某泵站电气设备故障诊断与安全分析

谢 华，郭玮玮，刘德祥

(武汉大学水利水电学院 水利部泵站测试中心，湖北 武汉 430072)

深圳市某污水泵站2017年建成后机组不能正常运行，出现断路器烧坏、继电器跳闸保护等问题。为寻找故障原因，对该泵站电气系统进行了现场电气检测试验，在检测数据的基础上，分析了电气系统可能存在问题的原因，为泵站安全运行提供了科学依据，并为类似工程问题提供参考。

1 工程概况及问题

某污水泵站位于深圳市宝安区，承担雨污水转运排除，选用5台潜水排污泵，其中3台大泵，2台小泵。3台大泵分别为1#、2#、3#机组，单泵设计流量Q=3474m3/h，扬程H=18.0m；2台小泵分别为4#、5#机组，单泵设计流量Q=1666.8m3/h，扬程H=18.0m。泵站内设置10kV变电所一座，安装2台400kVA变压器，旱季两台变压器一用一备，雨季两台变压器同时运行。1#、4#机组采用变频控制运行，2#、3#、5#机组采用软启动方式控制。电机及主要电气设备的额定参数见表1。

表1 电机及主要电气设备的额定参数

2 电气试验设计

2.1 试验方案

造成泵站电气设备安全问题的可能原因有：①水位运行条件发生变化导致水泵偏离运行工况，可能会造成电机超负荷运行；②电气设备存在质量缺陷或选型不满足运行条件要求；③水泵机组选型及性能不满足要求。针对上述可能的问题，需要设计适合的试验项目和检测参数，逐项排除究竟是电气系统的问题，还是水泵运行的问题。

针对该泵站1#、3#、5#机组存在的开关断路器烧坏、热继电器跳闸频繁等问题，初步判定可能的原因是电机过载、绝缘性能下降[1-2]、绕组内部短路[3-5]、启动和保护装置设定参数偏低[6]等问题。为此，首先针对电气系统开展现场电气试验，通过检测运行参数判断是否存在电机过载，通过绝缘性能检测判断电气设备质量和安全性能是否满足要求。

2.2 电气试验检测项目和参数

根据1#、3#、5#机组的故障特征，首先需要判断电机的电流、电压、功率等运行参数是否正常；如果运行参数异常，则进一步试验检测是否存在绝缘性能下降和短路等问题。为此，电气试验检测参数如下。

(1)主机组电机运行参数

1#机组开关断路器插件烧坏不能开机，没有测试1#机组电机运行参数。检测了3#、5#主机组电机的电流、电压、功率、功率因数等参数。由于5#机组开机3～5min就会保护跳闸，测试数据为开机5min内的运行参数。

(2)定子绕组绝缘电阻和吸收比

绕组的绝缘电阻和吸收比是判断电动机绝缘状态是否良好的重要依据和指标，是综合分析电动机绝缘性能的重要指标。通过测量绕组绝缘电阻及吸收比，能够检查绕组绝缘材料受潮和受污染的情况，根据GB 50510—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》规定，额定电压为1000V以下的电动机，常温下绝缘电阻不应低于0.5MΩ。

脉冲射频是由射频热凝术改进,是一种神经调理治疗。脉冲射频治疗神经病理性疼痛的原理为脉冲射频由间断射频电流产生,电流在神经组织周围形成高电压,但裸露电极尖端温度不超过42℃,保证在治疗同时不会出现神经热离断效应,从而避免术后出现感觉减退、灼痛、酸痛及运动障碍等并发症。脉冲射频的镇痛机制尚不明确,可能的机制为激发了处理疼痛信号传入通路的可塑性改变,激活了减少疼痛感受的脊髓抑制机制。同时,脉冲射频产生的强电场减少了受损神经周围炎性介质,从而起到镇痛作用。

(3)定子绕组直流电阻

通过检测直流电阻，检查绕组有无断线和匝间短路，焊接部分有无虚焊或开焊、接触点有无接触不良等现象。

(4)交流耐压试验

交流耐压试验是鉴定电气设备绝缘最直接的方法。本次只对1#主电机开展交流耐压试验，由于该泵站电动机均为380V低压电机，根据DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》[1]，采用2500V兆欧表代替交流耐压试验。

3 电气试验结果及分析

电气试验检测了3#、5#电机运行参数和1#、3#、5#主机组电机绝缘性能，检测方法严格按照规范[1-4]要求执行，所有测试仪器均经过计量检定。

3.1 电机运行参数试验结果及分析

电机运行参数包括电机在工作状态下电压、电流、功率、功率因数等参数，采用三相电能质量分析仪测定。现状5#机组运行3～5min就会跳闸，所测5#电机运行数据均为机组运行5min内的实测数据。检测结果见表2。

表2 3#和5#电机运行参数测试结果

根据表2#电机运行参数测定结果，3#电机运行功率平均值274.91kW，超过了额定功率250kW；实测最大电流值521.7A，电流均值512.2A，均超过了电机额定值490A。3#机组配置的软启动器额定功率250kW，额定电流459A，软启动器配置的热继电器最大可设定跳闸电流为500A，小于实测电机运行电流均值512.2A，会导致热继电器跳闸。

5#电机实测运行功率177.3kW，超过额定功率132kW；实测最大电流值309.4A，电流均值302.3A，均超过了5#电机额定电流248A；5#电机采用软启动器控制，配置的软启动器额定功率132kW，额定电流248A，配置的热继电器最大可设定跳闸电流为315A，软启动器额定参数低于实际运行参数，容易造成热继电器跳闸。

表2中运行参数检测结果表明3#、5#电机在超负荷条件下工作，容易造成跳闸或电机发热线圈烧毁事故，不满足安全运行要求。

3.2 电机绝缘性能试验结果及分析

分别检测了1#、3#和5#电机定子绕组绝缘电阻及吸收比和直流电阻，并采用2500V兆欧表的1000V档位代替做了1#电机定子绕组交流耐压试验。直流电阻采用直流电阻测试仪测定。试验结果见表3—4。表3中的R15和R60分别为15s和60s的绝缘电阻值，吸收比为R60与R15的比值。试验测试1#和3#电机定子绕组直流电阻时，仪表显示数据波动始终很大，AB相的值与BC和CA之间的值相差明显，为此，1#和3#直流电阻做了3次重复试验，结果列入表4。

表3为1#、3#和5#电机定子绕组绝缘电阻及吸收比测试结果，绝缘电阻均大于0.5MΩ，吸收比大于1.2，符合DL/T 596—1996标准和GB 50150—2016标准规定值，交流耐压试验结果正常，该项检测结果符合规范要求。表明电机绕组对地绝缘性

表3 1#、3#和5#电机定子绕组绝缘性能

表4 1#、3#和5#电机定子绕组直流电阻

能良好，不存在对地短路问题。

表4为1#、3#和5#电机定子绕组直流电阻(MΩ)检测结果，1#和3#电机定子绕组直流电阻值数据波动是不正常现象，最大线间差别与最小值的比值分别为20.4%和32.3%，超过了GB 50150—2016标准规定的线间直流电阻相互差别不得超过1%的要求，在绝缘电阻及交流耐压试验结果均正常的情况下，出现此种现象表明1#和3#电机绕组可能存在内部匝间短路或接头松动的故障。

5#电机定子绕组直流电阻值最大线间差别和最小值的比值0.35%，小于规范规定的1%标准，表明电机绕组不存在内部短路或接头松动的故障。

4 结论

通过对1#、3#、5#主电机的试验结果的分析，各机组故障原因如下。

(1)1#和3#电机绕组可能存在内部短路或接头松动的故障，是导致开关断路器烧坏的重要原因，也是电机运行参数超过额定值并导致热继电器跳闸的最可能原因，电机运行存在严重安全隐患。

(2)5#电机虽然绝缘性能正常，但电机及其软启动器额定参数偏低，已在超负荷条件下工作，容易造成跳闸或电机发热线圈烧毁事故。