淺談油田注水泵變頻諧波現(xiàn)狀

周 杰，濮新宏，王海軍

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710018）

在油田注水系統(tǒng)中，為了滿足注水量逐步增長的需要，在設(shè)計時注水泵選型額定流量一般都偏大，實際生產(chǎn)中注水流量不能達(dá)到注水泵設(shè)計要求，需要通過回流流量匹配，造成大量電能的浪費。注水泵變頻控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)注水泵排量，減少注水回流量，提高注水系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能的效果。

變頻控制是近代自動化控制的創(chuàng)新技術(shù)，隨著變頻控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變頻器諧波干擾逐漸成為自動化控制領(lǐng)域的重要電磁污染源[1]。變頻控制產(chǎn)生的諧波，對自動化控制系統(tǒng)中其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，主要包括電磁輻射、傳導(dǎo)、感應(yīng)耦合，主要影響有：①通過空中輻射對周邊電子設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射干擾；②對被驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，同時增加電動機(jī)鐵耗和銅耗，增大電動機(jī)發(fā)熱；③變頻器在電力網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生出高次諧波電壓，干擾同電力網(wǎng)絡(luò)中自動化控制信號,數(shù)據(jù)傳輸失真。

因此，需要了解諧波的產(chǎn)生和有關(guān)規(guī)律，以指導(dǎo)如何抑制諧波，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，確保電力系統(tǒng)安全、可靠運行[2]。

1 變頻控制產(chǎn)生諧波現(xiàn)狀

由于注水泵的實際流量比泵的額定流量小，因此節(jié)電潛力較大[3]?，F(xiàn)油田注水系統(tǒng)中變頻控制已大量應(yīng)用，在供水泵、喂水泵、注水泵控制上都有配套，部分變頻控制技術(shù)節(jié)能改造同時更換變頻調(diào)速電機(jī)，大部分是通過變頻技術(shù)控制常規(guī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速運行。

通過近幾年監(jiān)測注水泵變頻改造，計算對比發(fā)現(xiàn)變頻器諧波干擾比較常見。針對長慶油田第六采油廠安五作業(yè)區(qū)胡一注水站3#注水泵機(jī)組進(jìn)行典型分析，3#注水泵機(jī)組采用往復(fù)式柱塞泵，配套隔爆型變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)，應(yīng)用F700系列變頻器自動調(diào)節(jié)注水泵電機(jī)運行頻率，控制注水泵輸出流量，保證注水泵輸出壓力恒定。調(diào)節(jié)注水泵機(jī)組運行頻率，同步測試變頻控制柜輸入、輸出兩端電參數(shù)及電力諧波電壓，注水泵機(jī)組運行參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

2 諧波電壓評價

電力系統(tǒng)中背景諧波電壓對電氣設(shè)備及周邊電子儀器的使用會產(chǎn)生各種影響。國家頒布的GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓的允許值，公用電網(wǎng)諧波電壓允許值是規(guī)定諧波發(fā)生源在電網(wǎng)端產(chǎn)生諧波電壓的最大限定值，一般采取對電網(wǎng)中單相諧波電壓最大值進(jìn)行評價。

注水泵機(jī)組電機(jī)運行在380 V供電系統(tǒng)，GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求電壓總諧波畸變率小于5.0%；奇次諧波電壓含有率小于3.0%；偶次諧波電壓含有率小于2.0%。3個指標(biāo)中有一個不達(dá)標(biāo)，即判定電網(wǎng)諧波電壓不達(dá)標(biāo)[4]。

根據(jù)諧波電壓評價測試結(jié)果（表2）顯示，F(xiàn)700系列280 kW變頻器輸出頻率在26.2～45.0 Hz范圍時，電力諧波電壓不達(dá)標(biāo)。

表1 注水泵機(jī)組運行參數(shù)數(shù)據(jù)表

表2 諧波電壓評價結(jié)果

3 諧波電壓隨頻率變化規(guī)律

3.1 電網(wǎng)諧波電壓

F700系列變頻器輸入端對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波電壓，電壓總諧波畸變率隨著運行頻率提高呈現(xiàn)上升趨勢，奇次諧波電壓含有率同時呈現(xiàn)上升趨勢。運行頻率與電網(wǎng)諧波電壓變化曲線如圖1所示。

圖1 運行頻率與電網(wǎng)諧波電壓變化曲線

3.2 電機(jī)輸入諧波電壓

F700系列變頻器輸出端對注水泵電機(jī)產(chǎn)生諧波電壓，電壓總諧波畸變率隨著運行頻率提高呈現(xiàn)下降趨勢，頻率超過35 Hz后明顯下降；奇次諧波電壓含有率在35 Hz前呈上升趨勢，超過35 Hz后明顯下降；偶次諧波電壓含有率隨著運行頻率提高呈現(xiàn)明顯下降趨勢。運行頻率與電機(jī)輸入諧波電壓變化曲線如圖2所示。其原因是電機(jī)功率越接近額定功率，變頻器逆變過程中的非線性成分越小，諧波電壓越低。

4 變頻諧波電壓分量分析

4.1 電網(wǎng)諧波電壓分量

調(diào)節(jié)F700變頻器輸出頻率，使注水泵機(jī)組運行在不同頻率下，測量變頻器輸入端諧波電壓的各次諧波電壓含有率。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于負(fù)載對稱，偶次諧波大多被消除了，以奇次諧波為主[5]。不同頻率運行時奇次諧波電壓分量比例基本相同，奇次諧波電壓含有率主要成分為3次、5次、7次諧波，其他奇次諧波電壓含有率達(dá)到1.0%左右。電網(wǎng)25次內(nèi)奇次諧波電壓分量數(shù)據(jù)見表3。

圖2 運行頻率與電機(jī)輸入諧波電壓變化曲線

注水系統(tǒng)基波頻率為50 Hz，5次、7次、11次諧波對應(yīng)的諧波頻率分別為250 Hz、350 Hz、550 Hz，都屬于中、低頻諧波頻率范圍。中、低頻諧波傳播干擾的主要途徑是通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其他設(shè)備，通過變壓器干擾中壓電網(wǎng)。

表3 電網(wǎng)25次內(nèi)奇次諧波電壓分量數(shù)據(jù)表

表4 電機(jī)輸入端25次內(nèi)諧波電壓分量數(shù)據(jù)表

4.2 電機(jī)輸入諧波電壓分量

運行頻率變化時，測量變頻器輸出端電機(jī)運行電壓、諧波電壓的各次諧波電壓含有率。電機(jī)輸入端25次內(nèi)諧波電壓分量數(shù)據(jù)見表4。

運行頻率低于35 Hz以下時，電壓總畸變率全部大于60%，奇次諧波電壓含有率和偶次諧波電壓含有率都非常高。為了進(jìn)一步分析諧波電壓分量分布情況，測試了35.7 Hz運行頻率下電機(jī)輸入端25次及以內(nèi)諧波電壓分量。此時諧波電壓分量分布很廣，偶次諧波電壓含有率與奇次諧波電壓含有率為同數(shù)量級，占有相當(dāng)大比例。這將對電機(jī)運行產(chǎn)生影響，增大電磁噪聲、增加電機(jī)發(fā)熱、影響勵磁改變電機(jī)出力，出現(xiàn)三相不平衡等。同時通過產(chǎn)生耦合干擾，對周邊一定距離內(nèi)的低壓電氣、電子儀器儀表產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語

通過現(xiàn)場測試油田注水泵變頻控制中的諧波數(shù)據(jù)，分析電流式變頻器、不同變頻狀態(tài)運行時的諧波電壓狀況。分析了負(fù)載改變時電壓總諧波畸變率的變化、各分量諧波電壓含有率分布情況，不同頻段諧波干擾類型，對治理變頻諧波積累了實踐經(jīng)驗。