潜油电机的发热与散热分析

2004年12月胜利油田师范专科学校学报Dec.2004第18卷第4期Journal of Shengli Oilfield Teachers CollegeVol 18 No4潜油电机的发热与散热分析周瑞华(胜利石油管理局无杆采油泵公司山东东营257079)[摘要]潜油电杌作为潜油电泵机组的重要部件之一,在井底正常工作时的发热与散热是彩响耐温性能高低的主要因素。经过对电机的发热损耗、电机型号及耐温等级的选择分析,得出结论,降低損耗可有效提高效率和控制温升;选用适当的电机型号,可使电机正常工作时温升保持在一定的范围内,有利于电机的长期运行;选用高一耐温等级的潜油电机用于低等级的井中,增大电机的温升限度,可增加电机运行的可靠性,并能廷长其运转寿[关键词]潜油电机;发热;散热;损耗;温升[中图分类号]TE355.5[文献标识码]A[文章编号]1008-3022(2004)040093-02引言上述潜油电机中的总损耗可记为∑=pen+pe2+p潜油电机作为一种特殊用途的电机,一般工作在1000~+△pm+pnd3000m深度的油井中,对其有耐温、耐压、耐腐蚀的性能要当潜油电机驱动离心泵运转时,定转子间的功率和损耗求。对于某一耐温等级的电机其允许的温升是有一定限度关系可用下面的能量损耗流程图表示(如图1)的。电机在井下工作时,势必会产生一定的热量引起电机发热,而井液由离心泵排出时,又会带走热量使电机散热,不致使电机温升超过一定的限度,否则就会因温升过高而烧毁电电网负载2发热和温升分析同普通地面电机一样,潜油电机属于三相感应笼形电机,其工作原理是经电磁感应由磁场进行能量的转换,在能量转换的过程中,电机本身消耗一部分功率,这部分功率就图1能量损耗流程图所谓的损耗。由于损耗的存在,一方面使电机的效率降低;P1-输入功率,定子绕组从电网吸收的电功率另一方面,这些损耗转变成热能,使电机发热、温度升高。P-电磁功率,通过气隙磁场传递到转子方的功率。下面对电机的损耗做一简要分析P-机械功率,转子方去掉转子铜耗后的功率1)导体中电流产生的损耗称为钢耗,它分为定子钢耗P2一输出功率,机械功率去掉机械损耗和附加损耗后的pca:和转子铜耗po2,它和定、转子绕组的电阻及流过的电流功率大小成正比潜油电机运行时就必然产生上述五种损耗,损耗转化为2)铁心中交变磁通产生的磁滞损耗和涡流损耗称为铁热能,引起电机的发热和温升。热量从发热体内部由传导作耗pr它分为定子铁耗和转子铁耗,由于正常运转时转子频用传到部件表面,并使电机各部分的温度升高,当电机温度率低,转子铁耗很小,通常忽略不计;铁耗与铁心的材料、磁高于环境温度后,便通过电机壳向井液散发热量。当电机产通密度、电流的交变频率有关生的热量等于电机吸收的热量与散发的热量之和时,电机的3)转子总成与止推轴承、扶正轴承电机油之间的摩擦温度不再上升而达到某一稳定数值,此时的电机温度与井液损耗称为机械损耗△p,它和摩擦副的表面粗糙度以及电温度之差称为温升,显然温升的大小是由发热的多少和散热机油的粘度有关。的快慢二者共同决定的4)由于齿槽存在,由谐波、漏磁等因素而引起的额外损潜油电机中使用的各种绝缘材料都有最高允许工作温耗称为附加损耗p它和绕组的分布型式、定转子电流引起度[2唐范围内可长期伸用,若超过最高允许工作温的漏磁场有关度中国煤化工气性能、机械性能、化学性[收稿日期]2004-07—26CNMHG[作者简介]周瑞华(1967—),女,四川渠县人,胜利石油管理局无杆采油泵公司工程师第18卷胜利油田师范专科学校学2004年第4期能破坏,使用寿命迅速缩短,严重时被烧毁,造成电机的损进入离心泵,由泵举升井液至地面,从而带走电机所产生的坏。电机的绝缘等级是由它采用的绝缘材料中耐热等级最低热量。当潜油电机欠载运行或因故障而使电机空载时,就会的材料决定的,国家标准规定了电机的五级绝缘等级,见下因热量散发不出去而导致电机烧毁。下面对减少电机的发热和加快散热作探讨。绝缘等级1)降低潜油电机的各种损耗Pca、poa2、P、△pas、ps定转子铜耗主要与导体中的电流和电阻有关系,其中与电流最高允许温度(℃)105120130155180的平方成正比。在电机设计时采用高电压低电流技术,可有理论和实践证明,若工作温度每超过A级绝缘极限温度·效地降低电机铜耗;铁耗主要与铁心中的磁通密度、硅钢片8℃(B级10℃,F级12C,H级14℃),绝缘材料的使用寿命的厚度和性能有关,采用优化设计的方法,选择合适比例的就要缩短一半,这将严重影响整个电机的使用寿命。电磁负荷,提高硅钢片的冲叠工艺水平,可有效地降低铁耗;电机不同部件的结构材料热导率相差很大,且电机中有通过提高零部件的加工精度和整机的装配质量,减少摩擦系多个热源,如绕组、铁心,故实际电机的发热过程是很复杂数降低机械损耗;采用近槽配合减少气隙磁场的谐波含量的。为简化分析并近似研究发热规律和最后的温升,作如下选用合适的槽形减少漏磁的含量,来降低机械损耗和附加损假设:耗)潜油电机长期运行,负载不变,总损耗不变2)增大散热面积,在油井套管允许的情况下,选用大直2)潜油电机本身为均质等温体径电机。对于功率一定的电机,其损耗也基本不变,选用大直3)井液环境温度不变。径潜油电机,可增大电机壳与井液的接触面积,有利于电机根据上述假定,当时间t=0时,温升τ=0,可得电机的的散热温升与时间的函数关系式和变化曲线如图2所示:3)采用护罩电泵[p76),从井口注入冷水,降低井液温度。对于高温油井,为加快电机的散热可以采用护罩电泵,从井口注入冷水,降低井液温度,从而改善电机的工作环境,另一方面,由于在电机壳外加了一层护罩,缩小了电机外径与套管之间的环空面积,增大了井液的流速,这两方面共同作用大大加快了电机的散热,有效地降低了电机的温升。1结论1)电机的发热是由损耗引起的,它是决定电机效率高低的主要因素,降低损耗可有效地提高效率和控制温升。2)发热和散热是影响潜油电机温升的两个因素,电的发热是其运行时必然产生的能量转换形式,散热是为降低图2均质等温体的温升曲线电机的温升,因此,根据井底的散热环境选用适当的电机型-稳态温升,热稳定情况下,电机温度不再升高时的温号,使电机正常工作时温升保持在一定的范围内,有利于电升机的长期运行T一发热时间常数,发热量全部用来加热电机,无散热时3)可选用高一耐温等级的潜油电机用于低等级油井达到稳态温升所需的时间中,增大电机的温升限度,这可以增加电机运行的可靠性,延3散热分析长其运转寿命。潜油电机在运行时,要求在电机发热的同时必须进行散[参考文献]热,散热的目的是降低电机的温升。由于潜油电机工作在深1]谢明电机学M,重庆重庆大学出版社49至几千米的油井中,它的散热途径是靠井液流经电机机壳后[2]陈世坤,电机设计[M].北京:机械工业出版社,2000[责任编辑]赵义明中国煤化工CNMHG