石油钻井平台用增安型变频调速异步电动机温度控制及结构设计

2019-06-13

防爆电机 2019年3期

关键词：变频绕组定子

(中车永济电机有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

随着石油行业的发展，钻井作业的安全性越来越得到重视，其Ⅱ区爆炸性作业环境对钻井设备提出了防爆性能的要求。目前石油钻井平台主驱动电机主要采用增安型变频调速异步电动机和正压型电机。本文主要介绍增安型变频调速异步电动机设计要点。

防爆原理及分类

1.1 原理

增安型电气设备对各个部分采用机械的和(或)电气的加强措施，进一步提高它们的安全可靠程度，从而避免它们产生火花、电弧和(或)危险温度的可能性，使设备不可能成为点燃源，用符号“e”表示。

因此，必须对增安型变频调速异步电动机的机械结构、外壳防护、电气绝缘、导线连接、电气间隙和爬电距离、极限温升等方面提出必要而充分的特殊要求，以保证增安型变频调速异步电动机具有可靠的防爆性能。

1.2 分类

石油钻井平台工作环境要求使用Ⅱ类电气设备。Ⅱ类电气设备用于除煤矿瓦斯气体之外的其他爆炸性气体环境。按照其拟使用的爆炸性环境的种类可进一步分为ⅡA类：代表性气体是丙烷；ⅡB类：代表性气体是乙烯；ⅡC类：代表性气体是氢气。标志ⅡB类的设备可适用于ⅡA类设备的使用条件，标志ⅡC类的设备可适用于ⅡA和ⅡB类设备的使用条件。

Ⅱ类电气设备按最高表面温度可以划分为6个温度组别，见表1。

Ⅱ类电气设备按设备保护级别可以划分为Ga、Gb、Gc三个等级。

Ga：爆炸性气体环境用设备，具有“很高”的保护级别，在正常运行中出现预期故障或罕见故障时不是点燃源。

Gb：爆炸性气体环境用设备，具有“高”的保护级别，在正常运行或预期故障条件下不是点燃源。

Gc：爆炸性气体环境用设备，具有“增强”的保护级别，在正常运行中不是点燃源，也可采取一些附加保护措施，保证在点燃源预期经常出现的情况下(例如灯具的故障)不会形成有效点燃。

2 增安型变频调速异步电动机温度控制

增安型变频调速异步电动机为保证其不成为点燃源，需严格控制零部件表面温度及温升，选用的冷却风机、电加热器、按钮开关、电缆格兰等配件的防爆等级和温度组别应不低于电机的防爆等级和温度组别要求。增安型变频调速异步电动机必须满足以下要求。

2.1 最高表面温度

增安型变频调速异步电动机最高表面温度不能超过其温度组别所对应的温度。考虑电源质量因素，测定其最高表面温度的试验应在90%额定电压下进行。对于须进行型式试验确定最高表面温度的Ⅱ类电气设备，应不超过在电气设备上标志的温度或温度组别，但对于T6、T5、T4和T3组(或标志的温度≤200℃)要低5K；对于T2组和T1组(或标志的温度>200℃)要低10K。

2.2 绕组极限温度

极限温度是指防爆电气设备的最高允许温度，它是设备温度组别确定的温度和所用材料达到热稳定时的温度中较低的那个温度。

增安型变频调速异步电动机绕组极限温度应不超过表2规定的值。

表2 绝缘绕组极限温度(单位℃)

2.3 tE时间

tE时间是指在最高环境温度下达到额定运行温度后，从交流绕组开始通过启动电流(即堵转起始电流)时起至温度上升到极限温度所需的时间。在计算增安型电动机的tE时间时，应对电动机的定子和转子分别计算，取两者较小值作为电动机固有的tE时间。

tE时间的长短应当电机被堵转时，电流保护装置能够在tE时间结束之前使电机断开电源。石油钻井平台用增安型变频调速异步电动机采用变频器供电，可由变频器限制启动电流，并由温度检测装置监测电机温度，进行报警或停机。

2.4 温度控制措施

我公司设计生产的石油钻井平台用增安型变频调速异步电动机温度组别为T3，最高表面温度不超过200℃。

电机定子绕组采用H级绝缘成型绕组，真空压力浸漆，保证绝缘、散热和防潮性能，电阻法测量绕组温度不超过155℃。绕组端部槽口处埋置PT100温度传感器，用户手册中要求用户将电机启动电流设置为1.6倍额定电流，并将定子绕组PT100温度传感器信号接入变频器保护电路，在温度过高时报警或停机，以保证电机在运行中绕组温度不会超过极限温度。

根据我公司设计和试验经验，增安型变频调速异步电动机温升难点在于转子tE时间的提升。为降低转子温升，电机电磁设计选取较小的发热因数和定子电密；由于石油钻井平台用增安型变频调速异步电动机采用变频启动，对启动转矩要求较低，固采用铜导条并增加导条截面积，降低转子电密，以降低转子温升。我公司所设计生产的石油钻井平台用增安型变频调速异步电动机采用强迫风冷，在转子铁芯、机座与定子铁芯之间增加通风道，有效降低了转子温升和电机总体温升。

3 增安型变频调速异步电动机结构设计

增安型变频调速异步电动机为保证其不成为点燃源，需从结构上进行优化设计，避免它们产生火花或电弧。

3.1 定子结构

对于增安型电动机的定子而言，主要是定子绕组的结构和绝缘处理。

对于额定电压为200V以上多相绕组，应在散嵌绕组的相位间提供附加的相绝缘(清漆除外)；对于额定电压小于1000V的绕组，浸漆应采用浸渍、滴注、或真空浸渍法进行处理；对于额定电压>1000V的绕组，应采用模绕法线圈和真空压力浸渍绝缘系统(VPI)，或者是富脂绝缘系统。

定子绕组端部与外壳之间的最小间隙不应小于3mm。

我公司设计生产的石油钻井平台用增安型变频调速异步电动机定子线圈采用耐电晕薄膜导线，绕组采用H级绝缘成型绕组和真空压力浸漆，并在机座内安装电加热器，在电机未使用时进行防潮。

3.2 转子结构

增安型变频调速异步电动机鼠笼转子的导条应该与短路环硬钎焊或熔焊在一起，除非鼠笼的导条和端环制造为一个整体，且不视作裸露带电导体。

我公司设计生产的石油钻井平台用增安型变频调速异步电动机转子采用铜导条和铜端环熔焊的鼠笼结构，并且在导条插入铁心后将导条涨紧，防止导条和铁心间震颤产生放电火花。

3.3 最小径向气隙

定子和转子之间的最小径向气隙在旋转电机静止时，应不小于下列公式计算的值

最小径向气隙，单位：mm

3.4 电气间隙和爬电距离

电气间隙和爬电距离是提高增安型电气设备电气性能的一项重要指标。电气间隙是指不同电位导体之间在空气中的最短距离，与工作电压有效值有关。爬电距离是指不同电位的导体之间在绝缘材料表面上的最短距离，不仅与工作电压有效值有关，还与绝缘材料的耐起痕指数等级、表面污染程度有关。电气间隙和爬电距离均应符合GB 3836.3标准规定，对于外部连接件，最小值为3mm。

设计时可以在绝缘件上设置凸筋或者凹槽，以增加电气间隙和爬电距离。绝缘件上有效的凸筋和凹槽应符合：凸筋高度至少为2.5mm，厚度应与材料的机械强度相适应，至少为1mm。

凹槽深度和宽度都不小于2.5mm。