晃電對潛油電泵運(yùn)行的影響及對策

黃新+馬波+張恒群+徐立民+蘇杰+袁訓(xùn)彬+陳國堂

摘要當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生相間短路、雷擊或大負(fù)荷投切等均會造成供電系統(tǒng)電壓發(fā)生波動或停電，也就是通常所說的晃電。晃電的持續(xù)時間很短，卻可能造成潛油電泵機(jī)組的停機(jī)，嚴(yán)重影響原油生產(chǎn)甚至造成機(jī)組故障無法再次啟動。本文通過對潛油電泵控制柜原理及主要器件的模擬晃電實驗找到了造成潛油電泵機(jī)組晃電停機(jī)的主要原因，并根據(jù)潛油電泵的停機(jī)滑行時間以及晃電幅度的大小，利用正序電壓的大小進(jìn)行晃電保護(hù)，既可以有效地解決潛油電泵因晃電造成的意外停機(jī)，又可以避免因晃電故障解除，大批潛油電泵同時啟機(jī)對電網(wǎng)造成的沖擊。

關(guān)鍵詞潛油電泵；晃電；保護(hù)

潛油電泵具有排量大，操作維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在油田的原油生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。但是潛油電泵不同于其他地面采油設(shè)備，潛油電機(jī)、電泵都在井下，停機(jī)后受油井出砂、單流閥閉合不嚴(yán)等影響會出現(xiàn)沙卡、電機(jī)反轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，再次啟動時容易發(fā)生卡泵、斷軸、燒毀電機(jī)等事故，一旦出現(xiàn)故障就需要提出全部管柱進(jìn)行作業(yè)修理，費(fèi)用非常高，還會嚴(yán)重影響原油產(chǎn)量。即使僅僅造成電泵停機(jī)，從發(fā)現(xiàn)停機(jī)到恢復(fù)生產(chǎn)也需要較長的時間，同樣會造成產(chǎn)量損失。晃電是造成潛油電泵意外停機(jī)的主要原因之一，一次晃電可能造成幾十上百口潛油電泵停機(jī)，嚴(yán)重影響油田的原油生產(chǎn)。

1晃電對潛油電泵的影響

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生相間短路、雷擊或大負(fù)荷投切等均會造成供電系統(tǒng)電壓發(fā)生波動或停電，也就是通常所說的晃電。當(dāng)晃電發(fā)生時潛油電泵由于慣性和殘壓的存在可能仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，但是由于電壓瞬時下降到了主控元件工作臨界值以下，保護(hù)控制儀和真空接觸器已經(jīng)不能正常工作導(dǎo)致潛油電泵停機(jī)。由此帶來的不僅是產(chǎn)量的損失，更為嚴(yán)重的是真空交流接觸器在分?jǐn)噙^程中產(chǎn)生的3～4倍的操作過電壓對電機(jī)主絕緣及縱絕緣的損傷，特別是對運(yùn)行時間較長絕緣已經(jīng)相對老化的電機(jī)可能會造成相間、匝間和對地絕緣的擊穿導(dǎo)致電機(jī)損壞；再次啟動不僅增加了沙卡、斷軸的危險，還會使保護(hù)器因二次呼吸進(jìn)井液提前失效而縮短電機(jī)的使用壽命。所以解決潛油電泵因晃電停機(jī)的問題具有非常重要的現(xiàn)實意義。

從潛油電泵控制柜原理圖可以看出潛油電機(jī)主要受保護(hù)控制儀SB2-1000和真空接觸器M的控制。晃電如果達(dá)到潛油電泵保護(hù)控制儀和真空接觸器的正常工作臨界值就會造成潛油電泵停機(jī)，通過模擬實驗可以找到以上兩種主控元件保持正常工作的臨界值。

通過真空接觸器和保護(hù)控制儀的模擬晃電實驗可以看出，在晃電電壓跌落到40%以下，跌落時間超過200ms后兩個器件均可能斷開，晃電的持續(xù)時間95%以上都在1s之內(nèi)，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生相間短路或接地短路時控制回路電壓甚至可能跌落到0，這種晃電如果時間和幅度達(dá)到臨界值時就會造成潛油電泵因晃電而停機(jī)，影響原油生產(chǎn)甚至造成機(jī)組損壞的重大損失。

2對策

要使?jié)撚碗姳迷诨坞姇r不停機(jī)，可在110V控制回路接入儲能電源，在系統(tǒng)發(fā)生晃電時能夠保證潛油電泵保護(hù)控制儀以及真空接觸器能夠正常工作。為保證數(shù)據(jù)傳輸時間和保護(hù)余量要求，儲能電源設(shè)計掉電保持時間5s。在掉電保持時間內(nèi)，如果潛油電泵機(jī)組未裝單流閥或是單流閥失效關(guān)閉不嚴(yán)，在停電或電壓過低時電泵可能會發(fā)生反轉(zhuǎn)，此種情況下電壓忽然恢復(fù)正常，大批電機(jī)將會同時啟動，對電網(wǎng)造成沖擊很大；部分電機(jī)將會由反轉(zhuǎn)直接啟動，容易出現(xiàn)過載無法啟動、嚴(yán)重時會造成電機(jī)電泵斷軸等事故，所以要求電泵在停轉(zhuǎn)后不允許自動重啟。因此在考慮晃電不停機(jī)的同時還要考慮晃電解除后已經(jīng)停轉(zhuǎn)的潛油電泵不能同時啟動的問題，這就需要知道電泵的停電滑行時間，根據(jù)電泵的停電滑行時間來進(jìn)行晃電保護(hù)，因為電泵的停電滑行時間和晃電時殘壓有關(guān)，潛油電泵的停電滑行時間可以通過潛油電泵停電滑行測試儀直接測量，晃電時殘壓可以通過三相電壓耦合模塊和保護(hù)控制儀采集測量，并根據(jù)電壓的大小進(jìn)行晃電保護(hù)，從而保證電泵在停轉(zhuǎn)后能夠直接斷開真空接觸器，拒絕再啟動。

要完成以上功能需要對原有控制柜進(jìn)行晃電改造，改造主要需要用到儲能電源、具有晃電保護(hù)功能的潛油電泵保護(hù)控制儀，三相電壓耦合模塊，改造原理如圖3所示。

改造原理：改造主要由3部分組成。1）在保護(hù)控制儀前加裝儲能電源。2）將原有SB2-1000保護(hù)控制儀更換成具有防晃電保護(hù)功能的OSPC-Ⅳ型保護(hù)控制儀。3）加裝三相電壓采集模塊。其中儲能電源為不間斷電源，同時給保護(hù)控制儀、和真空接觸器線圈ZC1供電，當(dāng)晃電發(fā)生時能保證保護(hù)控制儀和真空接觸器5s內(nèi)不斷開。真空接觸器的吸合、斷開以及電泵所需各種保護(hù)功能由保護(hù)控制儀OSPC-Ⅳ完成。

因為晃電原因的不同會造成三相電壓的不平衡，此時不應(yīng)以其中的某一相電壓來判斷晃電，而應(yīng)以主導(dǎo)電機(jī)運(yùn)行的正序電壓進(jìn)行判斷，其中正序電壓的計算如下：

Ua、Ub、Uc為三相相電壓。v+為正序電壓。

因為在缺相條件下正序電壓為額定電壓的一半，電機(jī)仍可以維持運(yùn)轉(zhuǎn)，只是電流增加到原來的1.732倍，所以在正序電壓大于0.5Un/1.732時電機(jī)不會停轉(zhuǎn)，此時保護(hù)控制儀不需要進(jìn)行保護(hù)；只有當(dāng)正序電壓小于0.5Un/1.732（Un為額定線電壓）才可能造成電泵停轉(zhuǎn)，因此可以以正序電壓小于0.5Un/1.732為門檻值進(jìn)行晃電延時保護(hù)，晃電延時保護(hù)時間由保護(hù)控制儀根據(jù)晃電時的殘壓以及電機(jī)的停電滑行時間計算得出，殘壓越大延時時間越長。潛油電泵停電滑行時間可以通過潛油電泵停機(jī)滑行測試儀測出。

潛油電泵保護(hù)控制儀的保護(hù)動作為：晃電延時時間內(nèi)故障消失，保護(hù)解除，計晃電保護(hù)一次；超過該時間，保護(hù)儀保護(hù)停機(jī)，報晃電停機(jī)。

3驗證和結(jié)論

根據(jù)上述理論設(shè)計了相應(yīng)的儲能電源、具有晃電保護(hù)功能的潛油電泵保護(hù)控制儀，三相電壓耦合模塊，并進(jìn)行了模擬實驗。如表1、表2所示。

4結(jié)論

通過上面實驗可以看出改造后的控制柜具有了防晃電的功能，在設(shè)定時間范圍內(nèi)，做到了晃電不停機(jī)，超出延時時間，馬上停機(jī)，可以有效解決潛油電泵因晃電造成的意外停機(jī)，又可以避免因晃電解除后大批潛油電泵同時啟機(jī)對電網(wǎng)造成的沖擊。該改造方案已經(jīng)在某油田實驗改造了25口潛油電泵井，成果得到了實際應(yīng)用，解決了潛油電泵因晃電停機(jī)的問題。