水泵配套電動機與機組耐久性探析

摘要：水泵配套電動機絕緣是影響大型水泵機組耐久性的關鍵部件。本文通過分析耐久性的影響因素，介紹了影響電動機絕緣的因素和確定電動機絕緣狀態的方法，計算了基于可靠度的聚酯樹脂絕緣及環氧樹脂絕緣的老化壽命。根據算例泵站基于可靠度的水泵機組關鍵部件運行壽命計算了基于可靠度的整個水泵機組的運行壽命，將費用最少的周期作為該泵站水泵機組的大修周期。

關鍵詞：水泵電動機組 耐久性 影響因素 計算

0 引言

目前，泵站大修周期的確定缺乏理論依據，容易出現大修周期太短或太長。大修頻繁會造成人力、物力和財力的

浪費，同時機組部件的精密配合面會因頻繁拆裝而受損；大修周期太長，某些關鍵部件已出現隱患或事故征兆，

需修不修，會造成故障影響范圍擴大，水泵機組的安全可靠度降低。通過研究水泵機組的耐久性，合理確定大修

周期，對水泵機組的安全運行和節省維修費用很有意義。

1 影響水泵機組耐久性的主要因素

水泵導軸承的磨損、水泵汽蝕、電機絕緣老化是影響水泵機組耐久性的主要因素。大型水泵機組運行中會出現故障，如電動機油缸潤滑油油質變差、水泵填料密封漏水量大，全調節水泵葉片與輪毅之間的橡皮密封漏油進水等，這些故障對水泵機組的運行影響不大，并且都可以通過小修處理。但水泵機組的有些關鍵部件的故障損壞會直接導致機組不能正常運行，它們是水泵機組耐久性的決定性因素。

水泵導軸承的磨損量過大，軸承的徑向間隙過大，則水泵軸和葉輪的動擺度過大，嚴重時就會造成葉片碰殼，被迫停機。另一方面當水泵導軸承磨損量達到一定的量，如果不及時維修或更換，就會造成水泵軸磨損量劇增，而修復泵軸需拆裝整個機組，耗費大量人力物力。水泵汽蝕破壞過程分為四個階段：表面發毛、出現針狀小孔、小孔發展成窩蜂裝凹坑、穿孔或掉邊。絕緣是電動機的重要組成部分，在長期運行過程中，由于受電、熱、機械力的作用和不同環境條件的影響，絕緣會逐漸老化，當絕緣達到老化極限時，電機絕緣故障會明顯提高，并且最終會導致機組被迫停機。

2 水泵配套電動機絕緣耐久性

2.1 電動機絕緣老化因子 電動機運行時，其絕緣因長期受熱會產生各種物理和化學變化，導致材料變質而劣化。熱老化的速率和絕緣受熱的溫度密切相關，溫度愈高，老化愈快。電老化是由絕緣結構上電場分布產生的，主要表現為局部放電、漏電和電腐蝕，產生局部放電的原因是電機內部電場并非均勻分布。在絕緣層內存在空隙，線圈與鐵心之間存在空隙，均會產生電場集中，引起局部放電，局部放電能在絕緣層內產生十分細微的樹枝放電途徑，造成放電區域絕緣腐蝕。漏電劣化則是在有電位差的絕緣表面上形成炭化電路，而使絕緣喪失其功能。當絕緣結構表面污染或附有異物時，在有電位差的部分產生泄露電流而發熱，使一部分絕緣材料分解成炭化物。機械老化主要表現為絕緣結構的疲勞、裂紋、散弛、磨損等，它是由起動電動機時電磁力和熱應力、運行中的振動、循環熱等原因產生的。電動機起動時，電磁力在線圈絕緣內產生很大的應力，在彎曲和擠壓應力反復作用下，線圈絕緣層往往產生疲勞甚至斷裂。熱老化引起的絕緣收縮和絕緣層蠕變收縮將導致絕緣松動，造成了線圈端部和槽內部分的絕緣磨損。由于起動、停機以及負載變化的熱循環，在線圈的絕緣層和導線之間因膨脹系數不同產生熱應力，導致絕緣與導線間剝離形成空隙，這些空隙又導致局部放電的增加和散熱困難。環境老化主要表現為灰塵、油污、鹽分和其他腐蝕性物質對絕緣污染和侵蝕，以及絕緣表面吸濕或表面凝露，它們會導致絕緣電阻的降低和介質損耗的增加，電動機絕緣結構的老化是各種劣化的綜合表現。電動機絕緣結構在熱因子、電因子、機械因子和環境因子的綜合作用下，產生了各種老化現象。圖1為6kV交流電動機絕緣劣化的過程。

2.2 電動機絕緣的診斷 電動機絕緣診斷的順序如圖2所示：

2.3 基于可靠度的電動機絕緣老化壽命的計算 根據《泵站電動機絕緣老化原因分析與鑒別》，通過電動機積累運行時間和開、停機次數進行老化分析。電動機積累運行時間增長，絕緣老化逐年嚴重，絕緣強度也跟著降低，絕緣強度可由下式確定：

式中：KT、KV、KN為熱、電、機械老化速率系數；t為運行時間（h）；N為開、停機次數。

電動機絕緣年老化速率計算公式：

式中：Ijy為電動機絕緣年老化量；KTY為電動機絕緣由熱因素引起的年老化量；KVY為電動機絕緣由電因素引起的年老化量；KNY為電動機絕緣由機械因素械引起老化量；Na為表示一年內開、停機次數。設KTY、KVY和KNYN相互獨立，且它們的概率密度為拋物線分布，則根據基于可靠度的功率備用系數的方法，得電動機絕緣年老化量為K對應的可靠度P（K）為：

編程計算的電動機絕緣年老化量小于某數值的可靠度如圖3：

假定當絕緣老化達到30％時就必須進行大修。則基于可靠度的聚酯樹脂絕緣的運行壽命為：

計算基于可靠度的聚酯樹脂絕緣老化壽命，如圖4：

計算結果表明，當電動機的絕緣材料為聚酯樹脂時，其具有95％可靠度的老化壽命為16.5a。

3 水泵機組耐久性

3.1 水泵機組的耐久性 水泵機組的耐久性主要由水泵機組關鍵部件的耐久性決定的。算例泵站采用油潤滑導軸承，則其水泵機組的耐久性由油潤滑導軸承端面密封耐久性、水泵葉片和水泵葉輪外殼耐久性以及電機絕緣的耐久性決定。

3.2 提高水泵機組耐久性的措施

3.2.1 提高水泵導軸承耐久性的措施：提高水潤滑導軸承的耐久性需從提高水泵導軸承的抗磨損性能與減少導軸承的載荷兩方面出發。應根據設計載荷選擇適當的軸瓦材料及材料的厚度，同時為了減少導軸承所受的載荷，泵站設計和機組安裝的時候應注意以下幾點：①減小電機空氣間隙不對稱量；②減小轉動部件質心離轉動中心的偏移量；③即采用護管，減小泵軸的繞流阻力；④減小由于組裝誤差或葉片形狀誤差造成的葉片角度不等量；⑤合理設計流道，減小施工誤差，從而減小葉輪非軸對稱來流的影響。

3.2.2 減少水泵汽蝕的措施：①合理地確定水泵的安裝高程，運行時要及時清理攔污柵避免在泵站進水中產生過大的水位跌落；②合理地設計進水池和進水流道，使水泵具有良好的進水條件，使進入葉輪的速率的壓力分布均勻，避免產生局部低壓區；③根據所需提供的揚程和流量，通過調節葉片安裝角度，盡量使工作點移到允許汽蝕余量較小的區域；④提高葉輪表面的光潔度，增強抗汽蝕性能；⑤在容易發生汽蝕的部位涂一層環氧樹脂，以提高水泵的抗汽蝕性能；⑥若已出現汽蝕，必須及時采取修補措施。如以高分子材料涂敷：以環氧樹脂為主材料，加增韌劑、固化劑和多種填充材料組成，用來修復水泵被剝蝕的部分，修復分底、中、表3層進行，修復的關鍵是底層涂敷之前應徹底進行被修復面的處理，達到露出金屬表面無銹斑、無油垢、無灰塵方可；⑦葉輪及葉輪外殼采用抗汽蝕強的材料，如不銹鋼，應用表明，經過一個大修周期，仍無汽蝕痕跡。

3.2.3 延長電動機絕緣耐久性的措施：①在日常管理中，目視檢查、絕緣電阻測量，極化指數PI值的確定非常重要。絕不能過載運行，對于過濾器、冷卻器在內的冷卻系統要經常檢查、清掃，消除導電性塵埃，對灰塵要進行分析并采取對策，應根據目視進行槽楔松動、漆膜龜裂等方面的傾向管理；②根據日常維修和檢查數據，根據需要為某些項目制定定期檢修方案。以免造成非計劃性緊急停機而帶來的重大損失。在定期檢修時，對絕緣要清掃和清理表面污損，干枯的間隔墊片要修補，冷卻系統應當調整、修改，要根據振動分析，檢查槽楔松動情況，對電機線圈匝間絕緣進行試驗，或絕緣診斷，由此為基礎進行絕緣性能的傾向管理。

4 算例水泵機組大修周期的定量確定

算例泵站采用ZL30-7水泵、油潤滑導軸承、電動機絕緣材料為環氧樹脂。水泵設計流量Q＝30.2m3/s，設計揚程為H＝7m。每套水泵機組每次大修費用為8萬元。當該泵站水泵機組被迫停機1h，該泵站將少抽V＝3600Q的水，假設泵站的效率為50％，將V體積的水提升設計揚程H高度所要耗費的電能為E＝7200ρgQH。電費每度0.5元，調水泵站電費占整個調水成本的50％，則抽水V體積的水的成本S0＝2gQH元。設泵站經濟效益為成本的一倍，則泵站停機1小時的經濟損失S＝2gQH。油潤滑導軸承端面密封發生搶修時，維修費用SD＝0.35萬元，需停機18小時，經濟損失為7.46萬元。水泵葉輪外殼汽蝕破壞發生搶修時，維修費用SK＝1.2萬元，需停機48小時，經濟損失為20.02萬元。水泵葉片汽蝕破壞需要搶修時，維修費用SY＝1.2萬元，需停機48小時，經濟損失為20.02萬元。水泵配套電機絕緣更換的費用為SJ＝20萬元，電機絕緣搶修一般需停機半個月，造成的經濟損失為149.16萬元。水泵機組關鍵部件油潤滑導軸承端面密封耐久性較差，其具有95％可靠度的運行壽命僅為3.4a，若以此確定機組的大修周期則過于頻繁，考慮使端面密封在運行中期中進行一次中修。水泵機組運行必須以安全性為基礎，水泵機組的大修周期必須保證水泵機組關鍵部件在大修前的可靠度在85％~100％之間。水泵葉輪外殼、水泵葉片以及電動機絕緣具有95％可靠度的運行壽命分別為5.3、8.2、28.6a，因此根據葉輪外殼運行壽命選擇大修周期。電動機絕緣的搶修費用較高，應根據水泵機組的大修周期合理確定絕緣的更換周期CJT，其中CJ表示大修周期的整數倍，確保在此更換周期下絕緣的平均年更換和搶修經濟損失最小。當水泵機組大修周期T＝5.3a，水泵機組維修費用和維修造成

的搶修費用的年平均值最小，水泵機組大修前的最低可靠度為98％。

參考文獻：

[1]仇寶云.水泵裝置理論與關鍵技術[M].中國水利水電出版社.2008年版.

[2]王優強、黃丙習.水潤滑橡膠軸承摩擦試驗研究[J].農業機械學報.2007（12）.

[3]宋玲，李鴻琦.水潤滑橡膠軸承的摩擦學性能研究[J].潤滑與密封.2008（6）.

[4]趙建偉，呂梅蕾.6kV電動機定子絕緣診斷和剩余壽命的預測[J].電氣時代，2007（12）.

[5]楊啟平.變壓器絕緣老化的診斷與剩余壽命評估[J].變壓器.2008（2）.