注水泵電動機發熱異常原因分析與對策

吉效科, 許麗

（1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；2.長慶油田公司設備管理處，西安 710018）

0 引 言

從20世紀80年代末開始，長慶油田為提高油田注水系統效率，結合油田區域分散、小區塊回注的地域工藝特征，增壓注水設備全部應用往復式注水泵。電動機作為該注水泵組的關鍵組成部分，它的作用是將電能轉變為機械能，為注水泵提供動力。控制系統有變頻調速控制和軟啟動控制2種，自2008年開始，油田開展注水泵控制系統節能改造，將大部分注水泵的軟啟動控制改為變頻調速控制，通過改變電動機的轉速調節注水泵的排量，達到了減少和消滅注水泵回流的目的，為油田注水系統節能降耗發揮了重要作用。

自2013年開始，一些站點的注水泵出現電動機溫升高、故障率增加，嚴重影響了部分區塊的注水生產，增加了注水系統能耗和設備維護成本。經現場測試，電動機高溫部位主要發生在電動機定子繞組部位，即接電盒的右下方和電動機靠近泵側的軸向中間位置，比電動機軸承部位溫升至少高出10 K。為此，采油單位給發熱異常的電動機配置了獨立風扇冷卻，但仍有許多電動機故障率高，頻繁燒壞。2014年7～8月，長慶油田公司與上海電器科學研究所（集團）有限公司聯合開展了注水泵電動機的廠內試驗和現場測試，開展發熱異常的原因分析，并制定了相應的解決方案與措施，為油田注水泵配置及使用電動機提供了重要的依據和方法。

1 技術現狀

現場測試的西三注、西259站、慶三聯、慶三注、吳一聯、柳三轉等6個注水泵站的22臺發熱異常嚴重的注水泵電動機基本技術狀況見表1。

從表1可以看出，這6個注水站點的注水泵均為2007～2011年投產，注水泵額定壓力20 MPa和25 MPa，額定排量最低的25.76 m3/h、最高的37.2 m3/h；電動機均為普通Y系列三相異步電動機，配置功率最低的75 kW、最高的355 kW，防護等級和絕緣等級為IP23、B級，IP54或IP 55、F級，工作制為S1。

表1 注水泵電動機技術參數

2 現場測試

2014年7月～8月，對西三注、西259站 、慶三聯、慶三注、吳一聯、柳三轉等6個注水泵站的22臺發熱異常的注水泵電動機進行了現場測試。注水泵發熱異常電動機的測試結果見表2。

從表2可以看出：

1）同一站點的不同控制方式的注水泵，變頻控制的電動機溫度較工頻軟啟控制運行的溫度高。如慶三聯1#注水泵與4#注水泵在負載率高、同樣50 Hz運行的狀態下機殼溫度高出37℃，軸承溫度高出18℃；西259站同等負載率和50 Hz頻率下，4#注水泵較1#、3#注水泵的電動機機殼溫度高16℃以上，軸承溫度高出4℃以上。

2）同一站點電源電壓高的注水泵電動機溫度較高。注水站電網電壓普遍偏離380 V，最高偏離量超出±14.5%。如西259站在同負載率、工頻軟啟控制狀態下，1#注水泵的電壓較3#注水泵高12 V，機殼溫度高出14℃，而軸承溫度基本一樣；柳三轉同負載率、變頻控制狀態下，4#注水泵的電壓較3#注水泵高25 V，機殼溫度略高于2#注水泵。

3）同一站點負載率低、工頻軟啟控制運行的注水泵溫升高。西三注1#注水泵的實際運行功率只有額定值的76%，但電動機溫升已接近最高溫升限值的90%。

4）普通電動機用變頻控制的諧波失真率（THD）高。注水泵電動機工頻軟啟動運行，供電電源諧波失真率（THD）為5%以下，而變頻器控制下電動機輸入電源的諧波失真率（THD）遠超標準設定值，如吳一聯使用變頻器控制的3#電動機，在變頻控制20 Hz下運行時，電動機輸入電源的總諧波失真率（THD）為74%，柳三轉2臺電動機輸入電源的總諧波失真率（THD）均在42%～45%之間。

5）注水泵的實際排量和壓力均在額定參數范圍內，實際負載率在49%～90%范圍內，無運行參數超出額定參數和滿載的情況，電動機配置功率滿足注水泵運行需要。

表2 西三注注水泵及電動機運行參數

3 原因分析

造成注水泵電動機發熱的原因有多種，且各站點不盡相同。普通電動機配置變頻調速控制、電動機性能與工況不匹配、電動機溫升余量設計小和電動機修理造成性能下降等是導致電動機發熱的主要原因。

3.1 變頻器控制普通電動機

1）由于變頻器的輸出電壓和電流中存在大量的諧波，使得電動機產生附加諧波損耗，變頻器產生的高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，使電動機溫升加劇，效率降低、絕緣材料加速老化，嚴重降低了電動機的使用壽命。

2）普通電動機配變頻器低頻運行溫升增加10～15 K，當電動機設計溫升余量小時，使得電動機溫升超過80 K的狀態下長時間運行，這加速了電動機絕緣材料老化、絕緣性能下降，電動機溫度繼續上升，直到電動機溫度高至絕緣失效、線圈燒壞。

3）部分變頻器性能較差，輸出的電源諧波污染輸出和輸入端電網，影響同一供電網絡下其它用電設備，包括其它注水泵電動機的運行。

4）普通電動機因變頻控制在低速轉動時，風扇的冷卻風量與其轉速的三次方成正比例減小，電動機本身發熱量無法迅速帶走，加速了電動機的溫升。

3.2 電動機性能與工況不符

1）電動機選用的絕緣等級較低。絕緣等級決定了電動機的允許溫度和使用壽命。現場在用B級絕緣等級的電動機，其繞組溫升限值為80 K，最高工作溫度為130℃（電動機內部溫度）。經現場測試，受實際工況的影響當電動機負載達到額定負載的80%時，夏季實際運行溫升接近甚至達到B級絕緣的限值，不能滿足工況的需要。

2）電動機選用較低防護等級。現場有使用防護等級為IP23的開式電動機，機殼未全封閉，機身、前后端蓋都留有散熱孔，工業塵土可進入電動機機身內部，附著在定子和轉子表面，影響電動機散熱。

3.3 其它因素

1）電動機設計溫升余量小。電動機廠家在電動機設計時考慮降低成本，在滿足國標要求的前提下，盡量降低銅線和鐵芯材料消耗，在沒有特殊要求的情況下，電動機溫升余量設計很小，如同樣生產注水泵電動機的廠家，其中廠家A生產的電動機實測溫升72 K，廠家B生產的電動機實測溫升76 K。

2）設計條件與工況不符。注水泵電動機選用普通電動機，這種電動機設計沒有考慮現場工況環境條件，如海拔高度、電壓波動、工作制、負載等，由于油田用注水泵安裝在海拔高度1200～1700 m的地方，電動機生產廠家的試驗地點海拔100 m以下，據《旋轉電動機定額和性能》（GB 755-2008）的溫度修正計算，兩者之間的溫升差異在12 K左右，即：電動機使用現場要比生產廠家試驗地點的溫升高出12 K。

3）多次維修性能下降。電動機維修廠家通過對電動機定子加溫拆除繞組，高溫加速定子鐵芯的絕緣老化，電動機每修一次實際功率下降5%以上。現場實測的22臺電動機中有80%進行過維修，其性能下降也是溫升過高的一個影響因素。

4）供電電壓波動大。根據《旋轉電動機定額和性能》（GB 755-2008），普通電動機的適用電壓為380 V，波動范圍±5%，而實際油田注水泵電壓410 V左右，波動范圍在10%左右。現場測試的6個站點，除吳一聯較接近標準電壓外，其它站點電壓均偏高。

4 解決措施

1)使用“普通電動機+變頻器”運行的電動機發熱解決措施。a.防護等級為IP54或IP55、絕緣等級F級電動機發熱異常優先采用更換風扇護罩，加裝罩內獨立風扇（防護等級IP23除外），不在電動機旁邊另設獨立風扇強制散熱。b.對于現場在用IP23防護等級、B級絕緣等級的電動機，必要時更換或降級使用，這種電動機不宜使用變頻器。c.注水泵出口壓力低于額定壓力4 MPa以下運行的發熱電動機，去掉變頻器工頻運行，電動機連續運行溫升穩定后仍然發熱異常，證明電動機性能下降，應更換電動機；電動機溫升穩定后，電動機表面溫度在正常范圍內，電動機應切換或改造為工頻控制，需要變頻調速控制的應更換為變頻電動機。

2)新購注水泵配置變頻調速控制時，電動機必須選用變頻調速電動機，且滿足以下要求：a.性能滿足《調速專用三相異步電動機絕緣規范》（GB/T 21707-2008），能效等級不低于《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》（GB18613-2012）中2級的標準。b.變頻電動機風扇由獨立電動機驅動，具有特殊的電磁設計和結構設計，能夠適應非正弦波電源并抑制高次諧波。c.注水泵電動機配置必須選擇防護等級不低于IP54，絕緣等級不低于F級的電動機。

3)維修2次以上的電動機應結合具體工況，必要時降級使用；淘汰因多次修復造成效率下降的電動機。

5 結語

1）通過對6個注水站點22臺注水泵電動機現場測試與數據分析，認為注水泵電動機發熱異常的原因是多方面的，其中普通電動機配變頻器運行、電動機設計性能與工況不符、供電電壓波動大等是造成電動機發熱異常的主要原因。

2）注水泵采用變頻調速控制時須配置變頻調速電動機，注水泵電動機配置應選擇防護等級不低于IP54、絕緣等級不低于F級的電動機，且電動機的設計性能要與油田注水泵的工況特點、環境條件相適應，如海拔高度、電壓波動、諧波干擾、啟動性能、負載特性等指標在注水泵電動機設計時均應考慮。

3）長慶油田已經按照解決方案對在用注水泵電動機進行了整改，對油田產能建設項目采購注水泵全部配置變頻調速電動機，解決和預防了油田注水泵電動機發熱異常的問題，取得了顯著的成效。

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