某泵站電氣設備故障診斷與安全分析

謝 華，郭瑋瑋，劉德祥

(武漢大學水利水電學院 水利部泵站測試中心，湖北 武漢 430072)

深圳市某污水泵站2017年建成后機組不能正常運行，出現斷路器燒壞、繼電器跳閘保護等問題。為尋找故障原因，對該泵站電氣系統進行了現場電氣檢測試驗，在檢測數據的基礎上，分析了電氣系統可能存在問題的原因，為泵站安全運行提供了科學依據，并為類似工程問題提供參考。

1 工程概況及問題

某污水泵站位于深圳市寶安區，承擔雨污水轉運排除，選用5臺潛水排污泵，其中3臺大泵，2臺小泵。3臺大泵分別為1#、2#、3#機組，單泵設計流量Q=3474m3/h，揚程H=18.0m；2臺小泵分別為4#、5#機組，單泵設計流量Q=1666.8m3/h，揚程H=18.0m。泵站內設置10kV變電所一座，安裝2臺400kVA變壓器，旱季兩臺變壓器一用一備，雨季兩臺變壓器同時運行。1#、4#機組采用變頻控制運行，2#、3#、5#機組采用軟啟動方式控制。電機及主要電氣設備的額定參數見表1。

表1 電機及主要電氣設備的額定參數

2 電氣試驗設計

2.1 試驗方案

造成泵站電氣設備安全問題的可能原因有：①水位運行條件發生變化導致水泵偏離運行工況，可能會造成電機超負荷運行；②電氣設備存在質量缺陷或選型不滿足運行條件要求；③水泵機組選型及性能不滿足要求。針對上述可能的問題，需要設計適合的試驗項目和檢測參數，逐項排除究竟是電氣系統的問題，還是水泵運行的問題。

針對該泵站1#、3#、5#機組存在的開關斷路器燒壞、熱繼電器跳閘頻繁等問題，初步判定可能的原因是電機過載、絕緣性能下降[1-2]、繞組內部短路[3-5]、啟動和保護裝置設定參數偏低[6]等問題。為此，首先針對電氣系統開展現場電氣試驗，通過檢測運行參數判斷是否存在電機過載，通過絕緣性能檢測判斷電氣設備質量和安全性能是否滿足要求。

2.2 電氣試驗檢測項目和參數

根據1#、3#、5#機組的故障特征，首先需要判斷電機的電流、電壓、功率等運行參數是否正常；如果運行參數異常，則進一步試驗檢測是否存在絕緣性能下降和短路等問題。為此，電氣試驗檢測參數如下。

(1)主機組電機運行參數

1#機組開關斷路器插件燒壞不能開機，沒有測試1#機組電機運行參數。檢測了3#、5#主機組電機的電流、電壓、功率、功率因數等參數。由于5#機組開機3～5min就會保護跳閘，測試數據為開機5min內的運行參數。

(2)定子繞組絕緣電阻和吸收比

繞組的絕緣電阻和吸收比是判斷電動機絕緣狀態是否良好的重要依據和指標，是綜合分析電動機絕緣性能的重要指標。通過測量繞組絕緣電阻及吸收比，能夠檢查繞組絕緣材料受潮和受污染的情況，根據GB 50510—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定，額定電壓為1000V以下的電動機，常溫下絕緣電阻不應低于0.5MΩ。

脈沖射頻是由射頻熱凝術改進,是一種神經調理治療。脈沖射頻治療神經病理性疼痛的原理為脈沖射頻由間斷射頻電流產生,電流在神經組織周圍形成高電壓,但裸露電極尖端溫度不超過42℃,保證在治療同時不會出現神經熱離斷效應,從而避免術后出現感覺減退、灼痛、酸痛及運動障礙等并發癥。脈沖射頻的鎮痛機制尚不明確,可能的機制為激發了處理疼痛信號傳入通路的可塑性改變,激活了減少疼痛感受的脊髓抑制機制。同時,脈沖射頻產生的強電場減少了受損神經周圍炎性介質,從而起到鎮痛作用。

(3)定子繞組直流電阻

通過檢測直流電阻，檢查繞組有無斷線和匝間短路，焊接部分有無虛焊或開焊、接觸點有無接觸不良等現象。

(4)交流耐壓試驗

交流耐壓試驗是鑒定電氣設備絕緣最直接的方法。本次只對1#主電機開展交流耐壓試驗，由于該泵站電動機均為380V低壓電機，根據DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》[1]，采用2500V兆歐表代替交流耐壓試驗。

3 電氣試驗結果及分析

電氣試驗檢測了3#、5#電機運行參數和1#、3#、5#主機組電機絕緣性能，檢測方法嚴格按照規范[1-4]要求執行，所有測試儀器均經過計量檢定。

3.1 電機運行參數試驗結果及分析

電機運行參數包括電機在工作狀態下電壓、電流、功率、功率因數等參數，采用三相電能質量分析儀測定。現狀5#機組運行3～5min就會跳閘，所測5#電機運行數據均為機組運行5min內的實測數據。檢測結果見表2。

表2 3#和5#電機運行參數測試結果

根據表2#電機運行參數測定結果，3#電機運行功率平均值274.91kW，超過了額定功率250kW；實測最大電流值521.7A，電流均值512.2A，均超過了電機額定值490A。3#機組配置的軟啟動器額定功率250kW，額定電流459A，軟啟動器配置的熱繼電器最大可設定跳閘電流為500A，小于實測電機運行電流均值512.2A，會導致熱繼電器跳閘。

5#電機實測運行功率177.3kW，超過額定功率132kW；實測最大電流值309.4A，電流均值302.3A，均超過了5#電機額定電流248A；5#電機采用軟啟動器控制，配置的軟啟動器額定功率132kW，額定電流248A，配置的熱繼電器最大可設定跳閘電流為315A，軟啟動器額定參數低于實際運行參數，容易造成熱繼電器跳閘。

表2中運行參數檢測結果表明3#、5#電機在超負荷條件下工作，容易造成跳閘或電機發熱線圈燒毀事故，不滿足安全運行要求。

3.2 電機絕緣性能試驗結果及分析

分別檢測了1#、3#和5#電機定子繞組絕緣電阻及吸收比和直流電阻，并采用2500V兆歐表的1000V檔位代替做了1#電機定子繞組交流耐壓試驗。直流電阻采用直流電阻測試儀測定。試驗結果見表3—4。表3中的R15和R60分別為15s和60s的絕緣電阻值，吸收比為R60與R15的比值。試驗測試1#和3#電機定子繞組直流電阻時，儀表顯示數據波動始終很大，AB相的值與BC和CA之間的值相差明顯，為此，1#和3#直流電阻做了3次重復試驗，結果列入表4。

表3為1#、3#和5#電機定子繞組絕緣電阻及吸收比測試結果，絕緣電阻均大于0.5MΩ，吸收比大于1.2，符合DL/T 596—1996標準和GB 50150—2016標準規定值，交流耐壓試驗結果正常，該項檢測結果符合規范要求。表明電機繞組對地絕緣性

表3 1#、3#和5#電機定子繞組絕緣性能

表4 1#、3#和5#電機定子繞組直流電阻

能良好，不存在對地短路問題。

表4為1#、3#和5#電機定子繞組直流電阻(MΩ)檢測結果，1#和3#電機定子繞組直流電阻值數據波動是不正常現象，最大線間差別與最小值的比值分別為20.4%和32.3%，超過了GB 50150—2016標準規定的線間直流電阻相互差別不得超過1%的要求，在絕緣電阻及交流耐壓試驗結果均正常的情況下，出現此種現象表明1#和3#電機繞組可能存在內部匝間短路或接頭松動的故障。

5#電機定子繞組直流電阻值最大線間差別和最小值的比值0.35%，小于規范規定的1%標準，表明電機繞組不存在內部短路或接頭松動的故障。

4 結論

通過對1#、3#、5#主電機的試驗結果的分析，各機組故障原因如下。

(1)1#和3#電機繞組可能存在內部短路或接頭松動的故障，是導致開關斷路器燒壞的重要原因，也是電機運行參數超過額定值并導致熱繼電器跳閘的最可能原因，電機運行存在嚴重安全隱患。

(2)5#電機雖然絕緣性能正常，但電機及其軟啟動器額定參數偏低，已在超負荷條件下工作，容易造成跳閘或電機發熱線圈燒毀事故。