注水泵电动机发热异常原因分析与对策

吉效科, 许丽

（1.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500；2.长庆油田公司设备管理处，西安 710018）

0 引 言

从20世纪80年代末开始，长庆油田为提高油田注水系统效率，结合油田区域分散、小区块回注的地域工艺特征，增压注水设备全部应用往复式注水泵。电动机作为该注水泵组的关键组成部分，它的作用是将电能转变为机械能，为注水泵提供动力。控制系统有变频调速控制和软启动控制2种，自2008年开始，油田开展注水泵控制系统节能改造，将大部分注水泵的软启动控制改为变频调速控制，通过改变电动机的转速调节注水泵的排量，达到了减少和消灭注水泵回流的目的，为油田注水系统节能降耗发挥了重要作用。

自2013年开始，一些站点的注水泵出现电动机温升高、故障率增加，严重影响了部分区块的注水生产，增加了注水系统能耗和设备维护成本。经现场测试，电动机高温部位主要发生在电动机定子绕组部位，即接电盒的右下方和电动机靠近泵侧的轴向中间位置，比电动机轴承部位温升至少高出10 K。为此，采油单位给发热异常的电动机配置了独立风扇冷却，但仍有许多电动机故障率高，频繁烧坏。2014年7～8月，长庆油田公司与上海电器科学研究所（集团）有限公司联合开展了注水泵电动机的厂内试验和现场测试，开展发热异常的原因分析，并制定了相应的解决方案与措施，为油田注水泵配置及使用电动机提供了重要的依据和方法。

1 技术现状

现场测试的西三注、西259站、庆三联、庆三注、吴一联、柳三转等6个注水泵站的22台发热异常严重的注水泵电动机基本技术状况见表1。

从表1可以看出，这6个注水站点的注水泵均为2007～2011年投产，注水泵额定压力20 MPa和25 MPa，额定排量最低的25.76 m3/h、最高的37.2 m3/h；电动机均为普通Y系列三相异步电动机，配置功率最低的75 kW、最高的355 kW，防护等级和绝缘等级为IP23、B级，IP54或IP 55、F级，工作制为S1。

表1 注水泵电动机技术参数

2 现场测试

2014年7月～8月，对西三注、西259站 、庆三联、庆三注、吴一联、柳三转等6个注水泵站的22台发热异常的注水泵电动机进行了现场测试。注水泵发热异常电动机的测试结果见表2。

从表2可以看出：

1）同一站点的不同控制方式的注水泵，变频控制的电动机温度较工频软启控制运行的温度高。如庆三联1#注水泵与4#注水泵在负载率高、同样50 Hz运行的状态下机壳温度高出37℃，轴承温度高出18℃；西259站同等负载率和50 Hz频率下，4#注水泵较1#、3#注水泵的电动机机壳温度高16℃以上，轴承温度高出4℃以上。

2）同一站点电源电压高的注水泵电动机温度较高。注水站电网电压普遍偏离380 V，最高偏离量超出±14.5%。如西259站在同负载率、工频软启控制状态下，1#注水泵的电压较3#注水泵高12 V，机壳温度高出14℃，而轴承温度基本一样；柳三转同负载率、变频控制状态下，4#注水泵的电压较3#注水泵高25 V，机壳温度略高于2#注水泵。

3）同一站点负载率低、工频软启控制运行的注水泵温升高。西三注1#注水泵的实际运行功率只有额定值的76%，但电动机温升已接近最高温升限值的90%。

4）普通电动机用变频控制的谐波失真率（THD）高。注水泵电动机工频软启动运行，供电电源谐波失真率（THD）为5%以下，而变频器控制下电动机输入电源的谐波失真率（THD）远超标准设定值，如吴一联使用变频器控制的3#电动机，在变频控制20 Hz下运行时，电动机输入电源的总谐波失真率（THD）为74%，柳三转2台电动机输入电源的总谐波失真率（THD）均在42%～45%之间。

5）注水泵的实际排量和压力均在额定参数范围内，实际负载率在49%～90%范围内，无运行参数超出额定参数和满载的情况，电动机配置功率满足注水泵运行需要。

表2 西三注注水泵及电动机运行参数

3 原因分析

造成注水泵电动机发热的原因有多种，且各站点不尽相同。普通电动机配置变频调速控制、电动机性能与工况不匹配、电动机温升余量设计小和电动机修理造成性能下降等是导致电动机发热的主要原因。

3.1 变频器控制普通电动机

1）由于变频器的输出电压和电流中存在大量的谐波，使得电动机产生附加谐波损耗，变频器产生的高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，使电动机温升加剧，效率降低、绝缘材料加速老化，严重降低了电动机的使用寿命。

2）普通电动机配变频器低频运行温升增加10～15 K，当电动机设计温升余量小时，使得电动机温升超过80 K的状态下长时间运行，这加速了电动机绝缘材料老化、绝缘性能下降，电动机温度继续上升，直到电动机温度高至绝缘失效、线圈烧坏。

3）部分变频器性能较差，输出的电源谐波污染输出和输入端电网，影响同一供电网络下其它用电设备，包括其它注水泵电动机的运行。

4）普通电动机因变频控制在低速转动时，风扇的冷却风量与其转速的三次方成正比例减小，电动机本身发热量无法迅速带走，加速了电动机的温升。

3.2 电动机性能与工况不符

1）电动机选用的绝缘等级较低。绝缘等级决定了电动机的允许温度和使用寿命。现场在用B级绝缘等级的电动机，其绕组温升限值为80 K，最高工作温度为130℃（电动机内部温度）。经现场测试，受实际工况的影响当电动机负载达到额定负载的80%时，夏季实际运行温升接近甚至达到B级绝缘的限值，不能满足工况的需要。

2）电动机选用较低防护等级。现场有使用防护等级为IP23的开式电动机，机壳未全封闭，机身、前后端盖都留有散热孔，工业尘土可进入电动机机身内部，附着在定子和转子表面，影响电动机散热。

3.3 其它因素

1）电动机设计温升余量小。电动机厂家在电动机设计时考虑降低成本，在满足国标要求的前提下，尽量降低铜线和铁芯材料消耗，在没有特殊要求的情况下，电动机温升余量设计很小，如同样生产注水泵电动机的厂家，其中厂家A生产的电动机实测温升72 K，厂家B生产的电动机实测温升76 K。

2）设计条件与工况不符。注水泵电动机选用普通电动机，这种电动机设计没有考虑现场工况环境条件，如海拔高度、电压波动、工作制、负载等，由于油田用注水泵安装在海拔高度1200～1700 m的地方，电动机生产厂家的试验地点海拔100 m以下，据《旋转电动机定额和性能》（GB 755-2008）的温度修正计算，两者之间的温升差异在12 K左右，即：电动机使用现场要比生产厂家试验地点的温升高出12 K。

3）多次维修性能下降。电动机维修厂家通过对电动机定子加温拆除绕组，高温加速定子铁芯的绝缘老化，电动机每修一次实际功率下降5%以上。现场实测的22台电动机中有80%进行过维修，其性能下降也是温升过高的一个影响因素。

4）供电电压波动大。根据《旋转电动机定额和性能》（GB 755-2008），普通电动机的适用电压为380 V，波动范围±5%，而实际油田注水泵电压410 V左右，波动范围在10%左右。现场测试的6个站点，除吴一联较接近标准电压外，其它站点电压均偏高。

4 解决措施

1)使用“普通电动机+变频器”运行的电动机发热解决措施。a.防护等级为IP54或IP55、绝缘等级F级电动机发热异常优先采用更换风扇护罩，加装罩内独立风扇（防护等级IP23除外），不在电动机旁边另设独立风扇强制散热。b.对于现场在用IP23防护等级、B级绝缘等级的电动机，必要时更换或降级使用，这种电动机不宜使用变频器。c.注水泵出口压力低于额定压力4 MPa以下运行的发热电动机，去掉变频器工频运行，电动机连续运行温升稳定后仍然发热异常，证明电动机性能下降，应更换电动机；电动机温升稳定后，电动机表面温度在正常范围内，电动机应切换或改造为工频控制，需要变频调速控制的应更换为变频电动机。

2)新购注水泵配置变频调速控制时，电动机必须选用变频调速电动机，且满足以下要求：a.性能满足《调速专用三相异步电动机绝缘规范》（GB/T 21707-2008），能效等级不低于《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB18613-2012）中2级的标准。b.变频电动机风扇由独立电动机驱动，具有特殊的电磁设计和结构设计，能够适应非正弦波电源并抑制高次谐波。c.注水泵电动机配置必须选择防护等级不低于IP54，绝缘等级不低于F级的电动机。

3)维修2次以上的电动机应结合具体工况，必要时降级使用；淘汰因多次修复造成效率下降的电动机。

5 结语

1）通过对6个注水站点22台注水泵电动机现场测试与数据分析，认为注水泵电动机发热异常的原因是多方面的，其中普通电动机配变频器运行、电动机设计性能与工况不符、供电电压波动大等是造成电动机发热异常的主要原因。

2）注水泵采用变频调速控制时须配置变频调速电动机，注水泵电动机配置应选择防护等级不低于IP54、绝缘等级不低于F级的电动机，且电动机的设计性能要与油田注水泵的工况特点、环境条件相适应，如海拔高度、电压波动、谐波干扰、启动性能、负载特性等指标在注水泵电动机设计时均应考虑。

3）长庆油田已经按照解决方案对在用注水泵电动机进行了整改，对油田产能建设项目采购注水泵全部配置变频调速电动机，解决和预防了油田注水泵电动机发热异常的问题，取得了显著的成效。

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