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(xiàn)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(tǒng)進行了現(xiàn)場電氣檢測試驗，在檢測數(shù)據(jù)的基礎上，分析了電氣系統(tǒng)可能存在問題的原因，為泵站安全運行提供了科學依據(jù)，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(qū)，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(shù)見表1。

表1 電機及主要電氣設備的額定參數(shù)

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(fā)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(shù)，逐項排除究竟是電氣系統(tǒng)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(shù)偏低[6]等問題。為此，首先針對電氣系統(tǒng)開展現(xiàn)場電氣試驗，通過檢測運行參數(shù)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(shù)

根據(jù)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(shù)是否正常；如果運行參數(shù)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(shù)如下。

(1)主機組電機運行參數(shù)

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(shù)。檢測了3#、5#主機組電機的電流、電壓、功率、功率因數(shù)等參數(shù)。由于5#機組開機3～5min就會保護跳閘，測試數(shù)據(jù)為開機5min內的運行參數(shù)。

(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(tài)是否良好的重要依據(jù)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(jù)GB 50510—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規(guī)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(jīng)調理治療。脈沖射頻治療神經(jīng)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(jīng)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(xiàn)神經(jīng)熱離斷效應,從而避免術后出現(xiàn)感覺減退、灼痛、酸痛及運動障礙等并發(fā)癥。脈沖射頻的鎮(zhèn)痛機制尚不明確,可能的機制為激發(fā)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(jīng)周圍炎性介質,從而起到鎮(zhèn)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(xiàn)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(jù)DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規(guī)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(shù)和1#、3#、5#主機組電機絕緣性能，檢測方法嚴格按照規(guī)范[1-4]要求執(zhí)行，所有測試儀器均經(jīng)過計量檢定。

3.1 電機運行參數(shù)試驗結果及分析

電機運行參數(shù)包括電機在工作狀態(tài)下電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，采用三相電能質量分析儀測定?，F(xiàn)狀5#機組運行3～5min就會跳閘，所測5#電機運行數(shù)據(jù)均為機組運行5min內的實測數(shù)據(jù)。檢測結果見表2。

表2 3#和5#電機運行參數(shù)測試結果

根據(jù)表2#電機運行參數(shù)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(shù)低于實際運行參數(shù)，容易造成熱繼電器跳閘。

表2中運行參數(shù)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(fā)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(shù)據(jù)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(guī)定值，交流耐壓試驗結果正常，該項檢測結果符合規(guī)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(shù)據(jù)波動是不正?，F(xiàn)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(guī)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(xiàn)此種現(xiàn)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(guī)范規(guī)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(shù)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(shù)偏低，已在超負荷條件下工作，容易造成跳閘或電機發(fā)熱線圈燒毀事故。