潛油電泵啟動及電壓暫降分析及優(yōu)化方案

魏斌 朱選棟 蒲軍

摘 要：針對潛油電泵諧波故障問題，調(diào)研統(tǒng)計了西北油田5口潛油電泵井運(yùn)行過程中諧波情況，發(fā)現(xiàn)諧波變化是導(dǎo)致電纜絕緣老化擊穿的主要原因。針對電機(jī)啟動過程，分析作用于定子繞組的多種電壓變化情況，設(shè)計適用于ICM系統(tǒng)的RLC濾波器，針對電機(jī)運(yùn)行過程，設(shè)計DVR電力電子系統(tǒng)解決電壓暫降問題；在ICM加入RLC濾波器后，PWM輸出脈沖電壓的陡度降低，抑制了電壓高頻振蕩，DVR裝置可有效補(bǔ)償系統(tǒng)晃電，保障機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：潛油電泵；電壓諧波；RLC濾波器；DVR電力電子系統(tǒng)

中圖分類號：TM301.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0005-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.002

0? ? 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。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，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，從停機(jī)到發(fā)現(xiàn)時間較長，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，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，存在斷軸風(fēng)險；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，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)行時潛油電機(jī)定子繞組上的電壓

正常運(yùn)行時，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：

U=（UAYA+UBYB+UCYC）/（YA+YB+YC）? ? ? ? （1）

式中：UA、UB、UC為A、B、C三相不平衡電壓值；YA、YB、YC為三相不平衡電流值。

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

U1+UX+UG+UB≠0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

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：

Q1/Q2=N1/N2? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

揚(yáng)程正比于轉(zhuǎn)速的平方：

H1/H2=（N1/N2）2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

功率正比于轉(zhuǎn)速的立方：

P1/P2=（N1/N2）3? ? ? ? ? ? ? ?（5）

由于電機(jī)本身的非線性以及啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩重新建立造成的振蕩會惡化電磁系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速在上升過程中，潛油電機(jī)排量、揚(yáng)程和功率不斷變化，上述U1、UX、UG和U均會發(fā)生大幅度變化。潛油電機(jī)啟動端電壓U′（l，s）：

U′（l，s）=α/KLU（0，s）=β/KGU（s）? ? ? ? ? （6）

式中：KL為潛油電機(jī)端電壓反射系數(shù)；KG為變頻器輸出端電壓反射系數(shù)；α、β為不同階段的諧波反射系數(shù)；U（0，s）為啟動電壓；U（s）為運(yùn)行電壓。

同等條件下，啟動過程中U′（l，s）的幅值遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行狀態(tài)下的U（l，s），這就是經(jīng)過一次啟動過程，潛油電機(jī)及潛油電纜絕緣電阻均會有所降低的主要原因。

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，將使電纜發(fā)熱。高頻諧波電流流過金屬導(dǎo)體時還會發(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個方面著手：

1）增大絕緣厚度，提高絕緣耐電壓能力，同時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，負(fù)載能有1～2 s的穿越時間。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的時間內(nèi)，通過功率單元逆變輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)償電壓注入系統(tǒng)，同時切斷電源側(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，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（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，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，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，均可安全平穩(wěn)切換。

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收稿日期：2024-01-15

作者簡介：魏斌（1974—），男，甘肅天水人，高級工程師，主要從事油田電網(wǎng)運(yùn)維管理工作。