變壓器油泵的應用與故障診斷問題的探討
2018-01-31 16:30:05
對于這樣一個結構原理并不復雜，而功能和可靠性對電力變壓器運行卻非常重要的組件，如何正確的認識和選配它，如何正確的應用與故障診斷，確保它的長期可靠運行，實在是一個不能隨意忽視的問題。本文作者根據多年來的運行管理經驗，對目前國內變壓器用油泵的結構形式、特點，選配與應用時應該注意的事項做一簡要的敘述，以期探討。
一、變壓器油泵的結構形式
變壓器油泵的結構定義
變壓器油泵是一種全密封結構的，內置潛油運行的三相異步電動機直軸安裝一離心式或軸流式葉片泵，專用于輸送變壓器絕緣油介質的流體機械。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。
目前國內外生產的變壓器油泵的結構形式一般如下：
1、按泵的葉片形式劃分
①離心式變壓器（Transformer）油泵：配裝離心式葉片泵，一般適用于變壓器強油風冷卻器;
②軸流式變壓器油泵：配裝軸流式葉片泵，一般適用于低揚程、大流量、低油阻力的變壓器片式散熱器冷卻系統(system)中，可做多種冷卻形式的切換選擇：當泵停止運轉的時候，油泵只相當于一段低阻力的管路連接段，此時變壓器可做ONAN(自冷式)或ONAF(風冷式)運行。上海凱泉泵業集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。當泵通電運轉時，可做OFAF(強油風冷式)運行，冷卻效率大大提高，溫升系數C值大幅度下降。
2、按驅動電機結構劃分：
①常規感應三相異步電動機驅動的普通型變壓器油泵;
②盤式電機(軸向氣隙)驅動的盤式變壓器油泵。
兩種結構的差別主要是驅動電動機不同，使用功能、安裝尺寸、形式完全相同。
二、變壓器油泵型號含義及參數意義
1、國內一般變壓器油泵的型號含義：
2、變壓器油泵的幾個主要參數及其意義：
流量Q——單位時間內通過油泵(Deep well pump)連接管路截面上的變壓器油流的數量。通常用立方米/秒(m3/h) 來表示，國外進口油泵多用升/分鐘(L/min)來表示。(1m3/h= 0.06L/min)
揚程H——單位重量的被輸送變壓器油通過油泵時所獲得的有效能量值。其單位是：Nm/N，即油泵輸送變壓器油液的液柱高度。通常我們用米水柱(m)來表示，如果用米液柱來表示則要考慮變壓器油的重度。
揚程、流量對于每一種特定型號的變壓器油泵而言一般是不宜替代的，因為每種型號泵的特性曲線上只有一段區域是效率最高的。油泵工作的這一段區域叫額定工況。油泵工作在這一區域時，不僅效率高，而且噪音低，功率消耗合理，運轉平穩，無有害渦流沖擊和氣蝕損害，能夠保持長期可靠運行。
那么額定工況如何選擇呢?主要由主變的油路結構、冷卻器油循環回路及其管網系統組成的阻力特性曲線所決定的。不同類型的冷卻器和主變油路循環結構，其管網特性曲線不同。管網系統阻力特性曲線與變壓器（Transformer）油泵工作特性曲線的交點就是油泵的額定工況點。因此，就變壓器油泵的替代性而言，不同水力參數或降低水力參數的隨意替代是不可取的，他關系冷卻器的額定換熱容量，同樣也關系到主變的長期穩定的安全運行。
額定功率P——變壓器油泵的額定功率是指電動機輸出軸上的額定功率，故也稱為軸功率。
油泵的輸入功率P1是指油泵電動機從電源汲取的電功率(√3UIcosφ)。在生產變壓器油泵的工廠里可以通過測功機測取油泵的軸功率，同時測取對應點的輸入功率并繪制成曲線。我們可以通過曲線查取某一流量工況下的輸入電功率，以便了解油泵實際消耗的電能。通過工廠提供的電動機負載特性曲線，可以查取某一輸入功率P1下的輸出功率和電動機效率。
總機效率η——變壓器油泵總機效率是泵的有效功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）Pe與輸入功率P1之比。
油泵的有效功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）是被輸送液體在泵內單位時間所獲得的有效能量。而揚程就是油泵輸出的單位重量液體從泵中獲得的有效能量，所以揚程和質量流量及重度的乘積，就是單位時間內從油泵中輸出液體所獲得的有效能量——油泵的有效功率Pe。
Pe=γQH/1000
式中 γ——變壓器油的重度(N/m3);
Q——油泵的流量(m3/s);
H——油泵的揚程(m)。
變壓器油泵的總機效率是泵的有效功率Pe與輸入功率P1之比：
η=Pe/P1
轉速n——是變壓器油泵軸在單位時間內的轉數，單位是rot/min(轉/分)。
根據國網公司的要求：為提高變壓器油泵軸承運轉壽命，將原1450轉/分(4極電機)油泵，改為1000轉/分(6極電機)及以下的低速泵。
三、關于低轉速變壓器油泵
所謂低轉速：就是在實現同樣的流量揚程下，轉速由1500轉/分(4極電機)下降為1000轉/分(6極電機)及以下轉速的變壓器油泵。凱泉泵業開動前，先將泵和進水管灌滿水，水泵運轉后，在 葉輪高速旋轉而產生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩向四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補充了這個空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經蝸殼而進入出水管。但是要達到原(4極電機)油泵的流量、揚程，勢必要靠增加葉輪直徑解決。旋轉機械的直徑增加則運行穩定性會下降，而且6極驅動電機比4極電機的直徑也要大。這樣，在替代過程(guò chéng)中，某些老式的冷卻器安裝尺寸很難實現。
確實，低轉速可以提高軸承的運轉壽命。但是,轉速降低了，葉輪直徑卻增加了。大直徑的旋轉體，其平衡問題將更加突出。特別是作為葉片泵其葉片鑄型、扭曲角度的一致性在工藝上誤差難免，這些在低速、大直徑旋轉油泵(Deep well pump)中帶來的問題會突出出來，直接影響運行穩定性，反而會降低軸承的運轉壽命。
目前國內都在大量配套采用軸向氣隙(盤式電機)電機驅動的盤式變壓器油泵(這種油泵適宜做成低速1000轉/分以下)，由于盤式泵的強大軸向磁拉力作用，此類問題將更加突出。國外出口到中國的 ;盤式變壓器泵產品說明書 ;中對該類油泵軸承的維護進行了較多篇幅的說明，并推出公式如下：
Lh=(106/60N)(C/Prfw)3a1 a2 a3
式中 Lh：計算壽命(hr); N：轉速(rot/min); C：額定荷重(kg);Pr：當量軸承(bearing)荷重(kg); fw：荷重系數; a1：信賴度系數; a2：潤滑系數; a3：材料系數;
以上公式即使給出各個參數的推薦值，由于其選用材料的、環境的、制造工藝的等等因素，實際計算出來的誤差是很大的，由此求得的壽命時間也是令人難以置信的。
其實，適當高轉速的變壓器油泵不僅效率高而且體積小，運行穩定性好。我國傳統型1450轉/分(4極電機)油泵，甚至2860轉/分(2極電機)變壓器油泵中有些品種運行業績非常好，有的產品運行已達20幾年，目前仍然在運行。所以，關鍵是良好的、專業化的制造質量與運行維護。不能因為出現一些質量問題，就全盤否定。特別是一味的追求低轉速、盤式泵，會適得其反。舉例如：華北電網公司，網生部〔2004〕25號《關于下發 ;2004年華北電網有限公司變壓器類設備專業技術會議紀要 ;的通知》指出： ;由于高速油泵改造技術方案不規范，造成變壓器油溫升高;對國網公司〔防止110～500kV變壓器事故措施〕進行修改，內容第1.2.4條規定：對于運行正常的轉速為1450r/min的油泵可以繼續采用。 ;
四、關于盤式變壓器油泵：
日本是首先將盤式電動機應用到變壓器油泵上的國家。盤式電機變壓器油泵的結構原理如附圖1所示，它的嵌有繞組的定子（組成：定子鐵芯、定子繞組和機座）置于低部如同一個平面向上的磨盤，它的轉子靠不旋轉的軸與旋轉的軸承支撐著懸在定子上面，如同磨盤上的碾。故名：盤式電機變壓器油泵
1、盤式電機的優點是：
①矽鋼片的材料利用率達70%以上，普通電機只有45%。
②結構緊湊，軸向長度短，只有普通電動機長度的1/2，但幅向粗大。
③電動機散熱條件好，設計電密高。
2、盤式電機做成變壓器油泵時應該密切注意的問題：
①盤式電機的軸向磁拉力是很強的，(它就是靠這種旋轉的軸向磁拉力進行電磁耦合使轉子（rotor）旋轉起來，完成電能向機械能轉換的)。當軸承經過長期運轉產生磨損和間隙時，這種軸向磁拉力會使這個間隙直接轉化為定、轉子間氣隙的減少，直至定、轉子鐵與鐵之間的摩擦。(因此盤式電機適于制成剎掣電機：在定、轉子間安裝摩擦片，通電剎掣，失電自由旋轉。)而普通電動機的周向旋轉磁場產生的切向力卻有良好的自定心作用，當然普通電動機軸承也不會承受到象盤式電動機那樣強大的軸向磁拉力。
也有人這樣解釋：理論上離心泵運行時產生的向上的軸向升力會平衡盤式泵的軸向電磁拉力。事實上，盤式泵的軸向電磁力是遠遠大于這種反向升力的。特別是當油泵啟動時這種軸向升力是零。
②盤式泵啟動電流和運行電流都比普通型電動機油泵大20%以上、啟動力矩低、啟動時間長。
綜上，做為可靠性要求很高的變壓器油泵，國外普遍大量采用的還是由傳統形式的三相異步電動機做為驅動設計的變壓器油泵：如AB
B、SIEMEN
S、美國、法國、意大利、波蘭、俄羅斯隨主機出口到我國的變壓器（Transformer）油泵均為轉速=1450轉/分的常規感應電動機結構的產品。只有我國還在將盤式電機變壓器油泵做為一種低速泵的新產品加以廣泛采用。從原理與運行功能上看，如果運行中忽略對其軸承的嚴密監控，隨著這種結構油泵運行時間的累積，事故的概率可能會加大。據我了解：日本國生產的這種盤式變壓器油泵產量也較少，而大量生產的還是普通電動機驅動的變壓器油泵。1992年時，將其主要盤式泵生產線拆除(帝國電機制作所TADADENKI)，保留一小部分用在新干線機車變壓器用泵(因該類泵軸向尺寸較短，適于高速動車組安裝)。
盤式泵在維護檢修時更換和調整軸承(bearing)的工作具有一定的難度，特別對采用雙推力軸承的盤式泵，其現場檢修調整軸承間隙時工藝難度是很大的。間隙大了，則電流很高;間隙小了，則效果不佳，而長期運行不進行定期維修的盤式泵是很危險的，已經造成運行中變壓器（Transformer）運行油色譜異常、油溫升高、油流繼電器抖動等諸多問題。對于盤式泵特有的結構性缺陷對大型變壓器的事故隱患問題，應該引起足夠的重視。筆者了解(Find out)到，國內研制成功的非通軸盤式變壓器油泵，采用短軸結構不僅使盤式泵的運行穩定性大幅度的提高，而且非通軸組件化，使檢修時調隙極其方便，非通軸與軸承組件化為一體，成組更換更為簡單。
那么選用普通型電動機的變壓器油泵就是正確的選擇了嗎?其實，國家電網當年下令替代改造高速油泵的初衷，正是由于高速油泵運行業績的不佳。而盤式泵似乎成了當時低速油泵的唯一替代品種，但是國網并沒有限制普通型電動機的低速變壓器油泵的使用。我們今天探討各種變壓器油泵的構造和利弊，是為了使大家都能夠對這種組件的內部結構做深入的了解和促其改進，并無褒貶取舍之意。變壓器油泵采用何種結構，運行業績是能夠說明一切的。但是我們不能高枕無憂!應該立足于預防，立足于產品的固有可靠性和運行可靠性水平的提高。如何提高變壓器油泵的故障診斷能力和運行維護的實時監控水平，使這一電力運行組件導致嚴重災害性故障的概率降低為零，才是我們的共同目的。
五、關于軸流式變壓器油泵
目前，片式散熱器冷卻系統配套變壓器的規模和容量越做越大。由于片式散熱器的 ;面體積比 ;較大，而有效散熱面積中的自冷與風冷 ;面積比 ;較小，配套片散的變壓器的自冷容量可以設計較大。某些40MVA以下容量的變壓器甚至可以取消風冷(ONAF)而自冷(ONAN)運行。大型變壓器還可以根據負載情況進行ONAN(自冷式)ONAF(風冷式)或OFAF(強油風冷式)等多種冷卻形式切換選擇運行，當片式散熱器以ONAF(風冷式)或OFAF(強油風冷式)運行時，冷卻效率會大大提高，溫升系數C值下降。片式散熱器，以其免維護、輔機損耗小、低噪聲、低成本等優勢，與傳統強油風冷卻器和強油水冷卻器相比具有明顯的優越性。而配套片散的變壓器油泵，必須首先要滿足低油阻力、低揚程、大流量這樣的運行特點。
軸流式變壓器油泵設計揚程一般小于3m，大于3m揚程時就很難滿足低油阻力的特點，此時就要設計旁路管網以滿足自冷(ONAN)油通路的暢通。
在我國，軸流式變壓器油泵一般設計成 ;直管型 ;和 ;直角彎頭型 ;兩種。其葉片原理都是一樣的。但是兩種結構的區別在于：
①直角彎頭型軸流泵 往往設計成 ;葉輪升降式 ;結構：當油泵通電時，流體升力將葉輪由低部推向頂部軸端運轉;斷電時葉輪自由沉降回底端。所以在運行啟動的時候，我們會聽到 ;啪 ;的一聲。這種結構的優點是：由于斷電時沒有葉輪零件的阻擋，變壓器（Transformer）ONAN自冷運行時油管路阻力小。缺陷是：葉輪頻繁升降時的作用力久而久之會損壞軸端及下止點的零件，超長的軸深也會有葉輪運行偏擺的問題。國內西電公司(Company)選用的直角彎頭型軸流泵已經改為：低油阻設計的葉輪在軸端固定，并加裝軸端自定心軸承的結構，大大提高了這種產品的可靠性。
②直管型軸流泵 一般設計成 ;內外筒 ;結構。內筒裝有電動機，其軸端裝有低油阻設計的葉輪，外筒與內筒之間為油通道。這種結構的軸流式變壓器油泵以其結構簡潔，可靠性高而被廣泛選用。
六、變壓器油泵的故障診斷和實時監控問題的探討
在我國，目前變壓器油泵的故障診斷技術還非常原始，油泵故障的實時監控技術還是空白。上海凱泉泵業集團有限公司性能的技術參數有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。油泵運行狀態與故障隱患不可預知。一旦發現油泵故障時，油泵已經到了不得不退出運行的狀態，這時往往由于電氣故障和機械故障磨損（零部件失效的一種基本類型）下來的大量金屬顆粒、碳化物、乙炔等已經進入變壓器內部。
據我們了解，目前國內已經有廠家研制完成了帶有監控功能的變壓器油泵和集中監測系統，并獲得了相關的技術專利。
1、帶有監控功能的變壓器油泵和集中監測系統(system)構成如下：
①帶有監控功能的變壓器油泵(可訂購亦可現場改造);
②前端機——安裝在變壓器（Transformer）附近，可定時循環采集并檢測顯示2～12臺油泵運行狀態和電流信號;并完成各路信號的匯總、分析(Analyse)處理及顯示相關(related)信息，實現與集中監測機或直接與運行維護人員的數據通信。
③集中監測機(可選)，安裝在變電站監控機房內，與前端機有線相連，完成變壓器油泵的長距離監測，前端機與集中監測機間通信距離為有線1000米之內。
一般一臺變壓器安裝一臺前端機，可監測12臺變壓器油泵(Deep well pump)，一臺集中監測機可接2～8臺前端機。
2、帶有監控功能的變壓器油泵的原理
通過泵內的電磁感應傳感器檢出變壓器油泵的運行間隙，從而實時監控泵的軸承磨損情況、運行狀況和預判故障。通過現場設置的前端機中顯示的各臺油泵的綠區(安全運行)、黃區(臨界預警)、紅區(危險警示)顯示，可以即時顯示和預判油泵的運行狀態、工作電流與故障。當進入 ;紅區 ;時，會發出聲光報警和信息輸出。故障檢出率：100%。
傳感器是由一組與油泵(Deep well pump)繞組相同材料繞制并與繞組絕緣成一體的感應線圈，因此沒有其它電力、電子式傳感器元器件的老化和可靠性附加問題及電氣絕緣問題。上海凱泉泵業集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。與傳統常規變壓器油泵相比，無任何結構性差異和使用功能上的差異，只是在出線盒位置附加了一接口，完全符合變壓器油泵產品運行可靠性的特殊要求。
3、集中監測機(可選)，為現場運行的多臺份 ;前端機 ;監控提供了信息化、自動化、智能化的便捷窗口手段。當集中監控實施后，各臺份油泵實時運行和時段運行狀況都有了信息化的記錄內容，還可實現遠程通訊報警。可通過電話及電子郵件聯系有關人員。這使得現場戶外高電壓、強電場、惡劣環境下的變壓器監測維護管理人員隨時掌握設備運轉情況，從而阻止很多 ;無人職守緊急情況 ;的發生。使監控維護工作變被動為主動，并可事先安排維修工作，盡量減少停機事故的發生，其經濟(jīng jì)效益可觀，極大的提高了設備的可靠性技術水平，方便了系統現場使用與維護水平的提高。
4、規格參數：
機 箱：前端機與集中監測機為19英寸4U上架工控機箱(當現場具有可裝19英寸4U控制柜位置時，可嵌入安裝。)，亦可單獨訂購前端機IP55控制柜。
使用電壓：AC220V±10%，50Hz
使用溫度：前端機為-40℃至+70℃,集中監測機為+5℃至+45℃; 相對濕度≤95%;儲存溫度：+5℃至+45℃
七、關于變壓器油泵(Deep well pump)產品(Product)的發展方向問題
變壓器油泵產品的發展方向是隨著我國輸變電設備制造水平的提高和我國電
網建設的總體目標而決定的。我國電網建設的總體目標是： ;大電網、超高壓、
自動化。 ;因此，隨著主變大型化和電壓等級的提高及變電站自動化無入職守的發展趨向，變壓器油泵產品的可靠性問題還會越來越突出。繼續突破和追求變壓器油泵產品的新的可靠性技術指標，向著節能高效、功能一體化、機電一體化智能化發展，是變壓器油泵今后的發展方向。同時，變壓器油泵的發展，還與世界范圍的新材料、新工藝、新技術突破息息相關。
綜觀全國市場，變壓器油泵年總需求量不過 5000臺/年，而且，隨著片式散熱器冷卻系統配套變壓器容量的不斷上升，油泵用量還會減少。但是，超大型變壓器采用OFAF(強油風冷式)冷卻形式還會存在下去。因此，變壓器油泵的產品需求不僅存在，而且必將朝著高可靠性的高端產品模式(pattern)發展。因此，盡快規范并組織起全行業的優化系列設計，使我國變壓器油泵水平朝著科學的、健康的方向發展，有利于變壓器整體技術水平的提高，不致出現大的技術失誤和質量事故。從而為我國的電力建設，電網的安全運行，為我國的社會主義現代化建設事業做出更大的貢獻!