大型灌排泵站智能绝缘干燥处理技术研究与应用_夏长虹.pdf

2023 1期大型灌排泵站智能绝缘干燥处理技术研究与应用夏长虹（安徽省驷马山引江工程管理处，安徽 马鞍山 ）摘要：大型电动机是灌排泵站的核心设备，温度骤变会造成电动机各种材质的缩胀，产生应力和相对移动，从而在电动机定子、转子内部产生间隙、空隙或裂缝，降低电动机绝缘，并在电磁力的作用下进一步恶化。通过控制电动机体的温度变化，尤其是智能控制温度，防止并驱除电动机绕组内部潮气，能减缓电动机绝缘的老化，并改善电动机的绝缘水平，从而提高电动机使用寿命，提升灌排泵站的精细化、智能化、现代化管理水平。关键词：膨胀系数；停机温度；温度管理；使用寿命；绝缘干燥中图分类号：（，）：，：；收稿日期：引言灌排泵站是农业生产、农民增收和区域环境改善的重要基础设施，基本分布在灌区或涝区。灌排泵站特别是大中型泵站，已成为我国灌溉排水网络的骨干和支柱工程。目前，全国机电灌溉排水面积约为 亿平方米，有力提高了各地抗御自然灾害能力，对保证农业稳产高产，保障国家粮食安全、供水安全、防洪安全等起到了关键性作用。灌排泵站的主电动机是泵站工程的核心设备，而电动机绕组绝缘是电动机设备安全运行重要的技术指标。灌排泵站主电动机绕组绝缘分析、维护和动态监测，是灌排泵站重要日常技术管理工作，关系到泵站工程安全运行和效益发挥。在灌排泵站，泵站停机事故时常发生，电动机的绝缘故障是造成泵站故障停机的一个非常突出的原因，在所有的泵站故障停机中，大约有 的泵站故障停机是由定子绕组绝缘因素造成的，已严重影响到灌排泵站安全运行和效益发挥。造成电动机定子绝缘性能下降的原因有很多，如电动机受潮、吸尘，盐分、酸碱等污染，泵房通风散热不良，运行工况差及运行启动频繁等方面。大型灌排泵站通常跨河建造或建在邻河低洼地区，湿度大，通风散热较差，尤其是季节性运行泵站，长期停运，运行时又启动频繁，在潮湿、炎热或温差大的环境下，绝缘很容易下降，除了严重影响设备安全外，对电动机的寿命影响也非常大。电动机绝缘下降机理分析 不同膨胀系数的影响电动机是由十几种材料或物质构成的不均质体，其中定子和转子主要由优质碳钢构成，绕组线圈一般由铜或铝质材料构成。为了确保特性和绝缘水平，电动机还使用了绝缘胶、绑带、绕组氧化膜绝缘层、高导磁绝缘泥、防电晕材料、加固绝缘泥、涂制绝缘层、槽楔、填充绝缘导磁材料等。各种材料的温度特性、膨胀系数及膨胀系数曲线都不相同。在组成电动机的材质中，铜和硅钢等属于金属材料，槽楔和填充绝缘导磁材料等属于非金属材料，而各种绝缘漆等又属于有机材料。这些不同材质或介质的材料在相同电气设备电工技术中国电工网环境温度下的膨胀系数是完全不一样的，同一种介质材料在不同环境温度下的膨胀系数也是不尽相同的，同一材质在同一温度下的膨胀系数也会因升温过程和降温过程而不同。以图所示碳钢膨胀曲线为例，碳钢随着温度的上升，膨胀系数变化不是按照线性变化（单调上升或单调下降）的。当温度升高到一定程度时，膨胀系数升高到点，之后急剧下降，衰降到点时，膨胀系数又随着温度的升高而按照近似线性提高；反之，在温度下降过程中，膨胀系数并非与温度升高时数值相对应，即使是相同温度下，温度升高和温度下降过程中对应的膨胀系数也是不相同的，比如在段，随着温度的不断上升，膨胀系数是按照下降趋势变化的，而在段，则随着温度的降低，膨胀系数反而不断增大。这些变化都是由于钢铁材质在温度的变化中，材料的同素异构转变造成的，因此在特定温度下，有的材料会出现热胀冷缩，有的材料反而会发生热缩冷胀现象。图 1 碳钢膨胀曲线图L/LT/kagfbced 材料应变的影响电动机是多种材料通过各种方式结合在一起的不均质体，由于各种介质材料的膨胀系数的不同，在电动机温度升高或降低时，有些材料膨胀较快，有些材料膨胀得慢一点，甚至有些材料在其他材料膨胀时反而收缩，这就造成 了 电 动 机 在 轴 向 和 径 向 两 个 方 向 都 会 发 生 形变，从而导致各材质间产生应力，形成相对形变，造成各材质间极有可能产生极其细微的间隙或裂缝等缺陷。这些因素将始终伴随在电动机的左右，只要电动机本体温度发生变化，不论电动机运行温升还是停机状态下环境温度的变化，都会产生应力和形变，甚至移动。随着时间的推移，这些细微的形变或移动会随着时间的增加而不断累积，进一步扩大材质间的形变和相对移动，导致电动机结构出现影响安全运行的缺陷。这就解释了一台合格的新出厂电动机，长时间搁置不用后会造成绝缘电阻非常低，不满足通电运行标准，如果强行通电就极有可能造成电动机烧毁。电磁转矩的影响电动机在运行过程中，电磁转矩的影响也不容忽视，主要表现为磁场中形成的电磁力长时间作用在带电流的导体上，会造成带电流导体相对移动或振动。电动机绕组由于受到电磁力作用而在槽内振动，一定程度上造成绝缘磨损，这种电磁转矩会向部分松动的绕组提供振动的动力，使因温度变化而产生的间隙或裂缝等缺陷雪上加霜，相互叠加作用加剧，减少了电动机的寿命。电动机在遭遇温度迅速变化时，在定子、转子各材质间产生的应力会使电动机内部间隙、空隙、裂缝随着温度的变化而相应变化。气囊中的空气会随着温度的变化而进出，并将环境空气中的粉尘和潮气带入，导致电动机的绝缘性能进一步恶化、降低。综上所述，不论是膨胀系数还是材料应变，都和温度密不 可 分。一 般 情 况 下，电 动 机 温 度 变 化 率 不 宜 过大，否则会影响电动机的使用寿命。正常情况下，电动机温度变化率除与电动机本身的温度有关外，还与环境温度关系密切，实质是取决于电动机本身温度与环境温度的差值，当环境温度高时温度变化率就变小，当环境温度低时温度变化率就变大。为此，当电动机停机时，如果环境温度非常高，由于电动机处于热机状态下，那么电动机实时温度与环境温度之间的差值较小，温度变化率相 对 较 小，这 种 情 况 对 电 动 机 非 常 有 利。由 此 可知，如果在电动机起动前，就人为地把电动机本身的温度提高，使电动机本身的初始温度与电动机稳态运行温度之间的差值变小，那么温升曲线就相对变缓，温度变化率也 相 对 较 小，这 对 电 动 机 的 使 用 是 有 好 处 的；反之，如果环境温度非常低，而电动机处于热机状态下，电动机本身稳定运行实时温度会相对较高，那么电动机实时温度与环境温度之间的差值就非常大，从而使得温度变化率非常大。假设环境温度为 ，电动机实时运行稳定温度为，那么电动机升温过程和冷却过程都要经过 的温差，需更长的温升时间，这种情况对电动机的运行非常不利，长此以往，电动机使用寿命将受到严重影响。因此，电动机在停机期间的温度管理非常关键，直接关系到电动机使用寿命。如果人工干预电动机起动前的初始温度，使其保持在一定的温度水平上，稳定电动机停机过程中的温度，维持电动机停运后的温度在一定高度，使电动机各材料间应力缓慢释放，从而减轻材料间的相对移动，那么就能有效延长电动机的使用寿命，提高电动机的绝缘水平。电动机温度管理常用方法电动机温度管理的方法通常有外热法和内热法。外热法是在电动机外部产生热量，由外向里传热，发热简单，热量温度不高，对电动机损伤小，不易产生危险；缺点是吹入热风的同时也会把水汽带入，初期使绝缘下降更厉害，加热效率低，提升绝缘慢，而且电动机各部位温度分布也极不均匀。这种方法又分为红外线灯泡加热法、热风加热法及发热管加热法等。内热法是在电动机内部的绕组上通入电流，利用线圈发热，热量由內而电工技术电气设备2023 1期外发生，湿气从里向外扩散，热效率高，除湿速度快且彻底。内热法分为转子内热法和定子内热法。转子内热法只适用于同步电动机和绕线式异步电动机，是在转子绕组內通入直流电或交流电，利用转子绕组发热。这种方法先加热转子，再通过气隙传入定子，热效率稍低，但会导致转子弯曲、碳刷和滑环过热，因此加热过程需经常用外力转动转子，操作起来较困难。常见的定子内热法有自耦变压器法和电焊机法。自耦变压器法是在定子通入三相交流电，利用交流发热，发热效率高，效果好，但会引起电动机转矩，使电动机线圈受力，同时电流不可控，易过流，因此需人工监控，不停调节，工作量较大，易损坏电动机。电焊机法是在定子通入单相交流电，发热效率高，除湿效果好，但电流不可控，还不能像自耦变压器一样能人工调节，需较强的劳动强度和责任心。以上方法的共同缺点都是人工控制，温度可控性较差，不易控制温度的变化率，电动机各处温度分布不均匀，会加剧材质的胀缩效应，降低电动机寿命。随着科技不断进步，各种新技术不断涌现，特别是电力电子技术的发展，使得可控的变流技术变为可能。采用半导体变流技术，可 对 电 动 机 绕 组 温 度 管 理 过 程 进 行 精 确 控制，能根据反馈的温度，随时进行快速调整，既能达到干燥受潮绕组目的，又能对电动机机进行保护，防止损坏电动机，还有利于节能，促进了绕组绝缘干燥处理智能化的应用。智能绝缘干燥处理技术应用安徽省驷马山引江工程管理处滁河一级站位于全椒县古河镇石溪行政村境内，右岸与巢湖市苏湾镇东黄行政村大王庄自然村相连接，工程始建于 年，年建成投入使用，是滁河上游洪水下泄、上游灌区供水的关键工程。目前，该站安装了台 大型电动机。由于泵站环境和运行间歇时间长的原因，该站主电动机在每年抗旱开机前，都要通过电热管加热以提高电动机绕组绝缘，满足开机运行条件，给运行管理带来了非常不利影响。近年来，该站研究并应用了一种大型电动机智 能 干 燥 处 理 技 术，根 据 泵 站 实 际 进 行 优 化 设计，较好地解决了长期不运行电动机绝缘下降问题，确保机组安全投入运行。智能绝缘干燥处理技术设计原则（）实用性与经济性的统一。坚持实用性第一的原则，按照自动、安全的原则，满足系统管理人员和使用人员的业务需求，能适应新技术的发展，同时努力降低建设费用，采用技术成熟和稳定的产品。（）合理性与先进性的统一。严格遵循系统工程的设计准则，在系统的合理性与技术的先进性之间取得均衡。应努力追求整个系统功能的科学合理性，防止片面追求某一局部的高指标与先进性。在保证整个系统功能和性能的前提下，最大限度地采用成熟、可继承、具备广阔发展前景的先进技术。（）标准化与开放性的统一。尽量采用标准化、模块化设计并严格遵守相关技术的国际、国内和行业标准，以确保系统之间的开放透明性和系统之间的互连互通。（）可靠性和安全性的统一。整个系统采用具有高可靠性的总体设计，首先确保电动机的安全和设备的安全，做好高压和低压的完全隔离，采用 进行多判据逻辑互锁，做到新设备的投入，不会影响站内既有设备的正常运行。（）易管理性和易维护性的统一。系统易于管理和维护，采用标准的模块化制造技术，简洁易用的体系结构，以降低系统运行维护费用。智能绝缘干燥处理装置功能该技术选择 智能干燥除湿装置作为电动机温度管理的核心部件，它采用最先进的数字控制技术，通过先进的算法，控制电力电子器件的开关状态，实现输出的可控和稳定。装置采用的是基于可控的变流技术下的定子内热法，从电动机内部驱除潮气，具有提升绝缘快速、彻底的优点，同时具有安全、稳定、可靠、方便调节的特性；主要是在定子內通入单相脉冲电流，电流可控、精度高，响应速度快，能精确控制温度的变化率，运行模式有工作模式、保温模式和强干模式，能根据环境温度变化曲线和电动机自身的温度，自动调节干燥电流，既能保证绝缘不下降，又能使功耗最低。绝缘干燥处理器配合外部断路器、变压器、传感器、高压真空断路器和保护器件，能实现装置的自动投入和退出，实现电动机绝缘干燥的自动运行。智能绝缘干燥处理装置内置绝缘自动测试仪，并设置了安全隔离电路，绝缘测试装置会定时测量电动机绝缘，并进行归档记录，绘制历史曲线，以便随时查看绝缘变化情况；同时能采集电动机温度、环境温度及电动机的绝缘数据，并形成历史记录和历史曲线，既可在触摸屏上查看，又可上传上位机，形成数据库，实现大数据管理。由于干燥加热装置是高压和低压结合装置，因此在结构设计上必须符合高压和低压规范，做到高压和低压分室安装，并确保人员的安全性，既符合高压柜的“五防”安全特性，又能像低压一样，操作简便、安全。对于高压和低压，有明显的安全警示和安全联锁，确保电路的安全隔