引言

21世紀以來,潛油電泵作為機械采油設(shè)備在油田得到了大量的推廣應(yīng)用,其由于具有排量大、揚程高、操作簡單、對油井產(chǎn)量遞減適應(yīng)性強等特點,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o但潛油電泵、電機、線纜均在高溫高壓的地下環(huán)境工作,停機再次啟動時,容易發(fā)生卡泵、絕緣擊穿和電機燒毀等問題。出現(xiàn)故障就需要將所有井下設(shè)備提出地面進行維修,成本高昂;僅潛油電泵停機時,從停機到發(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轉(zhuǎn),工作電壓降到主控元件臨界值之下,保護控制儀等主控元件已不能正常運作,導(dǎo)致潛油電泵停機,真空交流接觸器在分斷過程中產(chǎn)生較大過電壓會對電機和線纜絕緣造成損傷,特別是對于長時間運行絕緣老化的電泵機組,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電機定子繞組電壓分析

2.1正常運行時潛油電機定子繞組上的電壓

正常運行時,作用于潛油電機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、電機參數(shù)不對稱形成的中性點不平衡電壓值U:

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

2.2啟動過程中潛油電機定子繞組上的電壓

啟動過程中,作用于潛油電機定子繞組上的電壓與運行過程中潛油電機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)系統(tǒng)模型如圖2所示,潛油電機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、揚程和功率的關(guān)系啟動過程中,主要是對電機轉(zhuǎn)速進行控制,電機

轉(zhuǎn)速與排量、揚程和功率的關(guān)系如下:排量正比于轉(zhuǎn)速:

3潛油電泵機組啟動及電壓暫降優(yōu)化治理方案

3.1潛油電泵機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,即潛油電機與潛油電纜連接處,過電壓預(yù)防措施是加強此部分絕緣,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)具有可操作性強的特點,措施

1)不存在理論推導(dǎo)過程,下面對措施4)進行重點討論。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載提供電源,負載功率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)準的補償電壓注入系統(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荷造成的影響。

下面分析其工作原理,分三種情況進行介紹:

1)裝置工作在待機狀態(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)用戶要求進行設(shè)定),儲能單元超級電容經(jīng)過功率單元逆變向負載供電,同時晶閘管強迫關(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行,斷開進線、出線開關(guān),裝置被隔離于系統(tǒng)外,負載由外部系統(tǒng)供電,實現(xiàn)負載設(shè)備不斷電情況下對DVR設(shè)備進行檢修。待維護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)潛油電泵運行頻率越低,諧波總含量越高。當(dāng)運行頻率在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)潛油電泵機組實際運行中,其中性點電壓值不等于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償電力系統(tǒng)晃電,保障機組平穩(wěn)運行;供電系統(tǒng)正常不采用DVR設(shè)備和DVR系統(tǒng)需要停機檢修時,均可安全平穩(wěn)切換。