快速温差法在潜水电泵温升试验中的应用

胡佳立，王星龙，黄天岐，朱俊磊，殷国山

（嘉兴威凯检测技术有限公司，嘉兴 314000）

引言

潜水电泵（以下简称电泵）在工农业领域的应用非常广泛，是重要的基础装备。其运行过程中绕组线圈将产生大量的热，使得整个电泵有一个明显的温升。温升性能的优劣直接影响电泵的寿命和使用的安全性。因此电泵的温升是其安全性能的一个重要体现。当下各类电泵在进行出厂试验、型式试验，以及进行产品认证检测时对温升的考核主要还是采用电阻法进行。多年的测试经验可以发现该方法所耗费的时间和电能较多，经济效益较差，尤其对功率较大的电泵。随着国家节能减排战略的推进，绿色环保理念的深入人心。社会生产生活各领域对节能也越来越重视。对于电泵而言，探索一种新型的温升检测方法有着极大的现实意义：一方面将很好的契合当下国家整体绿色发展的战略；另一方面也将有效的提升企业的生产效率并减轻其经济负担。所以，本文通过对比试验探讨一种新的简便可行的温升试验方法，从时间和耗能两个方向来切实减轻企业的成本负担。

1 电阻法测量温升

电阻法是温升测试的传统方法，其原理为：电阻是绕组线圈一个特定的物理参数，其阻值大小在一定范围内与绕组本身的温度相关，有特定的函数关系。在电阻法测试温升过程中，我们重点关注线圈冷态阻值和热态阻值以及测取这两个阻值时的冷态线圈温度和热态介质温度，通过特定函数关系反推即可得出绕组最终的温度及温升。对于潜水电泵而言：在温升试验中，将电泵安装到水泵测试台上，固定电泵并将泵体没入水中。测量电泵绕组的冷态电阻，记录此时的冷态线圈温度，然后将泵在额定电压和额定频率条件下上电开启，调整测试系统的进水和出水阀门，让电泵在其额定工况下运行。采用热电偶布置在电泵一些相应的部位，例如：外壳，电缆等处，观察这些关键点的温度变化曲线。当这些曲线的变化趋势基本为零，比如在时间间隔30 min内温度变化不超过1 K时，判定温升稳定。开始测取热态电阻：断电停机记录此时的介质温度并开始计时，连续测定一段时间时的相应电阻值，直至电阻变化缓慢为止，记录这些不同时刻点的电阻值。绘制电阻R随时间t变化的曲线（图1）[1]。

图1中曲线外延与纵坐标相交点的阻值即可认为断电瞬间的绕组阻值。最终绕组温升按照下式计算[2]：

图1 电泵绕组阻值变化曲线

式中：

Δθ—绕组温升（K）；

θ1—试验开始时的绕组温度，单位为摄氏度（℃）；

θ2—试验结束时冷却介质温度，单位为摄氏度（℃）；

R1—试验开始时的绕组电阻，单位为欧姆（Ω）；

R2—试验结束时的绕组电阻，单位为欧姆（Ω）；

k—常数，对铜绕组为234.5，对铝绕组为225，对于铜铝混合绕组，按234.5计算考核。

显而易见，采用电阻法测试水泵的温升试验耗费的时间较久，根据经验一般水泵在开启后达到温升稳定需要的时间（3～4）h，根据泵的种类不同，有时甚至更长。另外，这个测试过程耗费的电能也相对较多。现在通过对不同型号的水泵进行反复试验，得出一种相对简便快捷的温升试验方法——快速温差法，与传统绕组温升法对比，该方法优点很明显：由于整个测试周期大大缩短，所以耗费的时间和电能都将大大减少。与此同时，测试结果与传统电阻法进行比较，误差在允许范围内。

2 快速温差法测量温升

快速温差法的核心为：利用电泵温升变化关键点机壳的温度变化趋势去推导整个温度曲线最终的走向，从而确定电泵的最终温升。在试验过程中，先测量电泵在冷态下定子绕组的初始温度（一般以外壳表面温度替代），然后启动电泵，调整测试系统使电泵处于额定工况下运行，设定温度测量的时间间隔，并记录每个时刻点的温度，计算出相邻两个时刻点的温差。测试完毕后将试验期间的温度、温差、时间关系绘制成曲线如图2所示[7]。

图2 温差法关系曲线

通过曲线我们可以发现：在试验开始1小段时间内，温升曲线的变化趋势很快，相邻两个时刻的温差值较大。随着试验的进行，由于绕组线圈持续发热，热平衡状态的趋势逐步建立，相邻两个时刻的温度值变化愈来愈小，对应的温差值也越来越小。最终曲线的温度上升趋势逐渐降低到接近零的状态。此时试验结束，我们在曲线上选取相等的时间间隔点Δt1，Δt2，Δt3，…Δtn计算出对应的温差Δθ1，Δθ2，Δθ3，…Δθn。最后将温差值和温度值的关系在图2中进行绘制。观察发现：温差与温度关系为一条直线，延长该直线与温度轴相交，得到交点：θ，该值可以认为是本次温升测试最终的外壳表面温度，在实际测试中我们可以将此温度当成该电泵最终的温升值。

将这两种方法过程进行分析发现：快速温差法测量温升一方面大大缩短测试时间，另一方面可以节约大量的能源。例如：1台3 kW的潜水电泵，采用电阻法测温，平均运行4 h，采用温差法运行1 h，这样一次测试即可节省9 kWh的电量及3 h的时间，节能及节时效果较为明显。

3 测试数据比对

我们选取1台潜水电泵先后进行绕组法温升测试与快速温差法温升测试，记录数据并分析结果。

水泵型号及基本参数：SPS-1500-50F 220 V 50 Hz 1 950 W 18 m3/h

3.1 绕组法温升测试

测试结果如表1所示。

表1 SPS-1500-50F水泵电阻法温升测试结果

3.2 快速温差法

在上述电泵上进行热电偶布置：在泵体外壳上最靠近绕组线圈对应位置处布置热电偶，记录冷态温度。将电泵安装于测试台，没入水中通电开启，调整进水和出水阀使电泵在额定工况点下运行。记录1 h内的温度变化曲线，设定时间间隔为10 min。记录数据如表2。

表2 SPS-1500-50F水泵温差法温升测试结果

通过绘制温差与温度关系曲线并求出为41.2 K，与绕组法的结果对比相差1.4 K，结果在可以接受范围内。另外绕组法耗时4 h，耗能7.484 kWh，快速温差法耗时1 h，耗能1.862 kWh。两者分别相差3 h和5.622 kWh，省时节能效果明显。通过其他不同型号参数的电泵进行反复计算我们发现快速温差法的测试结果精度尚可，可以进行推广。

表3是多组用温差法和电阻法测试温升的对比数据。

表3 一组水泵两种试验方法测试结果对比

3.3 误差分析

快速温差法测量电泵温升，其误差主要来源于以下两方面：①系统方面：主要与测量仪器的精度有关：热电偶的精度将直接影响记录的温升变化曲线的准确性，从而影响最终数据。因此在选择时尽可能选择高精度的热电偶以减小误差。②随机方面：主要与测量条件、工况稳定性及测点布置有关。测点的布置尽可能布置于机壳上最接近绕组线圈处以获得最大的温升效果。在测试周期内，合理设定采样间隔以便尽可能多采集数据，确保曲线绘制光滑，减少误差。

4 结语

电泵因其运行环境较为恶劣，一般都在潮湿、腐蚀性高的场合使用，另外由于工况点多变，运行状态多样，实际生产生活中完成安装后重新拆卸更换等较为复杂。所以其安全运行就显得尤为重要。采用快速温升法对水泵一些关键点如绕组线圈、轴承、电缆线等一些发热较为明显的部位布置热电偶，以此作为检查电泵安全性能的手段，精准、节能并且省时。同时也对广大用户安全使用水泵提供了保障。因此在企业的生产中值得推广该测试方法。