引言

21世紀(jì)以來,潛油電泵作為機(jī)械采油設(shè)備在油田得到了大量的推廣應(yīng)用,其由于具有排量大、揚(yáng)程高、操作簡單、對油井產(chǎn)量遞減適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),多用于高產(chǎn)稠油井,很快成為油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要手段之一o但潛油電泵、電機(jī)、線纜均在高溫高壓的地下環(huán)境工作,停機(jī)再次啟動時(shí),容易發(fā)生卡泵、絕緣擊穿和電機(jī)燒毀等問題。出現(xiàn)故障就需要將所有井下設(shè)備提出地面進(jìn)行維修,成本高昂;僅潛油電泵停機(jī)時(shí),從停機(jī)到發(fā)現(xiàn)時(shí)間較長,會造成較大的產(chǎn)量損失[1—3]。

當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生較大變動或相間短路時(shí),會導(dǎo)致供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波,造成電壓波動甚至停電,俗稱晃電。潛油電泵在電壓波動時(shí)仍在運(yùn)轉(zhuǎn),工作電壓降到主控元件臨界值之下,保護(hù)控制儀等主控元件已不能正常運(yùn)作,導(dǎo)致潛油電泵停機(jī),真空交流接觸器在分?jǐn)噙^程中產(chǎn)生較大過電壓會對電機(jī)和線纜絕緣造成損傷,特別是對于長時(shí)間運(yùn)行絕緣老化的電泵機(jī)組,可能會導(dǎo)致相間絕緣或?qū)Φ亟^緣擊穿,損壞設(shè)備[4—6],再次啟動時(shí),存在斷軸風(fēng)險(xiǎn);保護(hù)器二次呼吸也會縮短系統(tǒng)壽命。所以,解決潛油電泵受晃電諧波沖擊問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1西北油田潛油電泵諧波研究

本文采集了西北油田5口潛油電泵井運(yùn)行狀態(tài)下的諧波產(chǎn)生情況,5口潛油電泵井基本生產(chǎn)參數(shù)如表1所示。

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量,一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解,其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量[7]。5口潛油電泵諧波分布如圖1所示,可以看到電泵運(yùn)行在30 Hz以下時(shí),諧波總含量在50%以上,頻率越高諧波總含量越低,主要諧波次數(shù)為5、7、11、13、17、19次。

不論是電壓諧波還是電流諧波,不論頻率高低,都具有一個(gè)主頻率的波形輪廓,它包含了許多高次諧波,作為一種行波經(jīng)多次反射,幅值疊加可達(dá)工作電壓數(shù)倍,電纜越長,幅值越高,若電纜絕緣安全系數(shù)不高,可能被擊穿。

2電機(jī)定子繞組電壓分析

2.1正常運(yùn)行時(shí)潛油電機(jī)定子繞組上的電壓

正常運(yùn)行時(shí),作用于潛油電機(jī)定子繞組上的電壓由以下幾種電壓疊加而成:

1)基波電壓U1:例如TH12464運(yùn)行電壓232.79 V,畸變率2.6%,刨去電壓2.6%畸變率,得到基波電壓

226.7 V;

2)諧波電壓UX:例如TH12464運(yùn)行電壓232.79 V,畸變率2.6%,得到諧波電壓6.1 V;

3)共模電壓UG:變頻器輸出電壓存在共模電壓,變頻器輸出的電壓不能像三相正弦交流電那樣,任何時(shí)候相量相加為零;

4)電纜、電源、電機(jī)參數(shù)不對稱形成的中性點(diǎn)不平衡電壓值U:

正常運(yùn)行過程中,現(xiàn)場實(shí)測潛油電機(jī)中性點(diǎn)電壓值在101~110 V之間,即:

2.2啟動過程中潛油電機(jī)定子繞組上的電壓

啟動過程中,作用于潛油電機(jī)定子繞組上的電壓與運(yùn)行過程中潛油電機(jī)定子繞組上的電壓種類是一致的,但是賦值不同,以諧波電壓為例,分析如下。

2.2.1 ICM系統(tǒng)諧波電壓

ICM(變頻器—長電纜—潛油電機(jī))系統(tǒng)模型如圖2所示,潛油電機(jī)與潛油電纜波阻抗不一致,易造成阻抗畸變處過電壓損壞。

2.2.2啟動過程中轉(zhuǎn)速與排量、揚(yáng)程和功率的關(guān)系啟動過程中,主要是對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,電機(jī)

轉(zhuǎn)速與排量、揚(yáng)程和功率的關(guān)系如下:排量正比于轉(zhuǎn)速:

3潛油電泵機(jī)組啟動及電壓暫降優(yōu)化治理方案

3.1潛油電泵機(jī)組啟動過程的電壓控制

從前述討論可知,U1、UX、UG和UB多種電壓經(jīng)波的反射、折射、疊加過程之后,形成多種電壓聯(lián)合作用于潛油電泵機(jī)組對地絕緣系統(tǒng),構(gòu)成危害,尤其是在高頻諧波流過時(shí),將使電纜發(fā)熱。高頻諧波電流流過金屬導(dǎo)體時(shí)還會發(fā)生集膚效應(yīng),使等效導(dǎo)通面積減小,引起電纜過熱以及絕緣老化加快[8]。

因此,為確保潛油電泵機(jī)組安全,常規(guī)方案是從以下4個(gè)方面著手:

1)增大絕緣厚度,提高絕緣耐電壓能力,同時(shí)選用絕緣性能較好的材料。電纜絕緣厚度可遵循對應(yīng)電壓等級的規(guī)定,若適當(dāng)加厚,當(dāng)然更為可靠,這對變頻電纜更為有利。對于潛油電機(jī)與潛油電纜波阻抗不一致造成的波阻抗畸變處,即潛油電機(jī)與潛油電纜連接處,過電壓預(yù)防措施是加強(qiáng)此部分絕緣,避免損壞。

2)導(dǎo)體外增加半導(dǎo)電層,以均化電場,減少尖端放電。導(dǎo)體在加工過程中可能會在表面產(chǎn)生缺陷(如毛刺),導(dǎo)體外沒有半導(dǎo)電層,則在缺陷處產(chǎn)生電場畸變,容易發(fā)生擊穿破壞絕緣。而施加半導(dǎo)電層后,由于半導(dǎo)電層的存在,導(dǎo)體表面電場得到均化,可有效避免絕緣擊穿。

3)電纜采用對稱結(jié)構(gòu),以達(dá)到均化電場和各相均衡的目的。

4)在ICM系統(tǒng)中的變頻器輸出端加入RLC濾波器。措施1)和措施4)具有可操作性強(qiáng)的特點(diǎn),措施

1)不存在理論推導(dǎo)過程,下面對措施4)進(jìn)行重點(diǎn)討論。在ICM系統(tǒng)中的變頻器輸出端加入RLC濾波器,系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3中,在變頻器輸出端加入RLC濾波器的目的是減少PWM輸出脈沖電壓的du/dt,降低PWM輸出脈沖電壓的陡度,從而抑制潛油電機(jī)端電壓及高頻振蕩。通過戴維南定理將圖3中的變頻器和RLC濾波器統(tǒng)一成一個(gè)電壓源和內(nèi)阻抗,得到圖4所示等效電路。

3.2潛油電泵機(jī)組電壓暫降控制方案

根據(jù)現(xiàn)場用戶提供的資料,西北油田電泵井低壓側(cè)采用交流400 V供電,通過各種變送器和逆變裝置給各負(fù)載提供電源,負(fù)載功率100 kW,現(xiàn)場需要在外部電源出現(xiàn)異常(電壓暫降1~2 s)時(shí),負(fù)載能有1~2 s的穿越時(shí)間。DVR是一種電壓源型電力電子裝置,DVR設(shè)備主要由儲能單元、功率單元、晶閘管電源切換單元、旁路單元組成,串接于電源和重要敏感負(fù)荷之間,原理圖如圖5所示。

裝置有兩種工作狀態(tài),分別是正常工作狀態(tài)和晃電工作狀態(tài)。

1)正常情況:電源通過“實(shí)心”箭頭通路由公共電網(wǎng)向負(fù)載供電,DVR設(shè)備會持續(xù)監(jiān)測輸入側(cè)電源電壓。

2)晃電情況:一旦發(fā)現(xiàn)供電電壓擾動,DVR會立即在<1 ms的時(shí)間內(nèi),通過功率單元逆變輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)償電壓注入系統(tǒng),同時(shí)切斷電源側(cè)非正常供電,從而保證負(fù)荷側(cè)供電電壓穩(wěn)定,根本上消除了電壓暫降、暫升、短時(shí)中斷等問題對用戶敏感負(fù)荷造成的影響。

下面分析其工作原理,分三種情況進(jìn)行介紹:

1)裝置工作在待機(jī)狀態(tài)(外部電源電壓穩(wěn)定)。

如圖6所示,當(dāng)供電系統(tǒng)電壓正常時(shí),負(fù)載通過晶閘管直接供電,功率單元為儲能單元充電,充電完成后,系統(tǒng)處于熱備狀態(tài),隨時(shí)應(yīng)對電網(wǎng)側(cè)電壓擾動。

2)裝置工作在電壓補(bǔ)償狀態(tài)(外部電源電壓擾動)。

如圖7所示,當(dāng)供電系統(tǒng)的電壓幅值波動超過設(shè)定限值時(shí)(可根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)定),儲能單元超級電容經(jīng)過功率單元逆變向負(fù)載供電,同時(shí)晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷。

3)裝置檢修。

如圖8所示,DVR旁路開關(guān)采用高品質(zhì)斷路器,配備完善的自動電動分合閘功能,當(dāng)裝置需要檢修時(shí),可一鍵切換至旁路運(yùn)行,斷開進(jìn)線、出線開關(guān),裝置被隔離于系統(tǒng)外,負(fù)載由外部系統(tǒng)供電,實(shí)現(xiàn)負(fù)載設(shè)備不斷電情況下對DVR設(shè)備進(jìn)行檢修。待維護(hù)完成后可一鍵重新啟動,無縫切換。目前此類裝置已經(jīng)在浙江油田集輸氣站得到應(yīng)用,效果良好。

4結(jié)論

1)潛油電泵運(yùn)行頻率越低,諧波總含量越高。當(dāng)運(yùn)行頻率在30 Hz之下時(shí),諧波總含量在50%之上,主要諧波次數(shù)為5、7、11、13、17、19次。

2)潛油電泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中,其中性點(diǎn)電壓值不等于0,總會有電壓畸變諧波產(chǎn)生;經(jīng)過一次潛油電泵啟動過程,潛油電機(jī)及潛油電纜絕緣電阻均會有所降低。

3)在ICM系統(tǒng)中的變頻器輸出端加入RLC濾波器,降低PWM輸出脈沖電壓的陡度,從而抑制潛油電機(jī)端電壓及高頻振蕩。DVR電壓源型電力電子裝置通過超級電容可有效補(bǔ)償電力系統(tǒng)晃電,保障機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行;供電系統(tǒng)正常不采用DVR設(shè)備和DVR系統(tǒng)需要停機(jī)檢修時(shí),均可安全平穩(wěn)切換。