变压器油泵的应用与故障诊断问题的探讨

2018-01-31 16:30:05 36

上海凯泉泵业集团有限公司

  变压器油泵,又称潜油泵。为什么称它为潜油泵呢?因为它的电动机及其驱动的泵是完全浸没在一个充满变压器油的密封结构里面,而且它与变压器内部的油系统是直接相连的。变压器油泵是专门用来为运行中的大型(一般为120MVA,220kV及以上)变压器的强迫油循环冷却系统提供液动力循环的组件,它是变压器油系统中唯一的旋转机械。变压器油泵一般安装在强油风冷却器的低端,或安装在片式散热器(降低设备运转时所产生的热量)与变压器油箱的管路之间,起到强迫油循环风冷OFAF系统中重要的液动力循环作用。
  对于这样一个结构原理并不复杂,而功能和可靠性对电力变压器运行却非常重要的组件,如何正确的认识和选配它,如何正确的应用与故障诊断,确保它的长期可靠运行,实在是一个不能随意忽视的问题。本文作者根据多年来的运行管理经验,对目前国内变压器用油泵的结构形式、特点,选配与应用时应该注意的事项做一简要的叙述,以期探讨。
  一、变压器油泵的结构形式
  变压器油泵的结构定义
  变压器油泵是一种全密封结构的,内置潜油运行的三相异步电动机直轴安装一离心式或轴流式叶片泵,专用于输送变压器绝缘油介质的流体机械。上海凯泉由于叶轮进口不可能形成绝对真空,因此离心泵吸水高度不能超过10米,加上水流经吸水管路带来的沿程损失,实际允许安装高度(水泵轴线距吸入水面的高度)远小于10米。
  目前国内外生产的变压器油泵的结构形式一般如下:
  1、按泵的叶片形式划分
  ①离心式变压器(Transformer)油泵:配装离心式叶片泵,一般适用于变压器强油风冷却器;
  ②轴流式变压器油泵:配装轴流式叶片泵,一般适用于低扬程、大流量、低油阻力的变压器片式散热器冷却系统(system)中,可做多种冷却形式的切换选择:当泵停止运转的时候,油泵只相当于一段低阻力的管路连接段,此时变压器可做ONAN(自冷式)或ONAF(风冷式)运行。上海凯泉泵业集团有限公司是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的 机械能或其他外部能量传送给液体,使液体能量增加,主要用来输送液体包括 水、油、酸碱液、 乳化液、悬乳液和 液态金属等,也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。当泵通电运转时,可做OFAF(强油风冷式)运行,冷却效率大大提高,温升系数C值大幅度下降。
  2、按驱动电机结构划分:
  ①常规感应三相异步电动机驱动的普通型变压器油泵;
  ②盘式电机(轴向气隙)驱动的盘式变压器油泵。
  两种结构的差别主要是驱动电动机不同,使用功能、安装尺寸、形式完全相同。
  二、变压器油泵型号含义及参数意义
  1、国内一般变压器油泵的型号含义:
  2、变压器油泵的几个主要参数及其意义:
  流量Q——单位时间内通过油泵(Deep well pump)连接管路截面上的变压器油流的数量。通常用立方米/秒(m3/h) 来表示,国外进口油泵多用升/分钟(L/min)来表示。(1m3/h= 0.06L/min)
  扬程H——单位重量的被输送变压器油通过油泵时所获得的有效能量值。其单位是:Nm/N,即油泵输送变压器油液的液柱高度。通常我们用米水柱(m)来表示,如果用米液柱来表示则要考虑变压器油的重度。
  扬程、流量对于每一种特定型号的变压器油泵而言一般是不宜替代的,因为每种型号泵的特性曲线上只有一段区域是效率最高的。油泵工作的这一段区域叫额定工况。油泵工作在这一区域时,不仅效率高,而且噪音低,功率消耗合理,运转平稳,无有害涡流冲击和气蚀损害,能够保持长期可靠运行。
  那么额定工况如何选择呢?主要由主变的油路结构、冷却器油循环回路及其管网系统组成的阻力特性曲线所决定的。不同类型的冷却器和主变油路循环结构,其管网特性曲线不同。管网系统阻力特性曲线与变压器(Transformer)油泵工作特性曲线的交点就是油泵的额定工况点。因此,就变压器油泵的替代性而言,不同水力参数或降低水力参数的随意替代是不可取的,他关系冷却器的额定换热容量,同样也关系到主变的长期稳定的安全运行。
  额定功率P——变压器油泵的额定功率是指电动机输出轴上的额定功率,故也称为轴功率。
  油泵的输入功率P1是指油泵电动机从电源汲取的电功率(√3UIcosφ)。在生产变压器油泵的工厂里可以通过测功机测取油泵的轴功率,同时测取对应点的输入功率并绘制成曲线。我们可以通过曲线查取某一流量工况下的输入电功率,以便了解油泵实际消耗的电能。通过工厂提供的电动机负载特性曲线,可以查取某一输入功率P1下的输出功率和电动机效率。
  总机效率η——变压器油泵总机效率是泵的有效功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)Pe与输入功率P1之比。
  油泵的有效功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)是被输送液体在泵内单位时间所获得的有效能量。而扬程就是油泵输出的单位重量液体从泵中获得的有效能量,所以扬程和质量流量及重度的乘积,就是单位时间内从油泵中输出液体所获得的有效能量——油泵的有效功率Pe。
  Pe=γQH/1000
  式中 γ——变压器油的重度(N/m3);
  Q——油泵的流量(m3/s);
  H——油泵的扬程(m)。
  变压器油泵的总机效率是泵的有效功率Pe与输入功率P1之比:
  η=Pe/P1
  转速n——是变压器油泵轴在单位时间内的转数,单位是rot/min(转/分)。
  根据国网公司的要求:为提高变压器油泵轴承运转寿命,将原1450转/分(4极电机)油泵,改为1000转/分(6极电机)及以下的低速泵。
  三、关于低转速变压器油泵
  所谓低转速:就是在实现同样的流量扬程下,转速由1500转/分(4极电机)下降为1000转/分(6极电机)及以下转速的变压器油泵。凯泉泵业开动前,先将泵和进水管灌满水,水泵运转后,在 叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下,叶轮流道里的水被甩向四周,压入蜗壳,叶轮入口形成真空,水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。但是要达到原(4极电机)油泵的流量、扬程,势必要靠增加叶轮直径解决。旋转机械的直径增加则运行稳定性会下降,而且6极驱动电机比4极电机的直径也要大。这样,在替代过程(guò chéng)中,某些老式的冷却器安装尺寸很难实现。
  确实,低转速可以提高轴承的运转寿命。但是,转速降低了,叶轮直径却增加了。大直径的旋转体,其平衡问题将更加突出。特别是作为叶片泵其叶片铸型、扭曲角度的一致性在工艺上误差难免,这些在低速、大直径旋转油泵(Deep well pump)中带来的问题会突出出来,直接影响运行稳定性,反而会降低轴承的运转寿命。
  目前国内都在大量配套采用轴向气隙(盘式电机)电机驱动的盘式变压器油泵(这种油泵适宜做成低速1000转/分以下),由于盘式泵的强大轴向磁拉力作用,此类问题将更加突出。国外出口到中国的 ;盘式变压器泵产品说明书 ;中对该类油泵轴承的维护进行了较多篇幅的说明,并推出公式如下:
  Lh=(106/60N)(C/Prfw)3a1 a2 a3
  式中 Lh:计算寿命(hr); N:转速(rot/min); C:额定荷重(kg);Pr:当量轴承(bearing)荷重(kg); fw:荷重系数; a1:信赖度系数; a2:润滑系数; a3:材料系数;
  以上公式即使给出各个参数的推荐值,由于其选用材料的、环境的、制造工艺的等等因素,实际计算出来的误差是很大的,由此求得的寿命时间也是令人难以置信的。
  其实,适当高转速的变压器油泵不仅效率高而且体积小,运行稳定性好。我国传统型1450转/分(4极电机)油泵,甚至2860转/分(2极电机)变压器油泵中有些品种运行业绩非常好,有的产品运行已达20几年,目前仍然在运行。所以,关键是良好的、专业化的制造质量与运行维护。不能因为出现一些质量问题,就全盘否定。特别是一味的追求低转速、盘式泵,会适得其反。举例如:华北电网公司,网生部〔2004〕25号《关于下发 ;2004年华北电网有限公司变压器类设备专业技术会议纪要 ;的通知》指出: ;由于高速油泵改造技术方案不规范,造成变压器油温升高;对国网公司〔防止110~500kV变压器事故措施〕进行修改,内容第1.2.4条规定:对于运行正常的转速为1450r/min的油泵可以继续采用。 ;
  四、关于盘式变压器油泵:
  日本是首先将盘式电动机应用到变压器油泵上的国家。盘式电机变压器油泵的结构原理如附图1所示,它的嵌有绕组的定子(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)置于低部如同一个平面向上的磨盘,它的转子靠不旋转的轴与旋转的轴承支撑着悬在定子上面,如同磨盘上的碾。故名:盘式电机变压器油泵
  1、盘式电机的优点是:
  ①矽钢片的材料利用率达70%以上,普通电机只有45%。
  ②结构紧凑,轴向长度短,只有普通电动机长度的1/2,但幅向粗大。
  ③电动机散热条件好,设计电密高。
  2、盘式电机做成变压器油泵时应该密切注意的问题:
  ①盘式电机的轴向磁拉力是很强的,(它就是靠这种旋转的轴向磁拉力进行电磁耦合使转子(rotor)旋转起来,完成电能向机械能转换的)。当轴承经过长期运转产生磨损和间隙时,这种轴向磁拉力会使这个间隙直接转化为定、转子间气隙的减少,直至定、转子铁与铁之间的摩擦。(因此盘式电机适于制成刹掣电机:在定、转子间安装摩擦片,通电刹掣,失电自由旋转。)而普通电动机的周向旋转磁场产生的切向力却有良好的自定心作用,当然普通电动机轴承也不会承受到象盘式电动机那样强大的轴向磁拉力。
  也有人这样解释:理论上离心泵运行时产生的向上的轴向升力会平衡盘式泵的轴向电磁拉力。事实上,盘式泵的轴向电磁力是远远大于这种反向升力的。特别是当油泵启动时这种轴向升力是零。
  ②盘式泵启动电流和运行电流都比普通型电动机油泵大20%以上、启动力矩低、启动时间长。
  综上,做为可靠性要求很高的变压器油泵,国外普遍大量采用的还是由传统形式的三相异步电动机做为驱动设计的变压器油泵:如AB
  B、SIEMEN
  S、美国、法国、意大利、波兰、俄罗斯随主机出口到我国的变压器(Transformer)油泵均为转速=1450转/分的常规感应电动机结构的产品。只有我国还在将盘式电机变压器油泵做为一种低速泵的新产品加以广泛采用。从原理与运行功能上看,如果运行中忽略对其轴承的严密监控,随着这种结构油泵运行时间的累积,事故的概率可能会加大。据我了解:日本国生产的这种盘式变压器油泵产量也较少,而大量生产的还是普通电动机驱动的变压器油泵。1992年时,将其主要盘式泵生产线拆除(帝国电机制作所TADADENKI),保留一小部分用在新干线机车变压器用泵(因该类泵轴向尺寸较短,适于高速动车组安装)。
  盘式泵在维护检修时更换和调整轴承(bearing)的工作具有一定的难度,特别对采用双推力轴承的盘式泵,其现场检修调整轴承间隙时工艺难度是很大的。间隙大了,则电流很高;间隙小了,则效果不佳,而长期运行不进行定期维修的盘式泵是很危险的,已经造成运行中变压器(Transformer)运行油色谱异常、油温升高、油流继电器抖动等诸多问题。对于盘式泵特有的结构性缺陷对大型变压器的事故隐患问题,应该引起足够的重视。笔者了解(Find out)到,国内研制成功的非通轴盘式变压器油泵,采用短轴结构不仅使盘式泵的运行稳定性大幅度的提高,而且非通轴组件化,使检修时调隙极其方便,非通轴与轴承组件化为一体,成组更换更为简单。
  那么选用普通型电动机的变压器油泵就是正确的选择了吗?其实,国家电网当年下令替代改造高速油泵的初衷,正是由于高速油泵运行业绩的不佳。而盘式泵似乎成了当时低速油泵的唯一替代品种,但是国网并没有限制普通型电动机的低速变压器油泵的使用。我们今天探讨各种变压器油泵的构造和利弊,是为了使大家都能够对这种组件的内部结构做深入的了解和促其改进,并无褒贬取舍之意。变压器油泵采用何种结构,运行业绩是能够说明一切的。但是我们不能高枕无忧!应该立足于预防,立足于产品的固有可靠性和运行可靠性水平的提高。如何提高变压器油泵的故障诊断能力和运行维护的实时监控水平,使这一电力运行组件导致严重灾害性故障的概率降低为零,才是我们的共同目的。
  五、关于轴流式变压器油泵
  目前,片式散热器冷却系统配套变压器的规模和容量越做越大。由于片式散热器的 ;面体积比 ;较大,而有效散热面积中的自冷与风冷 ;面积比 ;较小,配套片散的变压器的自冷容量可以设计较大。某些40MVA以下容量的变压器甚至可以取消风冷(ONAF)而自冷(ONAN)运行。大型变压器还可以根据负载情况进行ONAN(自冷式)ONAF(风冷式)或OFAF(强油风冷式)等多种冷却形式切换选择运行,当片式散热器以ONAF(风冷式)或OFAF(强油风冷式)运行时,冷却效率会大大提高,温升系数C值下降。片式散热器,以其免维护、辅机损耗小、低噪声、低成本等优势,与传统强油风冷却器和强油水冷却器相比具有明显的优越性。而配套片散的变压器油泵,必须首先要满足低油阻力、低扬程、大流量这样的运行特点。
  轴流式变压器油泵设计扬程一般小于3m,大于3m扬程时就很难满足低油阻力的特点,此时就要设计旁路管网以满足自冷(ONAN)油通路的畅通。
  在我国,轴流式变压器油泵一般设计成 ;直管型 ;和 ;直角弯头型 ;两种。其叶片原理都是一样的。但是两种结构的区别在于:
  ①直角弯头型轴流泵 往往设计成 ;叶轮升降式 ;结构:当油泵通电时,流体升力将叶轮由低部推向顶部轴端运转;断电时叶轮自由沉降回底端。所以在运行启动的时候,我们会听到 ;啪 ;的一声。这种结构的优点是:由于断电时没有叶轮零件的阻挡,变压器(Transformer)ONAN自冷运行时油管路阻力小。缺陷是:叶轮频繁升降时的作用力久而久之会损坏轴端及下止点的零件,超长的轴深也会有叶轮运行偏摆的问题。国内西电公司(Company)选用的直角弯头型轴流泵已经改为:低油阻设计的叶轮在轴端固定,并加装轴端自定心轴承的结构,大大提高了这种产品的可靠性。
  ②直管型轴流泵 一般设计成 ;内外筒 ;结构。内筒装有电动机,其轴端装有低油阻设计的叶轮,外筒与内筒之间为油通道。这种结构的轴流式变压器油泵以其结构简洁,可靠性高而被广泛选用。
  六、变压器油泵的故障诊断和实时监控问题的探讨
  在我国,目前变压器油泵的故障诊断技术还非常原始,油泵故障的实时监控技术还是空白。上海凯泉泵业集团有限公司性能的技术参数有流量、吸程、 扬程、轴功率、水功率、效率等;根据不同的工作原理可分为 容积水泵、叶片泵等类型。 容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量; 叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量,有 离心泵、 轴流泵和 混流泵等类型。油泵运行状态与故障隐患不可预知。一旦发现油泵故障时,油泵已经到了不得不退出运行的状态,这时往往由于电气故障和机械故障磨损(零部件失效的一种基本类型)下来的大量金属颗粒、碳化物、乙炔等已经进入变压器内部。
  据我们了解,目前国内已经有厂家研制完成了带有监控功能的变压器油泵和集中监测系统,并获得了相关的技术专利。
  1、带有监控功能的变压器油泵和集中监测系统(system)构成如下:
  ①带有监控功能的变压器油泵(可订购亦可现场改造);
  ②前端机——安装在变压器(Transformer)附近,可定时循环采集并检测显示2~12台油泵运行状态和电流信号;并完成各路信号的汇总、分析(Analyse)处理及显示相关(related)信息,实现与集中监测机或直接与运行维护人员的数据通信。
  ③集中监测机(可选),安装在变电站监控机房内,与前端机有线相连,完成变压器油泵的长距离监测,前端机与集中监测机间通信距离为有线1000米之内。
  一般一台变压器安装一台前端机,可监测12台变压器油泵(Deep well pump),一台集中监测机可接2~8台前端机。
  2、带有监控功能的变压器油泵的原理
  通过泵内的电磁感应传感器检出变压器油泵的运行间隙,从而实时监控泵的轴承磨损情况、运行状况和预判故障。通过现场设置的前端机中显示的各台油泵的绿区(安全运行)、黄区(临界预警)、红区(危险警示)显示,可以即时显示和预判油泵的运行状态、工作电流与故障。当进入 ;红区 ;时,会发出声光报警和信息输出。故障检出率:100%。
  传感器是由一组与油泵(Deep well pump)绕组相同材料绕制并与绕组绝缘成一体的感应线圈,因此没有其它电力、电子式传感器元器件的老化和可靠性附加问题及电气绝缘问题。上海凯泉泵业集团有限公司是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的 机械能或其他外部能量传送给液体,使液体能量增加,主要用来输送液体包括 水、油、酸碱液、 乳化液、悬乳液和 液态金属等,也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。与传统常规变压器油泵相比,无任何结构性差异和使用功能上的差异,只是在出线盒位置附加了一接口,完全符合变压器油泵产品运行可靠性的特殊要求。
  3、集中监测机(可选),为现场运行的多台份 ;前端机 ;监控提供了信息化、自动化、智能化的便捷窗口手段。当集中监控实施后,各台份油泵实时运行和时段运行状况都有了信息化的记录内容,还可实现远程通讯报警。可通过电话及电子邮件联系有关人员。这使得现场户外高电压、强电场、恶劣环境下的变压器监测维护管理人员随时掌握设备运转情况,从而阻止很多 ;无人职守紧急情况 ;的发生。使监控维护工作变被动为主动,并可事先安排维修工作,尽量减少停机事故的发生,其经济(jīng jì)效益可观,极大的提高了设备的可靠性技术水平,方便了系统现场使用与维护水平的提高。
  4、规格参数:
  机 箱:前端机与集中监测机为19英寸4U上架工控机箱(当现场具有可装19英寸4U控制柜位置时,可嵌入安装。),亦可单独订购前端机IP55控制柜。
  使用电压:AC220V±10%,50Hz
  使用温度:前端机为-40℃至+70℃,集中监测机为+5℃至+45℃; 相对湿度≤95%;储存温度:+5℃至+45℃
  七、关于变压器油泵(Deep well pump)产品(Product)的发展方向问题
  变压器油泵产品的发展方向是随着我国输变电设备制造水平的提高和我国电
  网建设的总体目标而决定的。我国电网建设的总体目标是: ;大电网、超高压、
  自动化。 ;因此,随着主变大型化和电压等级的提高及变电站自动化无入职守的发展趋向,变压器油泵产品的可靠性问题还会越来越突出。继续突破和追求变压器油泵产品的新的可靠性技术指标,向着节能高效、功能一体化、机电一体化智能化发展,是变压器油泵今后的发展方向。同时,变压器油泵的发展,还与世界范围的新材料、新工艺、新技术突破息息相关。
  综观全国市场,变压器油泵年总需求量不过 5000台/年,而且,随着片式散热器冷却系统配套变压器容量的不断上升,油泵用量还会减少。但是,超大型变压器采用OFAF(强油风冷式)冷却形式还会存在下去。因此,变压器油泵的产品需求不仅存在,而且必将朝着高可靠性的高端产品模式(pattern)发展。因此,尽快规范并组织起全行业的优化系列设计,使我国变压器油泵水平朝着科学的、健康的方向发展,有利于变压器整体技术水平的提高,不致出现大的技术失误和质量事故。从而为我国的电力建设,电网的安全运行,为我国的社会主义现代化建设事业做出更大的贡献!