全壓?jiǎn)?dòng)異步電動(dòng)機(jī)在機(jī)械油改電上的應(yīng)用

常娟紅，桑峰軍，王文軍

（1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安 710065；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽(yáng) 457001）

1 引言

油改電是指采用網(wǎng)電代替柴油機(jī)發(fā)電或驅(qū)動(dòng)負(fù)荷。機(jī)械鉆機(jī)油改電是將提供動(dòng)力的柴油機(jī)組換成電動(dòng)化動(dòng)力機(jī)組，達(dá)到為鉆機(jī)提供動(dòng)力的目的。目前在石油鉆機(jī)領(lǐng)域，油改電項(xiàng)目被廣泛推廣，這使得原本不是很寬裕的電網(wǎng)加大了負(fù)荷，沖擊較大的啟動(dòng)電機(jī)在日益緊張的電網(wǎng)應(yīng)用中相對(duì)較困難。鑒于此有必要開發(fā)出啟動(dòng)電流較小的大功率全壓?jiǎn)?dòng)異步電動(dòng)機(jī)。

2 機(jī)械鉆機(jī)油改電主要方案

目前該類鉆機(jī)在用的油改電項(xiàng)目根據(jù)動(dòng)力機(jī)組配置和控制方式的不同主要分為以下幾種方案。

（1）方案1

動(dòng)力機(jī)組采用不可調(diào)速的中高壓異步電機(jī)+偶合器，電機(jī)起動(dòng)采用水電阻或中壓電子軟啟動(dòng)裝置，動(dòng)力機(jī)組采用偶合器調(diào)速；

（2）方案2

動(dòng)力機(jī)組采用不可調(diào)速的660V異步電機(jī)+液力調(diào)速偶合器，電機(jī)啟動(dòng)采用690V電子軟啟動(dòng)裝置，動(dòng)力機(jī)組采用偶合器調(diào)速；

（3）方案3

動(dòng)力機(jī)組采用660V變頻調(diào)速電機(jī)直接輸出或配置減速箱，電機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速采用變頻器控制。

3 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

油田區(qū)域的電網(wǎng)電壓等級(jí)一般有35kV、10kV或6kV，其中除油田內(nèi)網(wǎng)，其它均為10kV或6kV。

如果采用與油田區(qū)域電壓等級(jí)相同的電機(jī)，則可不配置變配電系統(tǒng)，基于此形成上述方案1。該方案的優(yōu)點(diǎn)是高壓電纜電流小，鋪設(shè)電纜較細(xì)，無(wú)變配電系統(tǒng)，成本較低；但由于電機(jī)電壓較高，井場(chǎng)基本敷設(shè)高壓電纜，因此安全因素要求較高，同時(shí)高壓電機(jī)啟動(dòng)操作對(duì)電氣人員的操作資質(zhì)有較高要求。

方案2和方案3為了滿足電機(jī)電壓要求，均需增加1套獨(dú)立的中壓變低壓的變配電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱高壓房）將油田區(qū)域的電壓改變成需要的電壓，相對(duì)方案1雖然成本有所增加，但是只要高壓房容量設(shè)計(jì)足夠，就可使用在電動(dòng)鉆機(jī)的油改電項(xiàng)目上，搭配靈活，應(yīng)用廣泛。同時(shí)方案2的操作簡(jiǎn)單，對(duì)于電氣操作人員要求較低，井場(chǎng)內(nèi)除高壓入線，其它均為常規(guī)低壓電纜，敷設(shè)安全要求較低，但是起動(dòng)電流與方案1一樣，至少在2倍額定電流以上，對(duì)電網(wǎng)有一定的沖擊。

方案3啟動(dòng)電機(jī)時(shí)沒有沖擊電流，同時(shí)可以有很寬的調(diào)速范圍，可滿足多種工況的要求，應(yīng)用效果佳，但技術(shù)難度較大，需要對(duì)變頻系統(tǒng)較為熟悉的電氣操作人員，電氣人員的專業(yè)水平要求較高，同時(shí)造價(jià)高，成本回收時(shí)間較長(zhǎng)。

方案1和方案2在各地使用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為了考慮啟動(dòng)沖擊時(shí)的余量，供電局變電站到設(shè)備的架空線需要較粗，且上級(jí)變電站需要考慮較大備用容量，否則許多地區(qū)盡管電網(wǎng)覆蓋，但因電網(wǎng)容量較小、周邊區(qū)域使用網(wǎng)電作為動(dòng)力的鉆井隊(duì)較多、架空線傳輸距離長(zhǎng)或線較細(xì)時(shí)常出現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）電機(jī)起動(dòng)時(shí)電網(wǎng)容量不足，導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)頻繁失敗，需要等待不確定的時(shí)機(jī)才能成功，不可控因素影響使用，節(jié)能效果達(dá)不到預(yù)計(jì)狀態(tài)；

（2）負(fù)載加重需要增加另一臺(tái)電機(jī)時(shí)，需要先停止正在進(jìn)行的鉆井工藝，卸掉運(yùn)行電機(jī)的負(fù)荷，使第一臺(tái)電機(jī)處于空載狀態(tài)才能啟動(dòng)另一電機(jī)，影響鉆井進(jìn)程；

（3）電網(wǎng)容量夠鉆井使用，但考慮到啟動(dòng)容量，無(wú)法實(shí)施油改電，造成直接經(jīng)濟(jì)損失。

為了解決上述問(wèn)題，讓更多油田在油改電中受益，本文設(shè)計(jì)出了一種更適合現(xiàn)在油田電網(wǎng)情況的新設(shè)備——全壓?jiǎn)?dòng)異步電動(dòng)機(jī)。

4 全壓?jiǎn)?dòng)異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)描述

4.1 基本原理

全壓?jiǎn)?dòng)異步電動(dòng)機(jī)的基本原理是：?jiǎn)?dòng)時(shí)繞組星三角混接，運(yùn)行時(shí)繞組星接，所以啟動(dòng)電流很小，一般不超過(guò)額定電流的1.0倍，啟動(dòng)和運(yùn)行后的繞組分別如圖1和圖2所示。

4.2 基本參數(shù)

額定功率：1000kW；

額定電壓：660V；

額定電流：980A；

額定轉(zhuǎn)速：1492rpm；

額定效率：96%；

全壓起動(dòng)電流：<1000A；

起動(dòng)至運(yùn)行切換電流：<600A；

防護(hù)等級(jí)：IP54；

圖3 全壓?jiǎn)?dòng)異步電動(dòng)機(jī)外形

通風(fēng)方式：IC411；

絕緣等級(jí)：H。

4.3 基本結(jié)構(gòu)

全壓異步電動(dòng)機(jī)的外形與其它異步電動(dòng)機(jī)基本一致，不同的是電機(jī)頂部增加了電機(jī)操作監(jiān)視箱（如圖3所示），電機(jī)的啟動(dòng)和切換控制均安裝在電機(jī)操作監(jiān)視箱中，操作在電機(jī)操作監(jiān)視箱完成，無(wú)需其它連線。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

試制的2臺(tái)1000kW全壓?jiǎn)?dòng)異步電機(jī)，于2012年11月和12月起分別在東北和四川地區(qū)的5000m機(jī)械鉆機(jī)油改電項(xiàng)目中得到了使用，兩臺(tái)電機(jī)在2013年4月完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，除了個(gè)別器件由于不抗震動(dòng)損壞的問(wèn)題，其它運(yùn)轉(zhuǎn)正常。起動(dòng)性能曲線如圖4所示。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，鉆井過(guò)程中電機(jī)震動(dòng)較大，操作監(jiān)視箱內(nèi)的電氣元件受到震動(dòng)易發(fā)生損壞。

針對(duì)上述問(wèn)題，有兩種改造方案，具體實(shí)施方法和注意事項(xiàng)如下：

（1）在現(xiàn)場(chǎng)允許的條件下，將需要的電氣元件安裝在電控房?jī)?nèi)，增加操作臺(tái)安裝在電機(jī)周圍合適位置，這樣雖增加了電纜和操作臺(tái)，但由于電控房平穩(wěn)，振動(dòng)小，不會(huì)出現(xiàn)器件損壞；

圖4 全壓?jiǎn)?dòng)異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)曲線

（2）器件安裝位置不變，僅將易損器件換成抗震度級(jí)別更高的，同時(shí)改變工藝結(jié)構(gòu)，將硬連接改成軟連接。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)全壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）啟動(dòng)電流比所有軟起方案（變頻方案除外）都小，最大不超過(guò)1.0倍的額定電流，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械沖擊小，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，且啟動(dòng)過(guò)程中電網(wǎng)電壓基本無(wú)較大波動(dòng)性，可減少電網(wǎng)容量相對(duì)偏小對(duì)油改電應(yīng)用的限制；

（2）比變頻方案成本低，且維護(hù)簡(jiǎn)單；

（3）外圍控制回路簡(jiǎn)單，搬家拆接線方便快捷。

因此，全壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)在機(jī)械鉆機(jī)油改電項(xiàng)目中，將會(huì)以其操作維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、優(yōu)異的啟動(dòng)性能等眾多優(yōu)點(diǎn)被用戶接受，值得推廣。

［1］李繼志，陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論［M］.中國(guó)石油大學(xué)出版社.

［2］李發(fā)海，王 巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社.

［3］董云飛，戴樹濤.鉆機(jī)網(wǎng)電拖動(dòng)技術(shù)改造的方案［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，（13）.