高壓潛水泵站機組絕緣問題探討

成占五

（廣東省陽江市機電排灌管理總站 廣東 陽江 529500）

大型潛水泵與傳統長軸軸流泵相比，具有建設周期短、安裝調試方便快捷、運行溫度低、噪音小等優點，隨著潛水電泵在密封、絕緣、冷卻和監控等方面有了長足進展，成功地實現了水泵和出水管道的自動耦合，輔以PLC自動控制技術，潛水泵站目前已廣泛應用于城市防洪排澇工程中，陽江市城市防洪工程（首期）馬南水閘電排站就是其中一例。

1 工程概況

馬南水閘電排站為堤身式泵站，與自排水閘聯合調度使用，安裝了5臺南京藍深泵業集團生產的1600ZDB-125型10kV高壓潛水軸流泵機組，單機容量為450kW，機組具有測溫、測電流、除濕等功能。自動控制系統采用分步自動方式，由長沙華能自控公司提供。泵站所在地陽江市是我國南方沿海潮濕地區，空氣濕度很大。由于機組長期處于潮濕污濁的水中，一年之中開機運行排澇的時間很少，機組絕緣性能降低，對及時防洪排澇造成影響。分析機組絕緣下降原因，并找出合理解決辦法是當下泵站管理人員亟待探討的問題。

2 機組絕緣下降的原因

2.1 運行工況變化

馬南水閘電排站承擔著城市防洪排澇的任務，在汛期特別是在臺風或者洪水期間，馬南河水位超過標準水位甚至達到警戒水位時，排澇機組因揚程增加將導致水泵軸功率上升，水泵超負荷運轉，容易引起電動機過載造成絕緣老化。此外，排澇期間，由于馬南河垃圾雜物很多，因工程資金投入原因，泵站僅設有一道人工攔污柵，雜物擁堵已成常態，致使上游來水不暢，流態紊亂，機組負荷變化大、承載不均，甚至出現機組頻繁啟停現象，不可避免地導致電機絕緣老化加速。

2.2 設備自身因素

由于定子繞組與定子鐵芯、槽楔材質不同，開機期間，定子線圈溫度上升較鐵芯快，其膨脹程度大于定子鐵芯和槽楔；而當機組頻繁啟停或負載波動較大時，根據定子的結構特點，其繞組線圈被嵌套在定子槽道內，由于熱脹冷縮現象和長期運行后絕緣材料特性的變化，槽楔就會出現松動現象；此外，運行中的線圈由于受到不斷交變的徑向電磁力的作用而發生振動，定子線圈防電暈層逐漸磨損，將會引起電動機槽部定子線圈表面與槽楔、槽壁之間失去良好接觸而產生火花放電，最終造成電動機定子絕緣降低或損壞。

2.3 電機所處環境

潛水泵機組長期處于水中，電機與水泵之間采用串聯式機械密封，泵內設置有油室漏水報警、電機組繞過熱保護、電機腔內防凝露裝置、接線盒漏水等裝置。但由于水泵電機長期浸泡于水中，水汽分子浸入必然導致電機絕緣緩慢下降，如不及時處置，會引起機組不能啟動，強行啟動將會造成機組損壞等重大損失。

3 改善絕緣電阻的措施

3.1 改善機組運行工況

合理調節機組開機時間和開機順序，盡可能地將機組運行區間設置在水泵高效區范圍內，盡量避免極低或極高水位運行。馬南站在泵站運行計算機操作界面上，特別設置了機組允許開機的最低水位，避免了因水位過低被強行開機的可能。

在泵站開機抽排期間，加強監控，在保證人員安全的前提下，及時疏通攔污柵前被水流沖來的垃圾雜物，停泵期間經常組織人員打撈處理。

3.2 加強絕緣監測

為及時掌握機組絕緣水平，馬南站制訂了絕緣電阻檢測記錄管理制度，要求電工人員定期測量機組對地絕緣電阻和吸收比，并把檢測記錄數據繪制成機組絕緣電阻檢測記錄趨勢圖，通過該圖，我們可以大體掌握機組絕緣水平。一旦機組絕緣電阻低至電機額定絕緣電阻，則開機運行30min后重新測量。

國家標準GB755《旋轉電機基本技術要求》中規定，電機在達到工作溫度或溫升試驗后，繞組相間或繞組對機殼的熱態絕緣電阻R應不低于電機額定絕緣電阻RN。RN計算公式為：

式中，UN———電機額定電壓（V）；

PN———電機額定功率（kW）。

計算出馬南站10kV、450kW機組的絕緣電阻值為9.96MΩ，為保險起見，馬南站采取設備廠家提供的絕緣電阻值32MΩ作為標準參考。

按照規定，電機60 s時的絕緣電阻R60與15 s時的絕緣電阻R15的比值K應大于1.3。對于大型電機吸收電流衰減過程延長至數分鐘的情況，可用10min絕緣電阻和1min絕緣電阻的比值作為參考。

K值小則表示絕緣結構的安全性能差。當所測的絕緣電阻值低于規定的數值時，須進行干燥，提高絕緣電阻和電氣強度，以保證電機安全起動、穩定運行。

因此，密切留意機組絕緣電阻和吸收比的變化情況，成為泵站日常管理過程中的重點，是確保機組安全運行的基礎。

3.3 改善機組絕緣電阻的措施

機組絕緣下降后必須對電機進行干燥處理。常用處理方法有：電機自帶防潮電加熱裝置、三相交流電干燥法、勵磁線圈干燥法、外置熱源干燥法。勵磁線圈干燥法也叫渦流干燥法，即在電動機定子線圈鐵芯上繞上勵磁線圈，并通入交流電，使定子產生磁通，依靠其鐵損來干燥電動機定子，這種方法的缺點是操作復雜，不通用；外置熱源干燥法通常用于干燥小型電機，不適用于馬南站這樣的大型電機。

3.1.1 啟動機組運行，改善絕緣電阻

馬南站潛水電泵機組安裝了防潮電加熱裝置，平時始終處于工作狀態。如果機組絕緣電阻允許開機運行，我們則利用電機本身銅損加熱，提高絕緣水平。在進水池水位滿足開機條件下，開泵運行30分鐘，通過電動機運行加熱消除濕汽，從而達到提升機組絕緣水平的目的。

3.1.2 三相交流電干燥法

冬季馬南河水位很低，無法滿足開機條件，或機組絕緣電阻已低至不能啟動機組運行，則采用三相交流電干燥法。

（1）三相交流電干燥法的工作原理。

將電機通入低壓電流，利用電機本身的銅損來加熱。電機轉動時，定子繞組形成的旋轉磁場拖動轉子旋轉，而轉子中感應電流所產生的磁場也在定子繞組感應出反電勢，也就是我們說的感抗，起到阻止電機定子電流增加的作用。

電機的最大轉矩與加給電機的電壓的平方成正比，所加電壓越低，電機的最大轉矩也會急劇下降，當電壓下降到使電機堵轉時，上述反電勢也沒有了，電機就像接在電源中的一個電感元件，只有其自身的電阻和電感，自然電流會大大增加。電機的溫度會急劇升高，由于三相交流電外特性，電機將在短時間內燒毀，因此，電機在干燥時不允許發生電機堵轉。

（2）操作要求。

干燥所使用電壓一般是電機額定電壓的4%～10%，馬南站電機額定電壓為10kV，所使用的干燥電壓400V為額定電壓的4%，滿足要求。將400V三相交流電通入電機定子繞組，無論采取何種接線方法，通過可調電阻將通入定子繞組電流控制在額定工作電流的30%～50%之間，得到的效果較好，既不會因電流過大破壞繞組絕緣，又不會因電流太小烘干溫度不夠，達不到干燥效果。采用此方法時，應注意以下五點：

①機組必須可靠接地，防止觸電事故。

②對繞線異步電機，為避免電刷和滑環局部過熱，應在轉子引出線或滑環接線螺栓位置短路轉子繞組。

③注意防止轉子局部過熱區域溫度超過加熱允許溫度。

④電機升溫不能過快，溫度上升速度一般為（5～8）℃ /h。

⑤在干燥過程中，應及時測量繞組溫度及絕緣電阻，用溫度計測量的溫度不得超過80℃，開始每15min記錄一次，以后每1 h記錄一次。當絕緣電阻達到規定值并穩定2～3小時后，可停止干燥。

圖1 烘干接線示意圖

如通入三相交流電不能滿足要求，則應采用直流電焊機進行直流電加熱干燥。采用直流電進行干燥時，電流值及繞組溫度與單相交流電的方法相同。

4 推動泵站技改，加裝自動清污機械和靜態絕緣電阻監控儀

馬南站因工程總投資原因，沒有安裝自動清污機械，僅有一道人工攔污柵。開機運行時，柵前垃圾雜物影響了機組進水流態，降低了機組運行工作效率。人工清污效率低下，不能使進水池水流變得平順，消除水泵運行工況不佳的問題，應積極爭取開展泵站技術改造，增設自動清污機械，改善流態，延長機組使用壽命。

目前，我國大部分高壓潛水電泵生產廠家尚無對高壓潛水電機的靜態電阻的監測，普遍采用的是對潛水電機在動態運行過程中進行監測的保護措施。配備HDS-1型高壓潛水電泵靜態絕緣電阻監控儀，是潛水電泵的一級保護。在10kV大型潛水泵休閑季節或停泵間隙，自動、連續對高壓潛水電機的絕緣進行監控，提示預警或在使用前能及時、安全投入運行。絕緣電阻靜態監控儀作為對高壓潛水電機停機狀態下的絕緣電阻監控措施，可極大地提高機組運行的安全性和可靠性，也可減少人為操作失誤引起的損失。

5 結語

大型高壓潛水電泵隨著生產工藝的提高已普遍應用于城市防洪排澇工程中，機組絕緣問題不及時解決將會造成重大財產和人員損失。監控機組的絕緣電阻對保證機組正常安全運行顯得尤為重要，作為泵站管理人員，應始終保持高度的責任心，密切注意機組絕緣變化情況，保證機組安全運行。陜西水利