Некоторые аспекты применения современных скважинных насосов

Изложены особенности применения скважинных насосов для устройства местных подземных водозаборов, преобладающих в сельской местности. Рассмотрены отечественные и зарубежные модели. Преимущества зарубежных моделей: экономичность и сравнительно небольшой наружный диаметр. Вместе с этим, при подборе, монтаже и эксплуатации импортных насосов рекомендуется учитывать особенностями российских электросетей (скачки напряжения; асимметрию напряжения и тока, дополнительные гармоники напряжения), негативно влияющие на работу электродвигателя.

Россия обладает огромными разведанными запасами пресных подземных вод высокого качества. В перспективе потребность хозяйственно-питьевого водоснабжения может быть удовлетворена на 100% за счет подземных вод в 62 субъектах РФ, например – в Краснодарском и Красноярском краях, Бурятии, на Алтае и др. При этом питьевая вода из централизованных систем водоснабжения с подземными источниками в 3-4 раза ниже по себестоимости, чем от поверхностного забора.

Все это послужило причиной устройства местных подземных водозаборов. Сегодня их доля составляет около 85 % общего объема водопотребления на селе. Наряду с погружными насосами отечественного производства, все большую популярность приобретают зарубежные модели. Они экономичны и имеют сравнительно небольшой наружный диаметр, что значительно снижает стоимость бурения скважин и их эксплуатации.

Опыт применения подобных агрегатов выявил ряд аспектов, которые необходимо учитывать при подборе, монтаже и эксплуатации таких насосов. Как правило, они касаются проблем, связанных с особенностями российских электросетей, о чем и будет рассказано ниже.


Скачки напряжения

Несмотря на то, что поставщики электроэнергии заявляют достаточно жесткие параметры, на практике значения напряжения сильно варьируются. Это происходит по разным причинам. Например, вблизи трансформаторов низкого напряжения его значения будут выше на 3-5 %. При пиковой нагрузке на магистральные провода из-за омического сопротивления напряжение будет падать, порой на значительную (до 10 %) величину.

Такие ситуации крайне вредны для электродвигателей. При скачках напряжения крутящий момент и частота вращения вала электродвигателя отклоняются от своих номинальных значений. В результате происходит падение КПД. Это увеличивает потребляемую мощность, а, следовательно, происходит повышенное теплообразование.

Опыт показывает, что если на электродвигатель при полной нагрузке поступает напряжение на 10 % ниже номинального, то потребляемый ток увеличивается примерно на 5 %, а температура электродвигателя – на 20 % (рис. 1). В пределе (например, при совпадении сдвига фаз и скачка напряжения), такое превышение может превзойти максимально допустимую температуру изоляции обмоток, что приведет к короткому замыканию и разрушению статора. Возникающее в результате пониженного напряжения длительное повышение температуры обмоток двигателя приводит к быстрому старению изоляции и, следовательно, к уменьшению срока службы. При перенапряжении сети потребляемая мощность и теплообразование в обмотках электродвигателя также возрастают.

Рис. 1. Дополнительное потребление тока при колебаниях напряжения

При измеренных на клеммах электродвигателя колебаниях напряжения в пределах +6 / -10 % от указанного в фирменной табличке номинального значения можно не ожидать уменьшения расчетного срока службы электродвигателя. В случаях, если перепады свыше допустимых пределов кратковременны, также не следует ожидать значительного сокращения срока службы электродвигателя, если только их значения не будут настолько велики, что это приведет к возникновению короткого замыкания в обмотках статора.

Однако при постоянных или длительных колебаниях напряжения свыше +6/-10 % следует выбрать электродвигатель промышленного назначения, позволяющий добиться приемлемого срока службы и КПД. Например, для особенно сложных случаев ведущие компании разрабатывают специальные серии электродвигателей промышленного назначения (как правило, мощностью от 2,2 до 22 кВт) с высоким КПД. Например, эти электродвигатели используются в серийных скважинных насосах GRUNDFOS, которые с успехом применялись в различных регионах России. Так, в г. Сухой Лог Свердловской области насосы серии SP-125 обеспечивают водоснабжение города и прилегающих поселков и завода. При том, что скачки напряжения здесь не редкость, оборудование работает без проблем и позволило снизить электропотребление на 15 %.

Особенностью электродвигателей промышленного назначения, наряду с повышенным КПД, является более эффективное охлаждение благодаря большей площади поверхности (на 20-30 %). Следовательно, они обладают значительно меньшей чувствительностью к пониженному напряжению, асимметрии фаз и недостаточному охлаждению (вызываемому отложениями на электродвигателе, вызванными плохим качеством воды). Кроме того, промышленные электродвигатели устойчивее к коррозии.

Следует отметить, что наибольшей надежностью обладают электродвигатели промышленного назначения, защита которых осуществляется устройством МРТ 75 или блоком MP 204.


Асимметрия напряжения и тока

Как известно, при минимальной асимметрии тока достигается максимальный КПД электродвигателя и наиболее длительный срок его службы. Вот почему важна равномерная нагрузка всех фаз.

В теории, одинаковое номинальное напряжение должно подаваться на все три фазы. Как правило, вблизи низковольтных трансформаторов так и происходит. Однако следует учитывать, что для предотвращения повышения или понижения напряжения на отдельных фазах при полной нагрузке сети все однофазные агрегаты должны быть равномерно распределены по трем фазам. Это должно быть сделано, поскольку такие устройства нередко работают в режиме частых циклов включения/выключения и тем самым могут стать причиной асимметрии («перекоса») фаз.

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

Асимметрия тока не должна превышать 5 %, а при использовании пульта CU 3-10 Максимальное значение служит в качестве выражения асимметрии тока. Ток следует измерять на всех трех фазах. Наилучшим способом подключения является тот, при котором получают минимальную асимметрию.

Рис. 2. Зависимость между асимметрией тока, напряжения и температурой

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. Эта связь графически показана на рис. 2.


Гармоники напряжения

В обычном режиме работы сеть обеспечивает потребителей синусоидальным напряжением по всем трем фазам. Однако к полученному на электростанции синусоидальному напряжению в распределительной системе добавляются дополнительные гармоники, что также может негативно влиять на работу электродвигателя. Источниками гармоник на практике становятся пять основных факторов.

Преобразователь частоты без фильтра. 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 могут достигать 850-1 200 В (при длине соединительного кабеля 100 м). С удлинением кабеля, соединяющего преобразователь частоты с электродвигателем, эти пики увеличиваются. При длине кабеля 200 м они достигают 1 700-2 400 В, т. е. удваиваются. Результатом такого увеличения становится снижение срока службы электродвигателя. По этой причине преобразователь частоты следует оснастить по меньшей мере RC-фильтром, что позволит обеспечить оптимальный срок службы электродвигателя. 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 практически любой современный электродвигатель имеет приемлемый срок службы.

Приборы, обеспечивающие плавный пуск электродвигателя. От подключенного к электродвигателю устройства плавного пуска (УПП) поступает несинусоидальный ток, создающий в сети помехи. Но, поскольку время ускорения/замедления электродвигателя очень коротко, на практике эти помехи незаметны. Если же фаза пуска длится более 3 с., то температура обмоток электродвигателя возрастает и, следовательно, снижается его срок службы.

Контакторы для крупных машин. Пуск крупных машин 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 электродвигателей в очень слабой сети.

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

Удар молнии. Поражение высоковольтной сети 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 20 кВ существует только для распределительного шкафа насоса. Когда шкаф управления и сам электродвигатель не защищены, соответственно, громоотводом и заземлением, то установка может быть повреждена. В тех областях, где часты удары молнии, наилучший способ защиты электродвигателей 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. Следует отметить, что современные погружные электродвигатели, например – GRUNDFOS MS 402, имеют класс защиты изоляции до 15 кВ. Это – максимальное значение напряжения, которое может пройти через электродвигатель, например, при ударах молнии вблизи него. Поэтому нет необходимости в дополнительной молниезащите, хотя здесь не учитываются прямые удары молнии (по причине маловероятности такого случая).

Использование современного насосного оборудования – не дань моде, а требование времени. Подобные агрегаты надежны, имеют высокий КПД, быстро окупаются и способны обеспечить впечатляющую экономию электроэнергии. И для того чтобы максимально эффективно использовать эти преимущества, необходимо учитывать накопленный опыт эксплуатации в сложных российских условиях.