθ—繞組溫升（K）；

θ1—試驗開始時的繞組溫度，單位為攝氏度（℃）；

θ2—試驗結束時冷卻介質溫度，單位為攝氏度（℃）；

R1—試驗開始時的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

R2—試驗結束時的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

k—常數，對銅繞組為234.5，對鋁繞組為225，對于銅鋁混合繞組，按234.5計算考核。

顯而易見，采用電阻法測試水泵的溫升試驗耗費的時間較久，根據經驗一般水泵在開啟后達到溫升穩定需要的時間（3～4）h，根據泵的種類不同，有時甚至更長。另外，這個測試過程耗費的電能也相對較多。現在通過對不同型號的水泵進行反復試驗，得出一種相對簡便快捷的溫升試驗方法——快速溫差法，與傳統繞組溫升法對比，該方法優點很明顯：由于整個測試周期大大縮短，所以耗費的時間和電能都將大大減少。與此同時，測試結果與傳統電阻法進行比較，誤差在允許范圍內。

2 快速溫差法測量溫升

快速溫差法的核心為：利用電泵溫升變化關鍵點機殼的溫度變化趨勢去推導整個溫度曲線最終的走向，從而確定電泵的最終溫升。在試驗過程中，先測量電泵在冷態下定子繞組的初始溫度（一般以外殼表面溫度替代），然后啟動電泵，調整測試系統使電泵處于額定工況下運行，設定溫度測量的時間間隔，并記錄每個時刻點的溫度，計算出相鄰兩個時刻點的溫差。測試完畢后將試驗期間的溫度、溫差、時間關系繪制成曲線如圖2所示[7]。

圖2 溫差法關系曲線

通過曲線我們可以發現：在試驗開始1小段時間內，溫升曲線的變化趨勢很快，相鄰兩個時刻的溫差值較大。隨著試驗的進行，由于繞組線圈持續發熱，熱平衡狀態的趨勢逐步建立，相鄰兩個時刻的溫度值變化愈來愈小，對應的溫差值也越來越小。最終曲線的溫度上升趨勢逐漸降低到接近零的狀態。此時試驗結束，我們在曲線上選取相等的時間間隔點Δt1，Δt2，Δt3，…Δtn計算出對應的溫差Δθ1，Δθ2，Δθ3，…Δθn。最后將溫差值和溫度值的關系在圖2中進行繪制。觀察發現：溫差與溫度關系為一條直線，延長該直線與溫度軸相交，得到交點：θ，該值可以認為是本次溫升測試最終的外殼表面溫度，在實際測試中我們可以將此溫度當成該電泵最終的溫升值。

將這兩種方法過程進行分析發現：快速溫差法測量溫升一方面大大縮短測試時間，另一方面可以節約大量的能源。例如：1臺3 kW的潛水電泵，采用電阻法測溫，平均運行4 h，采用溫差法運行1 h，這樣一次測試即可節省9 kWh的電量及3 h的時間，節能及節時效果較為明顯。

3 測試數據比對

我們選取1臺潛水電泵先后進行繞組法溫升測試與快速溫差法溫升測試，記錄數據并分析結果。

水泵型號及基本參數：SPS-1500-50F 220 V 50 Hz 1 950 W 18 m3/h

3.1 繞組法溫升測試

測試結果如表1所示。

表1 SPS-1500-50F水泵電阻法溫升測試結果

3.2 快速溫差法

在上述電泵上進行熱電偶布置：在泵體外殼上最靠近繞組線圈對應位置處布置熱電偶，記錄冷態溫度。將電泵安裝于測試臺，沒入水中通電開啟，調整進水和出水閥使電泵在額定工況點下運行。記錄1 h內的溫度變化曲線，設定時間間隔為10 min。記錄數據如表2。

表2 SPS-1500-50F水泵溫差法溫升測試結果

通過繪制溫差與溫度關系曲線并求出為41.2 K，與繞組法的結果對比相差1.4 K，結果在可以接受范圍內。另外繞組法耗時4 h，耗能7.484 kWh，快速溫差法耗時1 h，耗能1.862 kWh。兩者分別相差3 h和5.622 kWh，省時節能效果明顯。通過其他不同型號參數的電泵進行反復計算我們發現快速溫差法的測試結果精度尚可，可以進行推廣。

表3是多組用溫差法和電阻法測試溫升的對比數據。

表3 一組水泵兩種試驗方法測試結果對比

3.3 誤差分析

快速溫差法測量電泵溫升，其誤差主要來源于以下兩方面：①系統方面：主要與測量儀器的精度有關：熱電偶的精度將直接影響記錄的溫升變化曲線的準確性，從而影響最終數據。因此在選擇時盡可能選擇高精度的熱電偶以減小誤差。②隨機方面：主要與測量條件、工況穩定性及測點布置有關。測點的布置盡可能布置于機殼上最接近繞組線圈處以獲得最大的溫升效果。在測試周期內，合理設定采樣間隔以便盡可能多采集數據，確保曲線繪制光滑，減少誤差。

4 結語

電泵因其運行環境較為惡劣，一般都在潮濕、腐蝕性高的場合使用，另外由于工況點多變，運行狀態多樣，實際生產生活中完成安裝后重新拆卸更換等較為復雜。所以其安全運行就顯得尤為重要。采用快速溫升法對水泵一些關鍵點如繞組線圈、軸承、電纜線等一些發熱較為明顯的部位布置熱電偶，以此作為檢查電泵安全性能的手段，精準、節能并且省時。同時也對廣大用戶安全使用水泵提供了保障。因此在企業的生產中值得推廣該測試方法。