國(guó)產(chǎn)石油電器設(shè)備與國(guó)外電源系統(tǒng)匹配問(wèn)題

趙曉凱 秦榮貴 汪振坤 張玉華

作者通聯(lián)：中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司國(guó)際工程分公司 天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街金融街西區(qū)7號(hào)樓B門311室 300457

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一、存在的問(wèn)題

在海外石油鉆修井以及輔助工程技術(shù)服務(wù)中，國(guó)產(chǎn)電器設(shè)備多數(shù)按照國(guó)內(nèi)380V、50Hz的用電標(biāo)準(zhǔn)配套。委內(nèi)瑞拉、美國(guó)、加拿大等國(guó)家電源系統(tǒng)頻率是60Hz，電壓規(guī)格分為：①民用及小容量工業(yè)用電，電壓標(biāo)準(zhǔn)為208V/120V；②包括鉆井隊(duì)在內(nèi)的中等容量電氣設(shè)備用電，電壓標(biāo)準(zhǔn)為460V。一般可通過(guò)變壓器進(jìn)行電壓變換，使變換后的電壓適用于用電設(shè)備。但使用變頻器進(jìn)行頻率變換存在諸多問(wèn)題，變頻器屬于高端電子設(shè)備，價(jià)格昂貴、工作可靠性差，而且輸出的波形不是完整的正弦波，波形質(zhì)量差，對(duì)用電設(shè)備造成的負(fù)面影響較大，因此用變頻器變頻方式使電源頻率和用電設(shè)備頻率達(dá)到一致顯然不可取。因此，大部分國(guó)產(chǎn)電器設(shè)備不能直接在60Hz、208V/120V或460V電網(wǎng)中正常工作，應(yīng)根據(jù)設(shè)備本身屬性和實(shí)際所帶負(fù)載性質(zhì)，采取一定的技術(shù)措施，和國(guó)外電源系統(tǒng)進(jìn)行匹配。匹配效果良好的標(biāo)準(zhǔn)是電器設(shè)備溫升值在規(guī)定范圍、工作電流不超過(guò)額定值及所帶負(fù)載平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

石油鉆修井隊(duì)及輔助工程技術(shù)服務(wù)的電器設(shè)備主要分為：①純電阻性負(fù)載，如加熱用加熱器、照明用白熾燈等；②感性負(fù)載，主要是使用硅鋼片鐵芯和線圈的用電設(shè)備，如電機(jī)及使用變壓器、電磁線圈的用電設(shè)備等。

二、純電阻性負(fù)載匹配方案

對(duì)于純電阻性負(fù)載，P=U2/R（P——功率，U——電壓，R——電阻），因此只需考慮電壓因素即可，頻率對(duì)純電阻性負(fù)載的影響很小，可以忽略。208V/120V、60Hz用電標(biāo)準(zhǔn)的生活和小容量工業(yè)用電電壓較低、電流較大，為減小線路壓降的影響，208V/120V往往提升較高，線電壓可從208V提升到230V，和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相電壓相當(dāng)。因此220V、50Hz純電阻性負(fù)載可直接接到208V/120V線電壓上工作，如非電子控制的電飯鍋、電熱水器、電加熱器、白熾燈泡及碘鎢燈等純電阻性負(fù)載。

對(duì)于使用開關(guān)電源的電器設(shè)備則分兩種情況，一種用電設(shè)備是寬電壓90～240V、50/60Hz通用的，不需要考慮電壓、頻率與設(shè)備匹配問(wèn)題，直接使用即可，如手機(jī)充電器、筆記本電腦等；另一種用電設(shè)備是雙電壓，只需要將電壓選擇開關(guān)選到相應(yīng)的電壓級(jí)別即可。開關(guān)電源對(duì)頻率不是很敏感，可忽略影響，如部分臺(tái)式電腦。

三、感性負(fù)載匹配方案

感性負(fù)載是按照工作在50Hz條件下鐵芯趨于磁飽和的臨界點(diǎn)而設(shè)計(jì)，在60Hz條件下工作時(shí)鐵芯就會(huì)進(jìn)入磁飽和區(qū)，電流增大，線圈及鐵芯的發(fā)熱明顯增加，很容易將線圈燒毀。因此對(duì)于感性負(fù)載，關(guān)鍵問(wèn)題是解決頻率對(duì)用電設(shè)備的影響。

1.感性單相負(fù)載

對(duì)于感性單相負(fù)載，電壓?jiǎn)栴}和上述純電阻性負(fù)載類似，因此主要考慮頻率問(wèn)題。在單相用電器中，控制用電源變壓器、交流接觸器線圈、繼電器線圈等元器件對(duì)頻率較敏感。有些電器設(shè)備標(biāo)有50/60Hz字樣，可直接接到60Hz的線電壓上使用。對(duì)于只能工作在50Hz下的元器件，則需要將交流接觸器、繼電器的線圈換成60Hz的線圈。應(yīng)急照明燈、錄音機(jī)、復(fù)讀機(jī)、有源音箱、充電器等內(nèi)部使用電源變壓器的設(shè)備需換成60Hz的電源變壓器。

2.感性三相負(fù)載

感性三相負(fù)載主要指石油鉆修井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的Y系列三相異步電機(jī)。國(guó)產(chǎn)三相異步電機(jī)在60Hz、208V/120V或460V電網(wǎng)使用，電壓和頻率問(wèn)題均需考慮。

（1）三相異步電機(jī)電壓的匹配方案

方案1：對(duì)于460V、60Hz用電標(biāo)準(zhǔn)，由電工學(xué)公式U=4.44fNΦm（U——電壓，f——頻率，N——線圈匝數(shù)，Φm——磁通最大值）和U/f等于恒值的變頻控制理論可知，380V、50Hz三相異步電機(jī)在460V、60Hz環(huán)境下使用是可行的。對(duì)于普通電機(jī)，理論上需要考慮電機(jī)軸因功率提升，容易引起斷裂的問(wèn)題。實(shí)際上電機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)于電機(jī)軸的扭矩設(shè)計(jì)有較大的安全系數(shù)，經(jīng)過(guò)多年使用，驗(yàn)證這樣做是完全可行的，未發(fā)生過(guò)電機(jī)軸斷裂問(wèn)題。如某單位鉆機(jī)液壓動(dòng)力源50Hz電機(jī)和封井器遠(yuǎn)程控制臺(tái)液壓泵50Hz電機(jī)直接連接到460V、60Hz電網(wǎng)中連續(xù)工作6年未發(fā)生故障。

方案2：國(guó)產(chǎn)4.5kW以下的三相異步電機(jī)，接線方法一般是Y型接法，每相線圈的額定電壓是220V。將這類電機(jī)的接線方法改成△型，即可直接接到208/120V、60Hz電源上。某單位使用上述方法改接一臺(tái)3.3kW電動(dòng)打氣泵電機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，電機(jī)電流和溫度均沒(méi)有明顯升高，連續(xù)使用5年未發(fā)生故障。

方案3：國(guó)產(chǎn)4.5kW以上的三相異步電機(jī)，接線方法一般是△型，每相線圈的額定電壓是380V?？梢詫ⅰ鹘臃ǜ慕映伞鳌鹘臃ǎp三角型接法），使每相線圈的額定電壓變?yōu)?90V。電機(jī)對(duì)工作電壓的要求不是很嚴(yán)格，電壓波動(dòng)范圍一般是額定電壓的±10%，因此4.5kW以上小功率國(guó)產(chǎn)三相異步電機(jī)采用上述接法改接可在60Hz、208/120V電網(wǎng)中使用。某修井作業(yè)單位的7.5kW攪拌器電機(jī)和封井器遠(yuǎn)程控制臺(tái)液壓泵15kW電機(jī)按照上述辦法改接后，經(jīng)過(guò)測(cè)試電流未超過(guò)額定電流，溫升也沒(méi)有明顯提高，連續(xù)工作5年未發(fā)生故障。

（2）三相異步電機(jī)頻率的匹配方案

電機(jī)所帶負(fù)載分為離心類負(fù)載和非離心類負(fù)載，頻率改變對(duì)非離心類負(fù)載影響不大，在60Hz電網(wǎng)應(yīng)用主要考慮電壓?jiǎn)栴}，在此不再多做論述。離心類負(fù)載主要分為風(fēng)機(jī)類負(fù)載和離心泵類負(fù)載。國(guó)產(chǎn)50Hz電機(jī)在60Hz下使用，由于頻率提高了20%，對(duì)應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)速也提高20%，因此離心類負(fù)載的排量Q、排出壓力H及電機(jī)功率P分別增大了1.2倍、1.44倍和1.728倍（Q、H和P分別與轉(zhuǎn)速n、n的平方和n的立方成正比）。

對(duì)于風(fēng)機(jī)類負(fù)載，由于排出壓力增大了1.44倍，風(fēng)扇扇葉的壓力同樣增大1.44倍，極易造成扇葉折斷，出現(xiàn)散熱器損壞、通風(fēng)道堵塞以及散熱能力喪失等故障。由于功率增大了1.728倍，電機(jī)極易過(guò)載而保護(hù)或燒毀。因此風(fēng)機(jī)類負(fù)載的頻率問(wèn)題需要特別重視，在60Hz電網(wǎng)中，風(fēng)機(jī)類設(shè)備使用前必須采取技術(shù)措施。

措施1：若風(fēng)扇扇葉角度可調(diào)整，可將扇葉角度調(diào)小一些，然后用鉗形電流表測(cè)量電機(jī)的工作電流，只要實(shí)際工作電流值不超過(guò)額定電流值即可正常工作。某單位2006年配套兩套復(fù)盛SA-37A螺桿空壓機(jī)，風(fēng)機(jī)電機(jī)頻繁出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，調(diào)整空壓機(jī)散熱風(fēng)扇角度后經(jīng)測(cè)量電機(jī)實(shí)際工作電流值低于額定電流值，使用至今未出現(xiàn)故障。

措施2：不能調(diào)整扇葉角度的風(fēng)機(jī)只能考慮更換扇葉或電機(jī)。離心泵類負(fù)載由于轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致電機(jī)功率增大了1.728倍，易造成電機(jī)過(guò)載而保護(hù)或燒毀。通常采取限制排量的措施，先將離心泵的上水口（或出水口）閘門關(guān)閉到較小位置，給電機(jī)送電運(yùn)轉(zhuǎn)離心泵。然后一邊緩慢平穩(wěn)地開大離心泵的上水口（或出水口）閘門，一邊利用鉗形電流表測(cè)量電機(jī)工作電流（電流值會(huì)隨著閘門逐漸開大而逐漸上升）。當(dāng)測(cè)量的電流上升到電機(jī)額定工作電流的90%時(shí)鎖定閘門手柄，調(diào)整完成可正常使用。某單位EATON剎車循環(huán)冷卻水泵電機(jī)和F1000泵灌注泵電機(jī)按照上述方法調(diào)整后，2006年使用至今未出現(xiàn)故障。

另外，需要注意，由于電源頻率升高，交流三相、單相異步電機(jī)的銅損、鐵損及發(fā)熱量均會(huì)增加，但同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會(huì)升高，即冷卻效果也會(huì)明顯增強(qiáng)。因此，電機(jī)溫度并不會(huì)因頻率升高而明顯升高，但因電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)軸承壽命會(huì)有所縮短，在實(shí)際使用中需要考慮。 W13.02-17