Энергоснабжение погружного насоса

Хотя обычно сети электроснабжения поставляют точно установленное напряжение, вблизи трансформаторов низкого напряжения оно будет выше на 3 – 5%. При пиковой нагрузке на магистральные провода из-за омического сопротивления будет иметь место падение напряжения. 

Большинство  сетей  электроснабжения спроектированы таким образом, что в наиболее слабой точке по крайней мере раз в год возникает падение напряжения более чем на 10%. Тем не менее, у многих потребителей снова и снова возникают значительные проблемы со скачками напряжения.  

Для любого электродвигателя насоса вредно, если на него поступает напряжение, параметры которого выходят за пределы расчетных значений. При скачках напряжения крутящий момент и частота вращения вала электродвигателя насоса значительно  снижаются. В результате происходит падение КПД и индуктивного сопротивления электродвигателя насоса. Это увеличивает потребляемую мощность, а, следовательно, теплообразование в электродвигателе. 

Если на электродвигатель насоса при полной нагрузке поступает напряжение на 10% ниже номинального, то потребляемый ток увеличивается примерно на 5%, а температура электродвигателя— на 20%. Если такое превышение превосходит максимально допустимую температуру изоляции обмоток, то это может  привести  к  короткому  замыканию  и  разрушению статора насоса. Однако это произойдет лишь в том случае, если электродвигатель погружного насоса работает при высокой температуре окружающей среды и имеет плохое охлаждение, либо при одновременном возникновении сдвига фаз и скачков напряжения. 

Возникающее в результате пониженного напряжения длительное повышение температуры обмоток двигателя приводит к быстрому старению изоляции и, следовательно, к уменьшению срока службы погружного насоса. При перенапряжении сети потребляемая мощность и теплообразование в обмотках электродвигателя также возрастают. 

1. При измеренных на клеммах электродвигателя колебаниях напряжения в пределах +6/-10% от указанного в фирменной табличке номинального значения, можно ожидать расчетного срока службы электродвигателя насоса. Условия: потребляемый ток не превышает указанную на фирменной табличке величину тока при полной нагрузке, электродвигатель насоса в достаточной мере охлаждается и не возникает никаких скачков напряжения или асимметрии. 

2. При кратковременных/периодических перепадах напряжения свыше допустимых пределов (+6/-10% от указанного на фирменной табличке номинального значения) не следует ожидать значительного сокращения срока службы электродвигателя насоса, если только перепады напряжения будут настолько значительны, что это приведет к возникновению короткого замыкания в обмотках статора насоса. 

3. При постоянных или длительных колебаниях напряжения свыше +6/-10% мощность электродвигателя следует снизить или выбрать электродвигатель промышленного назначения, позволяющий добиться приемлемого срока службы и КПД. Кроме  того, необходимо обеспечить контроль электродвигателя с помощью пульта. Для повышения срока службы стандартного электродвигателя насоса его мощность обычно снижают, если на сетевом кабеле можно ожидать перепадов напряжения, выходящих за пределы +6/-10%. Если на однофазные электродвигатели подается низкое напряжение, то для них нередко требуются конденсаторы.

Асимметрия напряжения насоса

 По электрическим сетям номинальное напряжение должно подаваться на все три фазы. Как правило, вблизи низковольтных трансформаторов так и происходит. При полной нагрузке сети для предотвращения напряжения на отдельных фазах все однофазные агрегаты должны быть распределены по трем фазам. Поскольку однофазные агрегаты часто работают в режиме включения/выключения, они могут стать причиной асимметрии фаз.  

Асимметрия может быть вызвана также асимметрией тока в линиях электропередач, а также изношенными либо окисленными контакторами. На случай возможной асимметрии в цепи нужно до включения электродвигателя насоса в сеть проконсультироваться с представителями энергоснабжающего предприятия.

Асимметрия тока насоса

 При минимальной асимметрии тока достигается максимальный КПД электродвигателя насоса и наиболее длительный срок его службы. Вот почему важна равномерная нагрузка всех фаз.

Перед выполнением измерений необходимо проверить направление вращения насоса (при правильном  направлении вращения насоса достигается максимальная  производительность). Направление вращения насоса можно изменить, переключив две фазы. 

Небольшая асимметрия напряжения приводит к большой асимметрии тока, что в свою очередь вызывает неравномерный нагрев обмоток статора и приводит к возникновению горячих зон и точечного нагрева.

Частота насоса

 Частота всегда должна соответствовать указанному на фирменной табличке насоса номинальному значению. Если частота выше этого значения, может возникнуть перегрузка электродвигателя, а если ниже, то производительность насоса падает. Следствием  изменения  частоты  является  асимметрия тока.  

Гармоники напряжения насоса

 В нормальном случае сеть питания обеспечивает потребителей синусоидальным напряжением по всем трем фазам. К полученному на электростанции синусоидальному напряжению в распределительной системе добавляются дополнительные гармоники. 

Источники гармоник напряжения

• Преобразователь частоты без фильтра.
• Приборы, обеспечивающие плавный пуск электродвигателя.
• Контакторы для крупных машин.
• Конденсаторы в промышленных установках.
• Удар молнии. 

Преобразователь частоты насоса без фильтра

 Современные преобразователи частоты, оснащенные индуктивно-емкостными (LC) или резистивно-емкостными (RC) фильтрами, можно настолько надежно защитить предохранителями, что при соединении преобразователя частоты с электродвигателем кабелем длиной до 100 м не возникнет никаких пиков напряжения свыше 850 В. В этих условиях любой электродвигатель насоса имеет приемлемый срок службы. 

На  выходе  преобразователей  частоты  типа PWM (широтно-импульсная  модуляция), не оснащенных LC или RC-фильтрами, получается выходное  напряжение, значительно отличающееся от идеальной синусоиды. Пики напряжения в зависимости от исполнения преобразователей достигают 850 – 1200 В (при длине соединительного кабеля 100 м). 

С удлинением кабеля, соединяющего преобразователь частоты с электродвигателем насоса, эти пики увеличиваются. При длине кабеля 200 м они достигают 1700 – 2400 В, т.е. удваиваются. Результатом такого увеличения становится снижение срока службы насоса. По этой причине преобразователь частоты следует снабжать по меньшей мере RC-фильтром, что позволит обеспечить оптимальный срок службы электродвигателя.

Приборы, обеспечивающие плавный пуск электродвигателя насоса

От подключенного к электродвигателю насоса прибора, обеспечивающего его плавный пуск, поступает несинусоидальный ток, создающий в сети помехи. Поскольку  время  ускорения/замедления  электродвигателя насоса очень коротко, на практике эти помехи незаметны. Если же фаза пуска длится более 3 с, то температура обмоток электродвигателя возрастает и, следовательно, снижается срок службы насоса.

Контакторы для крупных насосов

 Пуск крупных насосов осуществляется методом прямого подключения DOL или способом «звезда-треугольник». При этом может произойти искровой разряд. В случае, если контакторы разомкнуты, это создает  значительные  пики напряжения, которые опасны для погружных насосов только в очень слабой сети. 

Конденсаторы в промышленных насосах

 В промышленных насосах устанавливаются сложные приборы регулирования с многочисленными конденсаторами большой емкости, возвращающими пики напряжения в сеть. Опасность для погружных насосов эти пики представляют лишь в случае слишком слабой сети. 

Удар молнии в насос

 Удар молнии, попавший в скважинную установку, шкаф управления или в систему электроснабжения насоса, разрушает все электрические установки. Скачок напряжения при ударе молнии достигает 20 – 100 кВ. Полученного при этом тепла достаточно для того, чтобы расплавить изоляцию. 

Удар молнии в высоковольтную сеть создает скачки напряжения, которые частично поглощаются через молниеотвод  на трансформаторной подстанции и отводятся на шину заземления.

Если удар молнии попал в низковольтную сеть, то опасность возникновения скачков напряжения от 10 до 0 кВ существует только для распределительного шкафа насоса. Если шкаф управления и сам насос не защищены, соответственно, громоотводом и заземлением, то установка может быть повреждена. Причина возможного повреждения состоит в том, что они находятся в обладающих определенной электропроводностью грунтовых водах и, следовательно заземлены. 

В результате удара молнии электродвигателям могут быть нанесены повреждения как через силовой кабель, так и через заземляющий. В тех областях, где часты удары молнии, наилучший способ защиты выключателей электродвигателей и погружных насосов состоит в том, чтобы на приводной стороне главного выключателя установить молниеотвод и соединить его со стержневым заземлителем или по возможности с водоподъемной трубой скважины в том случае, если эта труба изготовлена из стали. 

Причиной указанных скачков может быть не только плохая работа молниеотводов на трансформаторной подстанции.Если система подверглась ударам молнии, все детали распределительного шкафа следует тщательно проверить. Заземляющие контакты могут перегореть в одной фазе, что может привести к повышению напряжения и асимметрии тока распределительного шкафа насоса. Заземляющие контакты или тепловое реле могут перегореть в различных фазах, в результате чего может возникнуть как падение напряжения, так и асимметрия. Если перегорело тепловое реле, оно не сможет расцепиться и тем самым обеспечить защиту обмоток электродвигателя насоса. 

Только в редких случаях при ударах молнии разрушаются электродвигатели. Погружные насосы имеют класс защиты изоляции до 15 кВ. Это — максимальное значение напряжения, которое может пройти через электродвигатель насоса, например, при ударах молнии вблизи него. Поэтому нет необходимости в дополнительной молниезащите, хотя здесь не учитываются прямые удары молнии.