影響抽油電機運行的故障特征分析及建模仿真

劉春芳

摘要：抽油電機對抽油機正常開采石油起到至關重要的作用。本文通過對抽油電機發生短路、缺相及過載進行理論闡述及故障分析，再利用MATLAB＼Simulink軟件建模仿真，輸出仿真結果可以清晰看出各種故障類型對電機參數的影響。文中理論與實際相結合，對現場工程作業具有一定的指導意義。

關鍵詞：抽油電機;短路;電源缺相;電機過載

0 引言

抽油電機是抽油機的主要動力設備，為抽油機提供機械動能。考慮到抽油機具有以下特點：（1）承受載荷是脈動的，而且變化幅度大; （2）啟動是需要的啟動轉動力矩較大;（3）在露天條件下運行，這要求驅動電機的維修護理簡單、工作安全可靠。目前油田廣泛采用普通三相異步電機、高及超高轉差率電機和雙功率電機，而高轉差率三相異步電機應用尤其廣泛。它的外觀結構形式與 Y 系列電機相同，但這種電機是采用高電阻率的轉子導體，一般是采用鋁合金材料鑄造而成，所以其轉差率比普通三相異步電機大許多，高轉差率電機的轉差率在 8%～12%之間（而普通電機為 3%～5%）。提高轉差率的目的是為了使電機具有堵轉轉矩大、堵轉電流小、機械特性軟等特點，在額定輸出功率時，最大轉矩能夠等于堵轉轉矩。當轉差率電機的額定轉差率為 8%～12%（也有達到 15%以上的超高轉差率電機），即具有大的斜度或軟的機械特性。此外，其還具有較大的啟動轉矩。

1 電機故障分類

根據油井現場故障類型統計數據[1，2]表明，影響抽油電機正常運行有以下三類故障：（1）短路;（2）電源缺相;（3）電機過載。

（1）短路：抽油電機的短路是指相與相之間或相與地之間非正常連接，包括三相短路、兩相短路、單相接地短路及兩相接地短路[3]。油井上經常發生短路的原因是外部施工作業，比如挖掘機挖溝作業，鉆井、修井往地下打地錨造成電纜短路。短路后使電機定子電流劇增，電流的最大波動值為電機額定運行的十幾倍左右。短路后將可能發生如下后果：（a）巨大的沖擊電流會引起供電母線電壓下降，嚴重影響同一母線正常運行的其他電氣設備。（b）較大的瞬時電磁轉矩，會對電機線圈、電機轉軸及負載產生危害。（c）較大的瞬態電流，會使電機發熱，對電機絕緣損傷，甚至造成絕緣的永久破壞。

（2）電源缺相：抽油電機缺相時原來停止的電機不能起動，轉子左右擺動，有強烈的“嗡嗡”聲[4]。若運行中缺一相，電動機仍能轉動，但轉動力矩大大降低。電動機兩相運行的電流，等于額定電流1.5～2倍，能引起線圈和接頭過熱。兩相運行時，未斷路的兩相定子繞組串連，由于大電流長時間在定子繞組中流動，會使定子繞組過熱，以致燒毀。在油田現場故障中最常發生缺相的情況是電源缺相，比如高壓跌落下端總程的“卡箍”夾合力不夠，導致令克經常掉落發生缺相現象。

（3）電機過載：抽油電機的過載指的是電機在某個允許的時間內流過的電流超過額定電流[5]。三相異步電動機的過載能力指最大轉矩標稱值與額定轉矩標稱值之比，可以理解為三相異步電動機實際能夠負載的最大負荷與額定負載負荷的比值，比值越高，過載能力就越好，電動機性能也就越好。產生過載的原因有如下三點：（a）拖動的機械發生故障，當被拖動的機械存在故障時，轉動不靈活或者被卡住，都將會使電動機過載，造成電動機繞組過熱。 （b）拖動的機械負載工作不正常，雖然選取的設備配套，但由于所拖動的機械負載工作不正常，運行時負載時大時小，如油井發生斷桿情況時電動機因功率忽大忽小發生過載而發熱。（c）當選取的設備不配套，負載功率大于電動機的額定功率時，則電動機長期過載運行，即“小馬拉大車”，會導致電動機過熱。

2 利用MATLAB＼Simulink建模仿真

本文以油田最常用電機的電機（高起動力矩多速電動機，北京國晶電氣制造有限公司）進行建模仿真，軟件參數如下：額定電壓UN=380 V;電流IN=95 A;頻率=50 HZ;額定轉矩按照TN=9550*PN/n計算，其中功率以極對數8級為例，則PN取45 kW;n取730 rpm;TN=589N.m;起動電流與額定電流的比值IST/IN=7;起動轉矩與額定轉矩的比值TST/TN=2.2;堵轉轉矩與額定轉矩的比值TBR/TN=2.2;功率因數=0.87;仿真時間設置為2 s;

2.1短路

考慮到抽油電機的電纜最容易受到機械外力破壞，本次建模以電纜遭受外力破壞后造成AB相接地短路，接地電阻設為5Ω，在1s時發生故障，在1.2s時故障退出，仿真結果如下圖1所示。

由圖1可知：在非故障階段，三相電壓、三相電流正常平穩運行，當t=1s時，非故障相電壓升高，從400伏上升到580伏左右，故障相電壓略降。非故障相電流幾乎維持不變，故障相電流上升很大，增加了50%，綜合分析可知短路對電流的影響比較大。

2.2 電源缺相

本次仿真以A相電壓在1s時和B相同相位模擬線路缺相，即在1s前和1.5s后三相電壓相位為0度、120度、240度，在1至1.5s之間的三相電壓相位為120度、120度、240度，負載接入300N.m，仿真結果如下圖2所示。

由圖2可知：定子電流在缺相后幅值急劇增大，由穩定運行的100A上升到450A，電源正常后又回到100A。轉速正常時段為720rpm左右，當故障發生后由于負載的反向帶動，電機迅速反向超速轉動。轉矩在故障發生前維持在300N.m，故障發生后在正、反方向力矩劇烈波動，嚴重超過額定轉矩，電源恢復后轉矩也恢復正常，綜合分析可知缺相對定子電流、轉速及轉矩影響都很大。

2.3 電機過載

本次仿真以正常運行負載為300N.m，t=1s時上升到600N.m，超出額定轉矩589N.m，仿真結果如下圖3所示。

由圖3可知，當電機過載后，定子電流迅速上升，從100A上升到200A，由于負荷的增加，轉速從額定轉速720rpm下降到600rpm。為了適應負載的增加，電機增加了出力，轉矩由之前的300N.m上升到600N.m，使其能跟蹤到負荷的力矩，維持電機正常運轉。

3 結語

本文通過對抽油電機發生短路、缺相及過載進行理論分析，再利用MATLAB＼Simulink軟件建模仿真，輸出仿真結果可以清晰看出各種故障類型對電機參數的影響。文中理論分析簡單易懂，建模仿真可視性強，對現場工程作業具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]王昊，彭運猛，鄭全新.淺談三相異步電動機電路保護[J].農業技術與裝備，2019（05）：89+91.

[2]杜偉峰.三相異步電機常見故障與對策[J].科學技術創新，2019（21）：177-178.

[3]施永茜，姜斌，冒澤慧.異步電機定子匝間短路故障建模及檢測研究[J].控制工程，2020，27（01）：22-27.

[4]李洪濤，李奎，倪素娟.基于熱網絡的異步電機過載保護模型及數字算法[J].電機與控制應用，2011，38（10）：54-58+62.

[5]文立斌.實用性三相異步電機缺斷相保護器[J].科技創新與應用，2017（03）：164.