排涝泵站大型电动机定子绝缘问题的探讨

　　摘要：电动机定子绝缘性能下降常引发泵站机组异常停机。本文从排涝机组的运行环境和工况等方面着手，针对电动机定子绝缘性能降低的原因和危害进行分析，并依据实践提出相应的改善措施和监测修复手段。
　　关键词：电动机；定子；绝缘问题
　　
　　0、前言
　　随着城市防洪排涝等级的提高，各类大型轴流泵、混流泵、离心泵已投入到排涝泵站的运行中，由于泵站通常建在低洼易涝地区，潮湿、通风不良等环境因素，以及运行过程中水工、机械和运行方式等工况的影响，经常会造成机组配套的大型电动机定子绝缘性能降低。据不完全统计，由定子绕组绝缘问题而造成的泵站停机事故约占全部停机事故的三分之一左右，已严重影响到城市的防洪排涝。因此，分析排涝机组定子绝缘电阻降低的原因，并找出合理的解决办法应是当下泵站管理人员亟待探讨的问题。
　　1、定子绕组绝缘降低的危害
　　在热状态下，一般中小型低压电动机的绝缘电阻值应不小于0.5兆欧，高压电动机每千伏工作电压定子的绝缘电阻值应不小于1兆欧。但经过多年的排涝运行后，我们发现机组定子的绝缘性能有所下降，如红旗浦排涝站装机的3台250KW排涝机组经过几年的运行后，在非汛期的设备检查中运行人员对其电动机定子绝缘进行测量，发现3台电动机的对地绝缘电阻均在0.5MΩ左右，说明定子绕组的绝缘性能已下降，必须查明原因并进行修复，以避免造成不必要的损失。
　　排涝机组若长期定子绝缘性能偏低，则在汛期或者台风期间，承泄区出现超标准水位时，排涝机组因扬程增加而导致轴功率上升，特别是电源工作电压在1000V以上的大型高压电动机，在运行过程中极易发生定子线圈匝间或者相间短路而烧毁电动机，直接影响机组的寿命。
　　2、定子绝缘电阻降低的原因
　　我们依据多年的排涝运行经验，结合排涝机组特定的环境和工况，对泵站大型电动机定
　　子绕组绝缘降低的原因进行分析。
　　以三相异步电动机为例，影响其绝缘性能的主要指标包括：
　　a、槽绝缘：防止绕组对铁芯（地）短路；
　　b、匝间绝缘：防止绕组匝间短路；
　　c、层间绝缘：针对双层绕组来说，防止层间绕组短路；
　　d、相间绝缘：防止三相绕组相间短路。
　　造成电动机定子绕组绝缘性能降低的原因主要有：环境污染、工况因素、泵房温度影响等方面。
　　2.1环境污染——潮湿、吸尘和其他污染物
　　排涝机组多安装于河道地势较低侧，其环境因素造成了机组定子线圈容易受潮受污染，污染物中含有盐分、酸性或碱性物质、金属离子、水份等，这些物质粘在定子线圈表面，腐蚀绝缘材料导致其电导率增大，电阻率降低，同时绝缘介质极化大大增强，介质中出现不同的介质分层，层面上有一个电荷重新分配的介质分层极化过程，其间会产生介质损耗。当线圈受污、受潮越严重，介质损耗也就越大，介质损耗使绝缘介质内部发热，温度上升，使得介损更加严重直至绝缘不断老化，最终导致电机的绝缘电阻不断降低。
　　2.2工况因素——机械、水工、运行方式的影响
　　排涝机组承担着城市防洪排涝的任务，因此在汛期特别是在台风或者洪水期间，承泄区水位超过标准水位甚至达到警戒水位时，排涝机组因扬程增加将导致轴功率上升，水泵经常超负荷运转，容易引起电动机过载造成绝缘老化。此外排涝期间泵站经常出现进水渠道拦污栅杂物拥堵现象，加之进水流道设计不合理等因素，造成上游来水不畅，水泵淹没深度不够，机组负荷变化大、承载不均，甚至出现机组频繁启停的现象。由于定子绕组与定子铁芯、槽楔材质不同，开机期间，定子线圈温度上升较铁芯快（高于铁芯温度20～30℃），其膨胀程度大于定子铁芯和槽楔；而当机组频繁启停或负载波动较大时，根据定子的结构特点，其绕组线圈被嵌套在定子槽道内，由于热胀冷缩现象和长期运行后绝缘材料特性的变化，槽楔就会出现松动现象；此外，运行中的线圈由于受到不断交变的径向电磁力的作用而发生振动，定子线圈防电晕层逐渐磨损，将会引起电动机槽部定子线圈表面与槽楔、槽壁之间失去良好接触而产生火花放电，造成电晕和电腐蚀，最终造成电动机定子绝缘降低或损坏。如魁岐排涝站大型斜卧式水泵，其配套的2000KW高压双速电动机在大修期间就发现定子槽楔材料老化收缩、下垫条老化松动跑出等现象，后在大修过程中采取撤换老化槽楔，更换较厚的楔下垫条，再打入新槽楔，涂上环氧胶等一系列处理措施，电动机的性能才得以修复和提高。
　　此外，排涝机组电动机与水泵通常是通过联轴器相联接，运行过程中，水泵经常会因为进口流速和压力分布不均匀、负荷变化等各种原因引起机组振动；水泵启停、阀门启闭等工况改变以及事故紧急停机等动态过渡过程造成的输水管道内压力急剧变化和水锤作用等，也常常导致机组产生振动，引起机组轴承轴瓦烧蚀等机械故障。电动机结构上定子和转子间存在气隙，如果振动超过了最大的允许值将会导致电机转子偏心，定、转子铁芯“扫膛”，铁芯温度迅速上升，严重时电动机冒烟，甚至影响定子绕组的绝缘最终导致线圈烧毁。如09年1月彬德排涝站1#机组出现开机时剧烈振动，视觉上可见主轴摇摆，并闻到橡胶烧焦臭味，经检查发现机组定、转子间隙不均匀，转子偏向正Y与正X方向0.45mm，机组下水导瓦磨损严重，险些酿成电动机线圈烧毁的大事故。
　　2.3泵房温度的影响
　　排涝机组安装受地理位置的影响，泵房内通风散热条件多不理想，汛期、台风等开机运行期间又多处在高温的夏季，虽然采取了一定的散热措施，在泵房内增设多台大型鼓风机，但由于没有导风渠道，泵房空气对流不畅，效果并不理想，机组的运行环境温度仍然很高。在高温的情况下，定子绕组绝缘介质内部因介质损耗而发热，当绝缘介质的热量不能散发，将使其温度继续升高，产生热性变化，最终造成绝缘电阻性能降低。
　　3、 改善定子绝缘电阻的措施
　　我们从定子绕组绝缘性能降低的原因入手，结合泵站的运行实际，可以采取电机烘干、改变环境和工况、定期测量定子绕组、定子清洗等方式改善大型电动机定子的绝缘性能。
　　3.1电动机烘干
　　针对泵站潮湿的地理环境和自然工况，排涝机组的定子线圈容易受潮，特别是在非汛期机组长时间停运的状态下，开机前一定要烘干。其方式除了对电动机设置加热器外，还可人工快速烘干：将电动机定子线圈串接到交流电焊机的输出端，控制并调整电焊机电流，使得烘干电动机每相绕组分配的最大电流不超过原额定电流的50%—60%（由于各种电动机的具体情况不同，一般所需干燥电流的大小，应以定子铁芯温度在通电3-4小时内达到70-80℃时为宜），通电后利用电动机本身的铜损烘干电机，一般烘10—20小时即可提高定子线圈绝缘电阻达到合格要求。如果电动机加热器功率足够，对于小型泵站也可利用非汛期轻载试机的方式动态烘干，如我们现行泵站的管理模式，在非汛期规定依据水位每月试机两次，每次30分钟至60分钟不等，这样既可以烘潮，又可以通过试机判断机组的工况，一举两得，收效甚好。
　　3.2 改变环境和工况
　　改善泵房环境，做好设备卫生，减少粉尘、油污等污染；另外泵房增设通风设施，增强空气的对流，降低运行温度；合理设计和改善进出水渠道，调节机组的运行方式，尽量避免因水文水工和水泵机械原因造成的定子线圈损伤，减少机组振动，减少开、停机次数等等。
　　3.3 测量定子绕组
　　定期测量定子绝缘电阻，合理安排预防性试验。定子绝缘电阻测量一般情况每季度测量一次，雨季时缩短周期，潜水泵应增加测量的频率，特别是高压潜水泵最好每次开机前摇测一次绝缘。各泵站对于每次测量的数据应存档比较，以便随时通过数据变化掌握定子绕组的状况。
　　3.4定子清洗
　　定期进行定子清洗，至少一年一次，五年一次抽芯清洗。清洗方法如下：
　　拆下电动机防尘外壳，用7-15bar压缩空气对电机定子线圈吹扫，将大部分粉尘吹出后，再用HS-25型电机专用清洗剂与压缩空气混合冲洗定子，这样可将粘结较牢固的粉尘、油污清洗掉，清洗后再喷上NC-123型绝缘防护剂。如果定子过于油污，使用再多清洗剂都无法清洗干净时只好将转子抽出来后再彻底清洗。
　　4、定子绝缘的监测和修复
　　4.1 监测措施
　　电动机定子绕组故障监测方法主要分为两类：一类是基于故障特征信息的提取和监测，其信号主要来源于电机的电流、电压、温度及磁通、振动等；另一类是基于准确建立电机故障的数学模型的故障识别方法，如参数估计法。目前国内外已根据以上监测方法生产出不同类型的电动机定子绕组绝缘检测装置，它们不仅能够高灵敏度、高可靠性地在线监测异步电动机定子绕组短路的初发故障，而且可以判断短路相，因而可有效保障电动机的安全运行。
　　4.2定子绕组的修复
　　在修复定子线圈绝缘电阻方面，因排涝机组承担着城市防洪排涝的任务，若故障机组返厂大修其时间长、成本也高，势必影响防汛工作。因此，我们可以借鉴电厂的宝贵经验，事先了解设备出厂厂家的生产工艺及绝缘构成，在保证检修工艺的前提下，制造一些必备的工装夹具，在确定故障点后，可采用以下维修方法：首先用铲刀撬开故障点，去除原绝缘层并清理干净，如故障面积大时，可用粉云母带包缠，但要注意包扎绝缘带的机械强度和尺寸应尽量与原来出厂情况相匹配，小面积的故障处可用厚度为0.15mm的环氧玻璃纤维板塞入，经浸漆、烘干后即可，修复完毕应对电动机作相应等级的短路测试及预防性试验。
　　结语
　　随着排涝机组在城市防汛事业中作用的提升，大型电动机定子绝缘问题在排涝泵站中已越来越受到重视，对于电动机厂家而言，如何在定子绝缘电阻监测、保护方面与泵站的运行工况相结合是目前很重要的课题。国内外已开展了大量的相关研究工作，例如使用超声波脉冲对运行中的定子绝缘材料作扫描，根据回波来分析主绝缘的老化情况将是一种新的研究方向。
　　
　　参考文献：
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