水泵配套电动机与机组耐久性探析_湘电集团有限公司_湘潭电机股从限公司

水泵配套电动机绝缘是影响大型水泵机组耐久性的关键部件。本文通过分析耐久性的影响因素，介绍了影响电动机绝缘的因素和确定电动机绝缘状态的方法，计算了基于可靠度的聚酯树脂绝缘及环氧树脂绝缘的老化寿命。根据算例泵站基于可靠度的水泵机组关键部件运行寿命计算了基于可靠度的整个水泵机组的运行寿命，将费用最少的周期作为该泵站水泵机组的大修周期。
关键词：水泵电动机组耐久性影响因素计算
0 引言
目前，泵站大修周期的确定缺乏理论依据，容易出现大修周期太短或太长。大修频繁会造成人力、物力和财力的浪费，同时机组部件的精密配合面会因频繁拆装而受损；大修周期太长，某些关键部件已出现隐患或事故征兆，需修不修，会造成故障影响范围扩大，水泵机组的安全可靠度降低。通过研究水泵机组的耐久性，合理确定大修周期，对水泵机组的安全运行和节省维修费用很有意义。
1 影响水泵机组耐久性的主要因素
水泵导轴承的磨损、水泵汽蚀、电机绝缘老化是影响水泵机组耐久性的主要因素。大型水泵机组运行中会出现故障，如电动机油缸润滑油油质变差、水泵填料密封漏水量大，全调节水泵叶片与轮毅之间的橡皮密封漏油进水等，这些故障对水泵机组的运行影响不大，并且都可以通过小修处理。但水泵机组的有些关键部件的故障损坏会直接导致机组不能正常运行，它们是水泵机组耐久性的决定性因素。
水泵导轴承的磨损量过大，轴承的径向间隙过大，则水泵轴和叶轮的动摆度过大，严重时就会造成叶片碰壳，被迫停机。另一方面当水泵导轴承磨损量达到一定的量，如果不及时维修或更换，就会造成水泵轴磨损量剧增，而修复泵轴需拆装整个机组，耗费大量人力物力。水泵汽蚀破坏过程分为四个阶段：表面发毛、出现针状小孔、小孔发展成窝蜂装凹坑、穿孔或掉边。绝缘是电动机的重要组成部分，在长期运行过程中，由于受电、热、机械力的作用和不同环境条件的影响，绝缘会逐渐老化，当绝缘达到老化极限时，电机绝缘故障会明显提高，并且最终会导致机组被迫停机。
2 水泵配套电动机绝缘耐久性
2.1 电动机绝缘老化因子电动机运行时，其绝缘因长期受热会产生各种物理和化学变化，导致材料变质而劣化。热老化的速率和绝缘受热的温度密切相关，温度愈高，老化愈快。电老化是由绝缘结构上电场分布产生的，主要表现为局部放电、漏电和电腐蚀，产生局部放电的原因是电机内部电场并非均匀分布。在绝缘层内存在空隙，线圈与铁心之间存在空隙，均会产生电场集中，引起局部放电，局部放电能在绝缘层内产生十分细微的树枝放电途径，造成放电区域绝缘腐蚀。漏电劣化则是在有电位差的绝缘表面上形成炭化电路，而使绝缘丧失其功能。当绝缘结构表面污染或附有异物时，在有电位差的部分产生泄露电流而发热，使一部分绝缘材料分解成炭化物。机械老化主要表现为绝缘结构的疲劳、裂纹、散弛、磨损等，它是由起动电动机时电磁力和热应力、运行中的振动、循环热等原因产生的。电动机起动时，电磁力在线圈绝缘内产生很大的应力，在弯曲和挤压应力反复作用下，线圈绝缘层往往产生疲劳甚至断裂。热老化引起的绝缘收缩和绝缘层蠕变收缩将导致绝缘松动，造成了线圈端部和槽内部分的绝缘磨损。由于起动、停机以及负载变化的热循环，在线圈的绝缘层和导线之间因膨胀系数不同产生热应力，导致绝缘与导线间剥离形成空隙，这些空隙又导致局部放电的增加和散热困难。环境老化主要表现为灰尘、油污、盐分和其他腐蚀性物质对绝缘污染和侵蚀，以及绝缘表面吸湿或表面凝露，它们会导致绝缘电阻的降低和介质损耗的增加，电动机绝缘结构的老化是各种劣化的综合表现。电动机绝缘结构在热因子、电因子、机械因子和环境因子的综合作用下，产生了各种老化现象。图1为6kV交流电动机绝缘劣化的过程。
2.2 电动机绝缘的诊断电动机绝缘诊断的顺序如图2所示：
2.3 基于可靠度的电动机绝缘老化寿命的计算根据《泵站电动机绝缘老化原因分析与鉴别》，通过电动机积累运行时间和开、停机次数进行老化分析。电动机积累运行时间增长，绝缘老化逐年严重，绝缘强度也跟着降低，绝缘强度可由下式确定：
式中：KT、KV、KN为热、电、机械老化速率系数；t为运行时间（h）；N为开、停机次数。
电动机绝缘年老化速率计算公式：
式中：Ijy为电动机绝缘年老化量；KTY为电动机绝缘由热因素引起的年老化量；KVY为电动机绝缘由电因素引起的年老化量；KNY为电动机绝缘由机械因素械引起老化量；Na为表示一年内开、停机次数。设KTY、KVY和KNYN相互独立，且它们的概率密度为抛物线分布，则根据基于可靠度的功率备用系数的方法，得电动机绝缘年老化量为K对应的可靠度P（K）为：
编程计算的电动机绝缘年老化量小于某数值的可靠度如图3：
假定当绝缘老化达到30％时就必须进行大修。则基于可靠度的聚酯树脂绝缘的运行寿命为：
计算基于可靠度的聚酯树脂绝缘老化寿命，如图4：
计算结果表明，当电动机的绝缘材料为聚酯树脂时，其具有95％可靠度的老化寿命为16.5a。
3 水泵机组耐久性
3.1 水泵机组的耐久性水泵机组的耐久性主要由水泵机组关键部件的耐久性决定的。算例泵站采用油润滑导轴承，则其水泵机组的耐久性由油润滑导轴承端面密封耐久性、水泵叶片和水泵叶轮外壳耐久性以及电机绝缘的耐久性决定。
3.2 提高水泵机组耐久性的措施
3.2.1 提高水泵导轴承耐久性的措施：提高水润滑导轴承的耐久性需从提高水泵导轴承的抗磨损性能与减少导轴承的载荷两方面出发。应根据设计载荷选择适当的轴瓦材料及材料的厚度，同时为了减少导轴承所受的载荷，泵站设计和机组安装的时候应注意以下几点：①减小电机空气间隙不对称量；②减小转动部件质心离转动中心的偏移量；③即采用护管，减小泵轴的绕流阻力；④减小由于组装误差或叶片形状误差造成的叶片角度不等量；⑤合理设计流道，减小施工误差，从而减小叶轮非轴对称来流的影响。
3.2.2 减少水泵汽蚀的措施：①合理地确定水泵的安装高程，运行时要及时清理拦污栅避免在泵站进水中产生过大的水位跌落；②合理地设计进水池和进水流道，使水泵具有良好的进水条件，使进入叶轮的速率的压力分布均匀，避免产生局部低压区；③根据所需提供的扬程和流量，通过调节叶片安装角度，尽量使工作点移到允许汽蚀余量较小的区域；④提高叶轮表面的光洁度，增强抗汽蚀性能；⑤在容易发生汽蚀的部位涂一层环氧树脂，以提高水泵的抗汽蚀性能；⑥若已出现汽蚀，必须及时采取修补措施。如以高分子材料涂敷：以环氧树脂为主材料，加增韧剂、固化剂和多种填充材料组成，用来修复水泵被剥蚀的部分，修复分底、中、表3层进行，修复的关键是底层涂敷之前应彻底进行被修复面的处理，达到露出金属表面无锈斑、无油垢、无灰尘方可；⑦叶轮及叶轮外壳采用抗汽蚀强的材料，如不锈钢，应用表明，经过一个大修周期，仍无汽蚀痕迹。
3.2.3 延长电动机绝缘耐久性的措施：①在日常管理中，目视检查、绝缘电阻测量，极化指数PI值的确定非常重要。绝不能过载运行，对于过滤器、冷却器在内的冷却系统要经常检查、清扫，消除导电性尘埃，对灰尘要进行分析并采取对策，应根据目视进行槽楔松动、漆膜龟裂等方面的倾向管理；②根据日常维修和检查数据，根据需要为某些项目制定定期检修方案。以免造成非计划性紧急停机而带来的重大损失。在定期检修时，对绝缘要清扫和清理表面污损，干枯的间隔垫片要修补，冷却系统应当调整、修改，要根据振动分析，检查槽楔松动情况，对电机线圈匝间绝缘进行试验，或绝缘诊断，由此为基础进行绝缘性能的倾向管理。
4 算例水泵机组大修周期的定量确定
算例泵站采用ZL30-7水泵、油润滑导轴承、电动机绝缘材料为环氧树脂。水泵设计流量Q＝30.2m3/s，设计扬程为H＝7m。每套水泵机组每次大修费用为8万元。当该泵站水泵机组被迫停机1h，该泵站将少抽V＝3600Q的水，假设泵站的效率为50％，将V体积的水提升设计扬程H高度所要耗费的电能为E＝7200ρgQH。电费每度0.5元，调水泵站电费占整个调水成本的50％，则抽水V体积的水的成本S0＝2gQH元。设泵站经济效益为成本的一倍，则泵站停机1小时的经济损失S＝2gQH。油润滑导轴承端面密封发生抢修时，维修费用SD＝0.35万元，需停机18小时，经济损失为7.46万元。水泵叶轮外壳汽蚀破坏发生抢修时，维修费用SK＝1.2万元，需停机48小时，经济损失为20.02万元。水泵叶片汽蚀破坏需要抢修时，维修费用SY＝1.2万元，需停机48小时，经济损失为20.02万元。水泵配套电机绝缘更换的费用为SJ＝20万元，电机绝缘抢修一般需停机半个月，造成的经济损失为149.16万元。水泵机组关键部件油润滑导轴承端面密封耐久性较差，其具有95％可靠度的运行寿命仅为3.4a，若以此确定机组的大修周期则过于频繁，考虑使端面密封在运行中期中进行一次中修。水泵机组运行必须以安全性为基础，水泵机组的大修周期必须保证水泵机组关键部件在大修前的可靠度在85％~100％之间。水泵叶轮外壳、水泵叶片以及电动机绝缘具有95％可靠度的运行寿命分别为5.3、8.2、28.6a，因此根据叶轮外壳运行寿命选择大修周期。电动机绝缘的抢修费用较高，应根据水泵机组的大修周期合理确定绝缘的更换周期CJT，其中CJ表示大修周期的整数倍，确保在此更换周期下绝缘的平均年更换和抢修经济损失最小。当水泵机组大修周期T＝5.3a，水泵机组维修费用和维修造成的抢修费用的年平均值最小，水泵机组大修前的最低可靠度为98％。
参考文献：
[1]仇宝云.水泵装置理论与关键技术[M].中国水利水电出版社.2008年版.
[2]王优强、黄丙习.水润滑橡胶轴承摩擦试验研究[J].农业机械学报.2007（12）.
[3]宋玲，李鸿琦.水润滑橡胶轴承的摩擦学性能研究[J].润滑与密封.2008（6）.
[4]赵建伟，吕梅蕾.6kV电动机定子绝缘诊断和剩余寿命的预测[J].电气时代，2007（12）.
[5]杨启平.变压器绝缘老化的诊断与剩余寿命评估[J].变压器.2008（2）.

快速链接：湘电集团有限公司湘电股份有限公司湘电风能有限公司湘电新能源有限公司湘电长沙水泵厂湘潭电机厂