潜水泵电机出现扫膛故障的原因分析与对策*

操松林，　韩彩红，　张高正，　黄永远

(1. 合肥通用机械研究院，安徽 合肥　230031；

2. 安徽普菲克电机电泵制造有限公司，安徽 合肥　230094)



潜水泵电机出现扫膛故障的原因分析与对策*

操松林1，韩彩红1，张高正2，黄永远2

(1. 合肥通用机械研究院，安徽 合肥230031；

2. 安徽普菲克电机电泵制造有限公司，安徽 合肥230094)

摘要：分析了某钾肥厂冷却水循环系统潜水泵电机出现扫膛故障的原因： 电机转子发热，如不能及时冷却，必然使其温度升高，电机出力下降；同时因转子温度沿轴线方向不一致，转子受热膨胀将呈纺锤形。当转子膨胀量超过气隙时，就和定子内腔壁接触摩擦，即出现“扫膛”现象。大功率干式潜水电机应配置风扇与气水换热器组成的冷却系统。电机内腔中空气通过风扇驱使强制循环流动，在流过转子内缝隙时吸收转子产生的热量；在流过换热器处时，与外界冷却水进行热交换，释放出热量。这样导出转子的热量，就解决了电机转子冷却问题。在高海拔地区使用的潜水电机，应对电机的设计功率进行修正。

关键词：潜水泵； 故障； 扫膛

0引言

潜水泵是由潜水电机和泵组成的一体化设备。潜水泵具有以下特点：

(1) 结构紧凑，维护方便；

(2) 安装便捷，不需要厂房，土建安装费用低；

(3) 不怕水淹，起动时不需要灌泵，因此起动灵活；

(4) 运转稳定(运行时噪声低、振动小)，安全可靠，易于自动控制。

基于人们对上述优点的认识，以及随着潜水泵的大型化和潜水泵可靠性、安全性的提高等，潜水泵应用的领域越来越广，甚至在某些领域有着独领风骚的优势，如潜水泵在工厂循环水系统、矿山抢险排水、南水北调工程、城市雨污水泵站、城市污水处理厂及河流防洪排涝泵站等场合广泛应用[1]。

1问题的提出

青海某钾肥厂冷却水系统： 从地下水池取水，泵送到一些需要水冷却的设备，热交换后，水回流、经冷却塔喷淋落入水池，实现冷却水的循环利用。按照工艺设计，选用6台潜水离心泵(3用3备)，工作方式为连续运行。泵技术参数如表1所示。

表1　潜水泵性能参数

如图1所示，潜水泵安装在水池中，泵入口标高0.3m；泵出口标高2m，在出口管路处安装有压力表，对泵运行工况予以监控。正常工作时，电机处于淹没状态，最低工作液位1.6m，最高工作液位5m。

图1　青海某钾肥厂潜水泵安装图(m)

2014年装置投产，测得泵出口压力0.4MPa，用射线流量计监测到的流量接近设计流量，泵基本在额定工况点附近运行。根据运行记录，6台泵开机后安全运行时间都不长(有的几个小时，有的约一周)，泵先后出现故障。其故障现象为泵运行一段时间后电流瞬时增大，保护跳闸，电机停转。

用兆欧表对电机绝缘电阻检查，测量停转电机的绝缘电阻为0Ω。拆检发现电机的绕组线圈烧毁，定子内壁中部、转子外壁中部有明显的摩擦痕迹，充分说明电机出现了扫膛现象，如图2所示。仔细观察痕迹特征： 不论是定子内壁，还是转子外壁，摩擦痕迹在圆周上是连续的、全周向都有，宽度50～100mm。由此可以判断，扫膛不是转子偏心引起的，而是定转子中间部位电机气隙为0mm、相互接触引起的。

图2　电机气隙处摩擦痕迹

检查设计图纸及加工记录，电机的设计气隙是单边间隙1mm，加工尺寸并无问题。电机运转时出现气隙为0的原因有待分析。

2原因分析

潜水电机分为湿式电机(电机内部充水式)和干式电机(电机腔体内为空气，轴封为机械密封)，如图3所示。

图3　青海某钾肥厂潜水电机结构图

湿式电机除了定子外壳水冷外，内部转子上设置泵效轮、或利用所充水的压差，使所充水循环冷却。通过布设在内腔的温度传感器监控绕组温度，防止缺水引起电机烧毁。对湿式电机来说，保证电机在设计温度下工作是比较容易实现的。干式潜水电机则有所不同。干式潜水电机内部仍然为空气，电机的冷却条件较湿式电机差。干式潜水电机一般按F级绝缘、轴承黄油润滑、防护等级IP68设计。电机的设计工作温度40℃，F级绝缘温升115K，极端情况下干式潜水电机内部线圈温度不得超过155℃；而滚动轴承黄油润滑，温度应不超过95℃。

干式潜水电机除定子外壳水冷外，内部靠仅有的空气导热通过电机端盖等向外散热，以及通过电机轴向外界传热。对小功率电机来说，电机发热不多，可实现热平衡，工作时温度可控制在要求的范围内。对大功率电机来说，电机转子上的发热量比较多，如不采取辅助的导热措施，电机内部热量难以向外界散发或传递，电机内部温升很快就超标，进而使电机失效。因此，大功率干式电机，需要设置换热系统，使内部气体循环流动，通过气水换热来降低转子的温升。

青海某钾肥厂使用的6台潜水泵均为干式潜水电机，且电机设计功率为280kW。经分析，该项目6台泵出现故障有两方面的问题。

(1) 泵选型时，没有考虑海拔高度对干式潜水电机性能的影响[2]。高海拔，则气压低，环境温度也略有降低。高海拔影响空气的绝缘强度和空气散热。海拔高度在1000m以上时，每升高100m所需的环境温度降低补偿值规定按温升极限的1%折算。如果最高环境温度的降低值不足以补偿由于海拔高度提高所造成的冷却效果的降低，应对电机的额定输出功率进行修正。青海某钾肥厂的海拔高度为2800m，夏季最高气温30℃。干式潜水电机在南方低海拔地区制造，但在运抵高海拔现场后，内部气体由于压差作用，会通过机封处缓慢渗漏而变得稀薄，密度变小，从而影响传热，使电机的设计功率降低。人们对这一点的认识，常被潜水电机浸泡在水中这一表面现象所蒙蔽，忽略考虑潜水电机内腔空气变稀薄而影响电机出力的事实。

对空气冷却的常规三相电机，其额定功率输出值降低可按每欠补偿1K，功率降低1%计算。本工程项目中，如果电机按完全风冷考虑，其所需的温度补偿值Δt和额定功率下降值ΔNe：

Δt=[(h-1000)Δi-(40-tat)]=

[(2800-1000)×0.0115-

(40-30)]=10.7℃

ΔNe=[(h-1000)Δi-(40-tat)]×Ne/100=

[(2800-1000)×0.0115-(40-30)]×

280/100=29.96kW

式中：h——海拔高度,2800m；

Δi——每提高100m海拔高度时所需的温度补偿值，Δi=0.0001×电机温升极限=0.0115K/m。电机温升极限取115K。即设计温度40℃，加上F级绝缘温升105K，电机定转子线圈最高耐热温度145℃，使用地点环境温度30℃，温升差值即为145-30℃=115K。

tat——使用地点的环境温度值，30℃。

也就是说，正常设计280kW的三相电机，在青海某钾肥厂现场使用，其输出功率至少降低29.96kW。鉴于本项目为潜水电机，外部冷却较常规电机有利，在无资料可查、无经验可循的情况下，按一半考虑，正常设计的潜水电机在现场功率下降15kW。

(2) 电机设计本身存在缺陷，未进行热平衡校核。所用6台潜水泵电机定子外壳为铸铁件，没有设计气水换热系统，未充分考虑电机内部转子散热。设计方案如图3(a)所示。

电机定子硅钢片发热温度会升高，通过接触传热，有一部分热量会传递到电机外壳体。电机外壳在外接水(泵送水)的冷却下，温度基本为常温，因此，从外而内，定子虽有温度上升梯度，但总体来说受到外部水冷却的限制。即定子的温升有限，同时在外壳体的约束下定子内壁的尺寸变化不会太大。如果受热膨胀，可能会导致定子内孔的尺寸变小。

转子产生的热量难以对外传递，温度上升较多，在无外界约束的情况下膨胀变形。当温度达到某一值时，转子的外径尺寸就会达到定子内径的尺寸，即电机气隙为0mm，定转子接触，从而出现电机扫膛现象。电机扫膛也会产生热量，这些热量进一步加剧铁心的膨胀变形，形成恶性循环。

从电机结构的细节上看，越往转子铁心中部，散热越差，温度越高；越往转子铁心端部，散热相对好一点。即转子中部铁心膨胀后尺寸较端部大，整个转子铁心成纺锤型。这就是对扫膛只在铁心中部这种现象的很好解释。

3解决方案

针对这两个原因，从两个方面着手，提出解决问题的技术方案，对电机结构予以修改。修改后的结构如图3(b)所示。

(1) 按照电机设计手册上关于海拔高度对电机功率影响的系数计算方法，对电机的设计重新校核，适当增加了硅钢片的数量，保证在高海拔地区电机设计功率满足泵需求。

(2) 将电机外壳换成碳钢材质，利用槽钢在电机外壳上焊接出多个气体回流通道，相当于在电机外壳上加装了列管式换热器。其次，在电机轴上部加装轴流风扇，让内部气体循环起来。这样一来，电机内部的空气，在风扇的作用下，从下部腔体通过转子铁心与轴之间的缝隙向上端流动，再通过定子外壳上的回流通道及气隙，回到电机下部内腔，实现气体的循环流动。气体在通过定子外壳上的回流通道时与外夹套中的水进行热量交换。

(3) 将转子铁心与转子轴间的连接处满焊，以加强轴向外导热的能力。

为了验证理论分析及改造效果，在改造后的电机定子内壁中间位置上粘贴一个测温试纸，在转子外表面上、中、下位置分别粘贴一个试纸，如图4所示，测量定子转子的实际温度。泵运行7h后，解体检查，测得的温度如表2所示。

图4　电机定转子上粘贴测温试纸图

表2　改进后电机内部温度

从表2中数据可以看出：

(1) 测得的转子温度最大100℃，考虑温度补偿10.7℃，换算到青海某钾肥厂现场的温度，电机是安全的。

(2) 分析的定子温度低于转子温度，以及转子中间温度高、两端温度低的假设是正确的。

(3) 电机的转子下部的温度低于上部的温度，说明电机内部空气流动，对转子冷却效果是明显的。即气体通过定子外壳通道时，得到了冷却。冷却后的空气从电机下部往上流动时，温度升高，造成转子上部的温度略高于下部。

(4) 电机定子温度上部比下部低，这与电机外壳水冷有关，与冷却水的流向有关。

改造后的潜水泵经三个月运行，未出现扫膛问题，改造成功。

4结语

干式潜水电机的潜水泵用在高海拔地区时，其电机散热与常规的三相异步电机类似，散热效果变差，须考虑海拔高度对电机性能的影响。当海拔高度的影响超过因海拔升高带来的环境温度降低的影响时，需对电机的设计功率予以修正。在实际操作中，可采取电机降档使用的办法或者增加铁心长度非标设计的方法来解决。

大功率干式潜水电机须设置换热器和内部风扇等组成的气水换热系统，使电机内部空气流动、转子热量向外交换，以便控制电机内部温升、确保电机热平衡。

【参 考 文 献】

[1]王友军，朱军.潜水泵的常见故障及对策[J].科学与管理,2010(3)： 104-105.

[2]全国化工设备设计技术中心站.工业泵选用手册[M].北京： 化学工业出版社，1998.

*基金项目： 国家科技支撑计划项目(2013BAF01B01)

The Analysis and Countermeasures of Stator Scrapping

Rotor for Submerged Pump Motor

CAOSonglin1,HANCaihong1,ZHANGGaozheng2,HUANGYongyuan2

(1. Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031, China；

2. Anhui Pofoco Motor Pumps Manufacturing Co., Ltd.，Hefei 230094, China)

Abstract：The fault reasons of the friction between stator and rotor of submersible motor of the certain potash fertilizer factory were analyzed. At high altitudes, low air pressure and thin air, effect of rotor natural cooling was less. Motor rotor fever, if not timely cooling, must make its temperature rise, the motor output decline; At the same time, because the rotor temperature along axis direction inconsistent-the middle part was higher than at both ends, the rotor heating expansion would be a spindle. When its expansion size more than the air gap, the rotor and stator inner cavity wall contact and friction, namely “stator scrapping rotor”. High power and dry-type submersible motor should be configured cooling system Composed of fan and the air-water heat exchanger. The air in motor chamber driven the fan forced circulation flow. when it flowed through internal channel of the rotor, the air absorbed the heat generated by the rotor. When it through the heat exchanger, the air exchanged heat with outside water and released the heat. Such rotor heat be exported, the motor rotor cooling problems be solved. If submersible motors used in high altitude area, its design power should be modify like general motors.

Key words：submersible pump； fault； stator scrapping rotor

收稿日期：2015-11-07

中图分类号：TM 307+.1

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2015)12- 0070- 04

通讯作者：韩彩红