鉗式功率計(jì)（3169）在抽油機(jī)測(cè)試中應(yīng)注意的問題

白連平 陳 征 任永祥 劉漢澤

（1.北京信息科技大學(xué)，北京 100192；2.華北石油第一計(jì)量站，河北 任丘 062550）

20世紀(jì)90年代初，油田在電機(jī)電能測(cè)試中就引進(jìn)日置公司生產(chǎn)的鉗式功率計(jì)（3165），后來升級(jí)為3166。近幾年來油田使用較多的是鉗式功率計(jì)（3169）。日置公司的鉗式功率計(jì)（3169）具有功能強(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格也比較便宜，因此在我國(guó)各油田得到了普遍的應(yīng)用。但是，在抽油機(jī)電機(jī)的測(cè)試過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如有功電量的顯示不完備、功率因數(shù)的計(jì)算不準(zhǔn)確。本文對(duì)這些問題進(jìn)行了認(rèn)真地分析和研究，與油田計(jì)量單位技術(shù)人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，查清了問題出現(xiàn)的原因。并針對(duì)鉗式功率計(jì)（3169）的不足提出了彌補(bǔ)措施。目的是使油田節(jié)能測(cè)試工作做得更扎實(shí)、更準(zhǔn)確。

1 有功電量的問題

在鉗式功率計(jì)（3169）的主目錄的頁(yè)面中，累計(jì)電量只顯示W(wǎng)P+，如圖1（a）所示。而絕大多數(shù)抽油機(jī)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)都有一段發(fā)電狀態(tài)，在發(fā)電狀態(tài)下有功功率累積的電量是一個(gè)負(fù)值。抽油機(jī)有功功率曲線如圖2（a）所示，實(shí)際消耗的功率應(yīng)該是正的功率面積減去負(fù)的功率面積，即橫軸上面的面積減去橫軸下面的面積。因此在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)消耗的實(shí)際電量是正的累積電量減去負(fù)的累積電量，即 WP=（WP+）+（WP?）。

在鉗式功率計(jì)（3169）的功率累積頁(yè)面中，有效電能（有功功率累積的電量）的顯示包括WP+、WP?，如圖1（b）所示。準(zhǔn)確的有效電能計(jì)量值應(yīng)該是WP+與WP?之和。然而，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，工人通常把某一段時(shí)間內(nèi)用的電量就記錄為WP+（主頁(yè)面的電量值），得到的數(shù)據(jù)是不全面的。如果在電機(jī)節(jié)能的對(duì)比測(cè)試中，只記錄WP+，勢(shì)必要引起較大的誤差。從中也可以看出，鉗式功率計(jì)（3169）的主目錄的頁(yè)面是不完備的。在主目錄頁(yè)面中應(yīng)該顯示的是WP，而不是WP+。這一點(diǎn)在日置公司生產(chǎn)的功率分析儀（3390）中已經(jīng)得到了完善。

圖1 鉗式功率計(jì)（3169）頁(yè)面截取圖

圖2 抽油機(jī)有功功率與功率因數(shù)對(duì)比曲線

2 功率因數(shù)的問題

抽油機(jī)負(fù)載是一種特殊負(fù)載，在一個(gè)周期內(nèi)有一段發(fā)電狀態(tài)，通常發(fā)電時(shí)間在 2～4s左右。因此抽油機(jī)電機(jī)測(cè)試中一定要考慮發(fā)電狀態(tài)下的有功功率、功率因數(shù)和累計(jì)電量問題。圖2是筆者在華北油田采油一廠西柳作業(yè)區(qū)第 10—11號(hào)油井利用鉗式功率計(jì)（3169）實(shí)測(cè)有功功率和功率因數(shù)曲線，該圖反映了鉗式功率計(jì)（3169）在測(cè)量功率因數(shù)時(shí)存在的缺陷。

對(duì)比圖 1（a）、（b）兩圖發(fā)現(xiàn)，有功功率曲線與功率因數(shù)曲線變化趨勢(shì)基本吻合。由圖2（a）可以看出，在抽油機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，其有功功率小于零，即橫坐標(biāo)的下面部分。而此時(shí)，如圖2（b）所示，相對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)值卻大于零。抽油機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電流與電壓的相位角大于90°。以相電壓為基準(zhǔn)，相電壓與相電流的向量關(guān)系如圖3所示。根據(jù)功率因數(shù)的計(jì)算公式，功率因數(shù)也應(yīng)該為負(fù)值[1]。因此鉗式功率計(jì)（3169）測(cè)試中功率因數(shù)的瞬時(shí)值大于（或等于零）是不對(duì)的[2]。這個(gè)錯(cuò)誤帶來的結(jié)果是抽油機(jī)電機(jī)的平均功率因數(shù)偏高。影響了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。發(fā)電功率越大，偏差越大。

圖3 相電壓與相電流向量圖

下面分析這個(gè)問題產(chǎn)生的原因。從鉗式功率計(jì)（3169）的測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，有功功率小于零時(shí)，對(duì)功率因數(shù)取了絕對(duì)值。有功功率小于零時(shí)對(duì)應(yīng)的一段數(shù)據(jù)如表1所示，該數(shù)據(jù)也是在華北油田采油一廠西柳作業(yè)區(qū)第 10—11號(hào)油井利用鉗式功率計(jì)（3169）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。按照表1的數(shù)據(jù)，當(dāng)有功功率小于零時(shí)，對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)應(yīng)該是負(fù)的。

表1 有功功率小于零時(shí)功率因數(shù)的實(shí)測(cè)值

鉗式功率計(jì)（3169）中功率因數(shù)是通過有功功率和視在功率計(jì)算得到的。其中視在功率和無功功率通過兩種方法得到[3]。一種是使用無功功率測(cè)量方法，在使用無功功率測(cè)量方法時(shí)（在“設(shè)置中1/4測(cè)量”頁(yè)面下，無功功率計(jì)法選擇“ON”），其測(cè)量和計(jì)算方法如下[3]：

無功功率利用采集的電壓和電流計(jì)算得到，即

式中，US為內(nèi)部線電壓，I為線電流，M為采樣數(shù)目，S為采樣點(diǎn)，m為每個(gè)周期128次采樣。

視在功率通過采集、計(jì)算的有功功率和無功功率得到，即

功率因數(shù)是通過有功功率和視在功率計(jì)算得到，即

從中可以看出，有功功率為負(fù)時(shí)，功率因數(shù)為負(fù)值[3]。

另一種是不使用無功功率測(cè)量的方法，在不使用無功功率測(cè)量方法時(shí)（在“設(shè)置中 1/4測(cè)量”頁(yè)面下，無功功率計(jì)法選擇“OFF”），其測(cè)量和計(jì)算方法如下：

無功功率是通過視在功率和有功功率計(jì)算得到，即

式中，視在功率有采集的電壓和電流計(jì)算得到，即

功率因數(shù)也是通過有功功率和視在功率計(jì)算得到，即

從上面的兩種方法中可以看出，功率因數(shù)的分母（視在功率）總是正值，功率因數(shù)的分子（有功功率）卻有負(fù)值的情況，所以當(dāng)抽油機(jī)處于狀態(tài)發(fā)電時(shí)，功率因數(shù)是負(fù)的[3]。但鉗式功率計(jì)（3169）的測(cè)試結(jié)果是正的。不能不說這是鉗式功率計(jì)（3169）的一大缺陷。這個(gè)缺陷只有在游梁抽油機(jī)的測(cè)試中才會(huì)出現(xiàn)，在其它沒有發(fā)電現(xiàn)象的負(fù)載測(cè)試中沒有這種情況。

解決這個(gè)問題的方法是，在采集的數(shù)據(jù)中（見表1），將有功功率為負(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)也改為負(fù)，再對(duì)功率因數(shù)求平均值。顯然，這種補(bǔ)救方法很麻煩。

3 結(jié)論

隨著國(guó)家節(jié)能減排工作的不斷深入，油田對(duì)電機(jī)節(jié)能及其測(cè)試工作越來越重視。與此同時(shí)對(duì)電機(jī)綜合參數(shù)測(cè)試儀器非常關(guān)注。因此儀器的精度對(duì)油田的節(jié)能工作非常重要。如果儀器對(duì)某個(gè)參數(shù)測(cè)試不準(zhǔn)確，或者數(shù)據(jù)處理不當(dāng)，節(jié)能效果就會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。因此，電機(jī)電能測(cè)試儀器的精度和數(shù)據(jù)處理方法非常重要。

在多年的實(shí)際工作中，發(fā)現(xiàn)鉗式功率計(jì)（3169）確實(shí)存在問題，本文對(duì)這些問題進(jìn)行了反復(fù)認(rèn)真地分析和研究，查清了問題出現(xiàn)的原因。并提出了彌補(bǔ)措施。目的是使油田節(jié)能測(cè)試工作做得更準(zhǔn)確。

同時(shí)也希望日置公司針對(duì)上述問題在軟件方面加以改正。為已經(jīng)購(gòu)買鉗式功率計(jì)（3169）用戶更新軟件。使用戶在節(jié)能測(cè)試工作中不再蒙受損失。

[1] 鄭堯,李兆華,譚金超,李斌,譚玉玲.電能計(jì)量技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2001.

[2] HAYT, WH JR. KEMMERLY J E, DURBIN S M.工程電路分析[M]. 7 版.周玲玲,蔣樂天,等.北京:電子工業(yè)出版社, 2007: 387-391.

[3] YOSHIIKE T. HIOKI 3169-20/21 CLAMP ON POWER HITESTER Instruction Manual. HIOKI E. E.CORPORATION Technical Support Section, 2006:62-181.