全壓啟動異步電動機(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 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)動負(fù)荷。機(jī)械鉆機(jī)油改電是將提供動力的柴油機(jī)組換成電動化動力機(jī)組，達(dá)到為鉆機(jī)提供動力的目的。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，沖擊較大的啟動電機(jī)在日益緊張的電網(wǎng)應(yīng)用中相對較困難。鑒于此有必要開發(fā)出啟動電流較小的大功率全壓啟動異步電動機(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)起動采用水電阻或中壓電子軟啟動裝置，動力機(jī)組采用偶合器調(diào)速；

（2）方案2

動力機(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)啟動采用690V電子軟啟動裝置，動力機(jī)組采用偶合器調(diào)速；

（3）方案3

動力機(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)，無變配電系統(tǒng)，成本較低；但由于電機(jī)電壓較高，井場基本敷設(shè)高壓電纜，因此安全因素要求較高，同時高壓電機(jī)啟動操作對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)（簡稱高壓房）將油田區(qū)域的電壓改變成需要的電壓，相對方案1雖然成本有所增加，但是只要高壓房容量設(shè)計足夠，就可使用在電動鉆機(jī)的油改電項(xiàng)目上，搭配靈活，應(yīng)用廣泛。同時方案2的操作簡單，對于電氣操作人員要求較低，井場內(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，但是起動電流與方案1一樣，至少在2倍額定電流以上，對電網(wǎng)有一定的沖擊。

方案3啟動電機(jī)時沒有沖擊電流，同時可以有很寬的調(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，同時造價高，成本回收時間較長。

方案1和方案2在各地使用的過程中發(fā)現(xiàn)，為了考慮啟動沖擊時的余量，供電局變電站到設(shè)備的架空線需要較粗，且上級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)電作為動力的鉆井隊較多、架空線傳輸距離長或線較細(xì)時常出現(xiàn)以下問題：

（1）電機(jī)起動時電網(wǎng)容量不足，導(dǎo)致電機(jī)啟動頻繁失敗，需要等待不確定的時機(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)計狀態(tài)；

（2）負(fù)載加重需要增加另一臺電機(jī)時，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，使第一臺電機(jī)處于空載狀態(tài)才能啟動另一電機(jī)，影響鉆井進(jìn)程；

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

為了解決上述問題，讓更多油田在油改電中受益，本文設(shè)計出了一種更適合現(xiàn)在油田電網(wǎng)情況的新設(shè)備——全壓啟動異步電動機(jī)。

4 全壓啟動異步電動機(jī)技術(shù)描述

4.1 基本原理

全壓啟動異步電動機(jī)的基本原理是：啟動時繞組星三角混接，運(yùn)行時繞組星接，所以啟動電流很小，一般不超過額定電流的1.0倍，啟動和運(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%；

全壓起動電流：<1000A；

起動至運(yùn)行切換電流：<600A；

防護(hù)等級：IP54；

圖3 全壓啟動異步電動機(jī)外形

通風(fēng)方式：IC411；

絕緣等級：H。

4.3 基本結(jié)構(gòu)

全壓異步電動機(jī)的外形與其它異步電動機(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，無需其它連線。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

試制的2臺1000kW全壓啟動異步電機(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，兩臺電機(jī)在2013年4月完成現(xiàn)場試驗(yàn)，除了個別器件由于不抗震動損壞的問題，其它運(yùn)轉(zhuǎn)正常。起動性能曲線如圖4所示。

在現(xiàn)場試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)了一些問題，鉆井過程中電機(jī)震動較大，操作監(jiān)視箱內(nèi)的電氣元件受到震動易發(fā)生損壞。

針對上述問題，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)場允許的條件下，將需要的電氣元件安裝在電控房內(nèi)，增加操作臺安裝在電機(jī)周圍合適位置，這樣雖增加了電纜和操作臺，但由于電控房平穩(wěn)，振動小，不會出現(xiàn)器件損壞；

圖4 全壓啟動異步電動機(jī)啟動曲線

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

6 結(jié)束語

根據(jù)全壓啟動電機(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：

（1）啟動電流比所有軟起方案（變頻方案除外）都小，最大不超過1.0倍的額定電流，對電網(wǎng)和機(jī)械沖擊小，可延長設(shè)備使用壽命，且啟動過程中電網(wǎng)電壓基本無較大波動性，可減少電網(wǎng)容量相對偏小對油改電應(yīng)用的限制；

（2）比變頻方案成本低，且維護(hù)簡單；

（3）外圍控制回路簡單，搬家拆接線方便快捷。

因此，全壓啟動電機(jī)在機(jī)械鉆機(jī)油改電項(xiàng)目中，將會以其操作維護(hù)簡單、性價比高、優(yōu)異的啟動性能等眾多優(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］.中國石油大學(xué)出版社.

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

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