黃新+馬波+張恒群+徐立民+蘇杰+袁訓(xùn)彬+陳國(guó)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(huì)造成供電系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)或停電，也就是通常所說的晃電?；坞姷某掷m(xù)時(shí)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(dòng)。本文通過對(duì)潛油電泵控制柜原理及主要器件的模擬晃電實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)啟機(jī)對(duì)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(jiǎn)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(huì)出現(xiàn)沙卡、電機(jī)反轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，再次啟動(dòng)時(shí)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(huì)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(zhǎng)的時(shí)間，同樣會(huì)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(duì)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(huì)造成供電系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)或停電，也就是通常所說的晃電。當(dāng)晃電發(fā)生時(shí)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(shí)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(duì)電機(jī)主絕緣及縱絕緣的損傷，特別是對(duì)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)絕緣已經(jīng)相對(duì)老化的電機(jī)可能會(huì)造成相間、匝間和對(duì)地絕緣的擊穿導(dǎo)致電機(jī)損壞；再次啟動(dòng)不僅增加了沙卡、斷軸的危險(xiǎn)，還會(huì)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(shí)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?；坞娙绻_(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(huì)造成潛油電泵停機(jī)，通過模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以看出，在晃電電壓跌落到40%以下，跌落時(shí)間超過200ms后兩個(gè)器件均可能斷開，晃電的持續(xù)時(shí)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(shí)控制回路電壓甚至可能跌落到0，這種晃電如果時(shí)間和幅度達(dá)到臨界值時(shí)就會(huì)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(duì)策

要使?jié)撚碗姳迷诨坞姇r(shí)不停機(jī)，可在110V控制回路接入儲(chǔ)能電源，在系統(tǒng)發(fā)生晃電時(shí)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(shí)間和保護(hù)余量要求，儲(chǔ)能電源設(shè)計(jì)掉電保持時(shí)間5s。在掉電保持時(shí)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(shí)電泵可能會(huì)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(huì)同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊很大；部分電機(jī)將會(huì)由反轉(zhuǎn)直接啟動(dòng)，容易出現(xiàn)過載無法啟動(dòng)、嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(dòng)重啟。因此在考慮晃電不停機(jī)的同時(shí)還要考慮晃電解除后已經(jīng)停轉(zhuǎn)的潛油電泵不能同時(shí)啟動(dòng)的問題，這就需要知道電泵的停電滑行時(shí)間，根據(jù)電泵的停電滑行時(shí)間來進(jìn)行晃電保護(hù)，因?yàn)殡姳玫耐ｋ娀袝r(shí)間和晃電時(shí)殘壓有關(guān)，潛油電泵的停電滑行時(shí)間可以通過潛油電泵停電滑行測(cè)試儀直接測(cè)量，晃電時(shí)殘壓可以通過三相電壓耦合模塊和保護(hù)控制儀采集測(cè)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(dòng)。

要完成以上功能需要對(duì)原有控制柜進(jìn)行晃電改造，改造主要需要用到儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能電源為不間斷電源，同時(shí)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(shí)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?yàn)榛坞娫虻牟煌瑫?huì)造成三相電壓的不平衡，此時(shí)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(jì)算如下：

Ua、Ub、Uc為三相相電壓。v+為正序電壓。

因?yàn)樵谌毕鄺l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(shí)電機(jī)不會(huì)停轉(zhuǎn)，此時(shí)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(shí)保護(hù)，晃電延時(shí)保護(hù)時(shí)間由保護(hù)控制儀根據(jù)晃電時(shí)的殘壓以及電機(jī)的停電滑行時(shí)間計(jì)算得出，殘壓越大延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)。潛油電泵停電滑行時(shí)間可以通過潛油電泵停機(jī)滑行測(cè)試儀測(cè)出。

潛油電泵保護(hù)控制儀的保護(hù)動(dòng)作為：晃電延時(shí)時(shí)間內(nèi)故障消失，保護(hù)解除，計(jì)晃電保護(hù)一次；超過該時(shí)間，保護(hù)儀保護(hù)停機(jī)，報(bào)晃電停機(jī)。

3驗(yàn)證和結(jié)論

根據(jù)上述理論設(shè)計(jì)了相應(yīng)的儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)。如表1、表2所示。

4結(jié)論

通過上面實(shí)驗(yàn)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(shí)間范圍內(nèi)，做到了晃電不停機(jī)，超出延時(shí)時(shí)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(shí)啟機(jī)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊。該改造方案已經(jīng)在某油田實(shí)驗(yàn)改造了25口潛油電泵井，成果得到了實(shí)際應(yīng)用，解決了潛油電泵因晃電停機(jī)的問題。