胡佳立，王星龍，黃天岐，朱俊磊，殷國(guó)山

（嘉興威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，嘉興 314000）

引言

潛水電泵（以下簡(jiǎn)稱電泵）在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，是重要的基礎(chǔ)裝備。其運(yùn)行過程中繞組線圈將產(chǎn)生大量的熱，使得整個(gè)電泵有一個(gè)明顯的溫升。溫升性能的優(yōu)劣直接影響電泵的壽命和使用的安全性。因此電泵的溫升是其安全性能的一個(gè)重要體現(xiàn)。當(dāng)下各類電泵在進(jìn)行出廠試驗(yàn)、型式試驗(yàn)，以及進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證檢測(cè)時(shí)對(duì)溫升的考核主要還是采用電阻法進(jìn)行。多年的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)該方法所耗費(fèi)的時(shí)間和電能較多，經(jīng)濟(jì)效益較差，尤其對(duì)功率較大的電泵。隨著國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的推進(jìn)，綠色環(huán)保理念的深入人心。社會(huì)生產(chǎn)生活各領(lǐng)域?qū)?jié)能也越來越重視。對(duì)于電泵而言，探索一種新型的溫升檢測(cè)方法有著極大的現(xiàn)實(shí)意義：一方面將很好的契合當(dāng)下國(guó)家整體綠色發(fā)展的戰(zhàn)略；另一方面也將有效的提升企業(yè)的生產(chǎn)效率并減輕其經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。所以，本文通過對(duì)比試驗(yàn)探討一種新的簡(jiǎn)便可行的溫升試驗(yàn)方法，從時(shí)間和耗能兩個(gè)方向來切實(shí)減輕企業(yè)的成本負(fù)擔(dān)。

1 電阻法測(cè)量溫升

電阻法是溫升測(cè)試的傳統(tǒng)方法，其原理為：電阻是繞組線圈一個(gè)特定的物理參數(shù)，其阻值大小在一定范圍內(nèi)與繞組本身的溫度相關(guān)，有特定的函數(shù)關(guān)系。在電阻法測(cè)試溫升過程中，我們重點(diǎn)關(guān)注線圈冷態(tài)阻值和熱態(tài)阻值以及測(cè)取這兩個(gè)阻值時(shí)的冷態(tài)線圈溫度和熱態(tài)介質(zhì)溫度，通過特定函數(shù)關(guān)系反推即可得出繞組最終的溫度及溫升。對(duì)于潛水電泵而言：在溫升試驗(yàn)中，將電泵安裝到水泵測(cè)試臺(tái)上，固定電泵并將泵體沒入水中。測(cè)量電泵繞組的冷態(tài)電阻，記錄此時(shí)的冷態(tài)線圈溫度，然后將泵在額定電壓和額定頻率條件下上電開啟，調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)的進(jìn)水和出水閥門，讓電泵在其額定工況下運(yùn)行。采用熱電偶布置在電泵一些相應(yīng)的部位，例如：外殼，電纜等處，觀察這些關(guān)鍵點(diǎn)的溫度變化曲線。當(dāng)這些曲線的變化趨勢(shì)基本為零，比如在時(shí)間間隔30 min內(nèi)溫度變化不超過1 K時(shí)，判定溫升穩(wěn)定。開始測(cè)取熱態(tài)電阻：斷電停機(jī)記錄此時(shí)的介質(zhì)溫度并開始計(jì)時(shí)，連續(xù)測(cè)定一段時(shí)間時(shí)的相應(yīng)電阻值，直至電阻變化緩慢為止，記錄這些不同時(shí)刻點(diǎn)的電阻值。繪制電阻R隨時(shí)間t變化的曲線（圖1）[1]。

圖1中曲線外延與縱坐標(biāo)相交點(diǎn)的阻值即可認(rèn)為斷電瞬間的繞組阻值。最終繞組溫升按照下式計(jì)算[2]：

圖1 電泵繞組阻值變化曲線

式中：

Δθ—繞組溫升（K）；

θ1—試驗(yàn)開始時(shí)的繞組溫度，單位為攝氏度（℃）；

θ2—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)冷卻介質(zhì)溫度，單位為攝氏度（℃）；

R1—試驗(yàn)開始時(shí)的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

R2—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的繞組電阻，單位為歐姆（Ω）；

k—常數(shù)，對(duì)銅繞組為234.5，對(duì)鋁繞組為225，對(duì)于銅鋁混合繞組，按234.5計(jì)算考核。

顯而易見，采用電阻法測(cè)試水泵的溫升試驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間較久，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般水泵在開啟后達(dá)到溫升穩(wěn)定需要的時(shí)間（3～4）h，根據(jù)泵的種類不同，有時(shí)甚至更長(zhǎng)。另外，這個(gè)測(cè)試過程耗費(fèi)的電能也相對(duì)較多?，F(xiàn)在通過對(duì)不同型號(hào)的水泵進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，得出一種相對(duì)簡(jiǎn)便快捷的溫升試驗(yàn)方法——快速溫差法，與傳統(tǒng)繞組溫升法對(duì)比，該方法優(yōu)點(diǎn)很明顯：由于整個(gè)測(cè)試周期大大縮短，所以耗費(fèi)的時(shí)間和電能都將大大減少。與此同時(shí)，測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)電阻法進(jìn)行比較，誤差在允許范圍內(nèi)。

2 快速溫差法測(cè)量溫升

快速溫差法的核心為：利用電泵溫升變化關(guān)鍵點(diǎn)機(jī)殼的溫度變化趨勢(shì)去推導(dǎo)整個(gè)溫度曲線最終的走向，從而確定電泵的最終溫升。在試驗(yàn)過程中，先測(cè)量電泵在冷態(tài)下定子繞組的初始溫度（一般以外殼表面溫度替代），然后啟動(dòng)電泵，調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)使電泵處于額定工況下運(yùn)行，設(shè)定溫度測(cè)量的時(shí)間間隔，并記錄每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的溫度，計(jì)算出相鄰兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的溫差。測(cè)試完畢后將試驗(yàn)期間的溫度、溫差、時(shí)間關(guān)系繪制成曲線如圖2所示[7]。

圖2 溫差法關(guān)系曲線

通過曲線我們可以發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)開始1小段時(shí)間內(nèi)，溫升曲線的變化趨勢(shì)很快，相鄰兩個(gè)時(shí)刻的溫差值較大。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，由于繞組線圈持續(xù)發(fā)熱，熱平衡狀態(tài)的趨勢(shì)逐步建立，相鄰兩個(gè)時(shí)刻的溫度值變化愈來愈小，對(duì)應(yīng)的溫差值也越來越小。最終曲線的溫度上升趨勢(shì)逐漸降低到接近零的狀態(tài)。此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，我們?cè)谇€上選取相等的時(shí)間間隔點(diǎn)Δt1，Δt2，Δt3，…Δtn計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫差Δθ1，Δθ2，Δθ3，…Δθn。最后將溫差值和溫度值的關(guān)系在圖2中進(jìn)行繪制。觀察發(fā)現(xiàn)：溫差與溫度關(guān)系為一條直線，延長(zhǎng)該直線與溫度軸相交，得到交點(diǎn)：θ，該值可以認(rèn)為是本次溫升測(cè)試最終的外殼表面溫度，在實(shí)際測(cè)試中我們可以將此溫度當(dāng)成該電泵最終的溫升值。

將這兩種方法過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：快速溫差法測(cè)量溫升一方面大大縮短測(cè)試時(shí)間，另一方面可以節(jié)約大量的能源。例如：1臺(tái)3 kW的潛水電泵，采用電阻法測(cè)溫，平均運(yùn)行4 h，采用溫差法運(yùn)行1 h，這樣一次測(cè)試即可節(jié)省9 kWh的電量及3 h的時(shí)間，節(jié)能及節(jié)時(shí)效果較為明顯。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)

我們選取1臺(tái)潛水電泵先后進(jìn)行繞組法溫升測(cè)試與快速溫差法溫升測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)并分析結(jié)果。

水泵型號(hào)及基本參數(shù)：SPS-1500-50F 220 V 50 Hz 1 950 W 18 m3/h

3.1 繞組法溫升測(cè)試

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 SPS-1500-50F水泵電阻法溫升測(cè)試結(jié)果

3.2 快速溫差法

在上述電泵上進(jìn)行熱電偶布置：在泵體外殼上最靠近繞組線圈對(duì)應(yīng)位置處布置熱電偶，記錄冷態(tài)溫度。將電泵安裝于測(cè)試臺(tái)，沒入水中通電開啟，調(diào)整進(jìn)水和出水閥使電泵在額定工況點(diǎn)下運(yùn)行。記錄1 h內(nèi)的溫度變化曲線，設(shè)定時(shí)間間隔為10 min。記錄數(shù)據(jù)如表2。

表2 SPS-1500-50F水泵溫差法溫升測(cè)試結(jié)果

通過繪制溫差與溫度關(guān)系曲線并求出為41.2 K，與繞組法的結(jié)果對(duì)比相差1.4 K，結(jié)果在可以接受范圍內(nèi)。另外繞組法耗時(shí)4 h，耗能7.484 kWh，快速溫差法耗時(shí)1 h，耗能1.862 kWh。兩者分別相差3 h和5.622 kWh，省時(shí)節(jié)能效果明顯。通過其他不同型號(hào)參數(shù)的電泵進(jìn)行反復(fù)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)快速溫差法的測(cè)試結(jié)果精度尚可，可以進(jìn)行推廣。

表3是多組用溫差法和電阻法測(cè)試溫升的對(duì)比數(shù)據(jù)。

表3 一組水泵兩種試驗(yàn)方法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.3 誤差分析

快速溫差法測(cè)量電泵溫升，其誤差主要來源于以下兩方面：①系統(tǒng)方面：主要與測(cè)量?jī)x器的精度有關(guān)：熱電偶的精度將直接影響記錄的溫升變化曲線的準(zhǔn)確性，從而影響最終數(shù)據(jù)。因此在選擇時(shí)盡可能選擇高精度的熱電偶以減小誤差。②隨機(jī)方面：主要與測(cè)量條件、工況穩(wěn)定性及測(cè)點(diǎn)布置有關(guān)。測(cè)點(diǎn)的布置盡可能布置于機(jī)殼上最接近繞組線圈處以獲得最大的溫升效果。在測(cè)試周期內(nèi)，合理設(shè)定采樣間隔以便盡可能多采集數(shù)據(jù)，確保曲線繪制光滑，減少誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

電泵因其運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，一般都在潮濕、腐蝕性高的場(chǎng)合使用，另外由于工況點(diǎn)多變，運(yùn)行狀態(tài)多樣，實(shí)際生產(chǎn)生活中完成安裝后重新拆卸更換等較為復(fù)雜。所以其安全運(yùn)行就顯得尤為重要。采用快速溫升法對(duì)水泵一些關(guān)鍵點(diǎn)如繞組線圈、軸承、電纜線等一些發(fā)熱較為明顯的部位布置熱電偶，以此作為檢查電泵安全性能的手段，精準(zhǔn)、節(jié)能并且省時(shí)。同時(shí)也對(duì)廣大用戶安全使用水泵提供了保障。因此在企業(yè)的生產(chǎn)中值得推廣該測(cè)試方法。