唐穎

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163311）

潛油電泵在油田生產(chǎn)開采過程中的應(yīng)用可以將其機(jī)組直接下入井中來進(jìn)行原油舉升，通常情況下，潛油電泵入井深度都處于1～2.5km 范圍，通過扁平電纜深入到井下為整個(gè)舉升系統(tǒng)提供電能，但需要注意的是，在潛油電泵的運(yùn)行過程中要充分保證其運(yùn)行環(huán)境溫度處于120℃以下。電動(dòng)機(jī)在供電后就會(huì)帶動(dòng)多級離心泵進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，這樣就會(huì)對油液形成多級的增壓，這樣就能夠?qū)⑵溆行e升到地面。傳統(tǒng)潛油電泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中采取的都是全工頻運(yùn)行狀態(tài)，保質(zhì)期機(jī)組啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的巨大沖擊對潛油電泵自身使用壽命造成嚴(yán)重影響，對整個(gè)油田的生產(chǎn)開采也會(huì)造成一定程度的制約，而且還會(huì)形成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。隨著近幾年變頻技術(shù)的快速發(fā)展，在潛油電泵系統(tǒng)中潛油電泵技術(shù)的普及應(yīng)用，使整個(gè)機(jī)組效果得到有效的提升。但是，變頻技術(shù)在給潛油電泵機(jī)組帶來節(jié)能、提產(chǎn)等一系列貢獻(xiàn)的同時(shí)，也對前有電泵的運(yùn)行造成了一定的負(fù)面影響。但是，變頻系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一定的高次諧波電壓和電流，由此就增加了電機(jī)的損耗，另外，變頻機(jī)組在運(yùn)行過程中還會(huì)產(chǎn)生電磁波，這樣就會(huì)對周圍環(huán)境中的電氣設(shè)備造成干擾。因此，在實(shí)際的前有電泵機(jī)組運(yùn)行的過程中，如果與之相對應(yīng)的功率的電器元件的開關(guān)在導(dǎo)通的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流序列，而這個(gè)脈沖序列與C (dμ/dt)是成正比關(guān)系的，這樣改脈沖電流序列就會(huì)對潛油電泵變頻器形成一定的影響，使得變頻器在運(yùn)行過程中的工況出現(xiàn)惡化，使得電機(jī)的性能出現(xiàn)下降，對潛油電泵機(jī)組的運(yùn)行造成負(fù)面的影響。

1 輸出du／dt對電泵機(jī)組的影響

普通電壓變頻器在實(shí)際輸出電壓的過程中通常情況下會(huì)產(chǎn)生幅度較大的電壓跳變，例如，在一些情況下電壓在輸出的時(shí)候，相電壓產(chǎn)生跳變大的幅度能夠與直流電母線電壓保持?jǐn)?shù)值相等，在這種情況下，在整個(gè)系統(tǒng)中一些逆變器相關(guān)的功率元件實(shí)際執(zhí)行開關(guān)操作的時(shí)候速度會(huì)非常快，也就是說，在其執(zhí)行開關(guān)操作的過程中du／dt的數(shù)值相對比較大。如果這一比值處于過大的狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電泵機(jī)組系統(tǒng)中的各個(gè)主要部件的絕緣性能以及系統(tǒng)內(nèi)部軸承的使用壽命會(huì)遭受巨大的影響，在整個(gè)潛油電泵機(jī)組中，由于在各個(gè)線路中存在大量的分布電感以及分布電容，因此就會(huì)在整個(gè)電動(dòng)機(jī)組中出現(xiàn)巨大的波反射效應(yīng)，而通過波反射效應(yīng)的作用最終會(huì)導(dǎo)致du／dt的數(shù)值進(jìn)一步被放大。在整個(gè)電動(dòng)機(jī)組的電機(jī)端子位置，du／dt的數(shù)值放大后甚至能超過一倍多。

（1）行波衍射原理以及其對絕緣的影響。與潛油電泵機(jī)組整體相配套使用的輸電電纜其絕緣性能非常優(yōu)良，而且為了滿足井下作業(yè)實(shí)際需求，因此電纜實(shí)際的強(qiáng)度也非常大，完全能夠在井下高溫環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)施工，嚴(yán)格意義來講，這是一種非常特殊的作業(yè)電纜，圖1 所示為潛油電泵電纜的基本電路模型示意圖。

圖1 均勻傳輸線的電路模型

整個(gè)潛油電泵機(jī)組在實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的過程中，電力線纜內(nèi)部會(huì)同時(shí)存在入射波以及反射波，由上述兩種波共同組成了整個(gè)傳輸電纜內(nèi)部的電壓以及電流。以實(shí)際運(yùn)行過程中的電壓電流傳輸情況來看，由入射波以及反射波完成疊加后形成了整個(gè)傳輸電纜中的電壓，而入射波以及反射波在經(jīng)過相減后，最終就能夠形成電流。根據(jù)這種情況就可以非常明確地發(fā)現(xiàn)，如果整個(gè)電纜的長度不斷伸長，在整個(gè)電力線纜中存在形波衍射作用，導(dǎo)致最終輸出的dμ/dt數(shù)值就會(huì)被進(jìn)一步放大。如果充分結(jié)合整個(gè)電力線纜內(nèi)部存在的脈沖電流以及電機(jī)繞組內(nèi)部產(chǎn)生的等效寄生電容出dμ/dt輸出值之間存在的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在電纜內(nèi)部產(chǎn)生的寄生電容等效值與整個(gè)直流母線電壓以及一些電器元件最小導(dǎo)通時(shí)間之間會(huì)呈現(xiàn)出一種正比例關(guān)系。鑒于此，由于在整個(gè)電力線纜中存在寄生電容，導(dǎo)致潛油電泵系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中系統(tǒng)內(nèi)部如果存在形式較高的通斷操作，就會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)脈沖電流的峰值，在這種狀況下，整個(gè)電動(dòng)機(jī)組裝動(dòng)力電纜的絕緣性能就會(huì)在電應(yīng)力的作用下受到嚴(yán)重影響。如果這種電應(yīng)力作用時(shí)間不斷延長，會(huì)使得電力線纜的絕緣層出現(xiàn)更快速的老化，對其實(shí)際絕緣性能也會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，甚至在一些情況下，動(dòng)力電纜的絕緣層被擊穿，而一旦發(fā)生擊穿現(xiàn)象，整個(gè)潛油電泵機(jī)組的使用壽命也會(huì)受到嚴(yán)重影響。

（2）dμ/dt對電機(jī)軸承的影響。處于運(yùn)行過程中，全油電泵機(jī)組內(nèi)部之間的定子轉(zhuǎn)子之間、電機(jī)殼與轉(zhuǎn)子之間都會(huì)出現(xiàn)一定的寄生電容，這樣就會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中形成較大的脈沖電流，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中內(nèi)部產(chǎn)生的寄生電容會(huì)出現(xiàn)累加現(xiàn)象，這樣就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電動(dòng)機(jī)組中的電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓上升。由于這兩種元素的存在，非常容易導(dǎo)致軸承潤滑油膜出現(xiàn)被擊穿現(xiàn)象，在這個(gè)過程中還很可能會(huì)產(chǎn)生電火花，這樣就會(huì)對電機(jī)軸承造成巨大影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐奢S承嚴(yán)重?fù)p壞。

2 輸出諧波對電泵的影響

整個(gè)電泵機(jī)組在實(shí)際進(jìn)行油液舉升的過程中，不斷地輸出諧波會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生巨大熱量，由此就會(huì)產(chǎn)生額外的溫度升高，因此，潛油電泵的電機(jī)通常情況下都會(huì)存在極性降額使用。此外，由于在電動(dòng)機(jī)組運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，這樣就會(huì)對輸出的波形產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)失真現(xiàn)象，電機(jī)在運(yùn)行過程中就會(huì)出現(xiàn)電壓峰值重復(fù)出現(xiàn)現(xiàn)象，對電機(jī)整體絕緣性能產(chǎn)生巨大影響。另外，由于諧波的存在，電機(jī)扭距也會(huì)產(chǎn)生一定的變化，導(dǎo)致電機(jī)的噪音增加。

（1）諧波電流產(chǎn)生的附加銅損。由于在潛油電泵機(jī)組運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，這樣就會(huì)對電機(jī)轉(zhuǎn)子套組產(chǎn)生巨大影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)非常嚴(yán)重的銅損，而如果在這個(gè)過程中同時(shí)考慮集膚效應(yīng)，那么實(shí)際上產(chǎn)生的銅損將會(huì)更加嚴(yán)重。

（2）諧波電流產(chǎn)生的附加鐵損。諧波電流會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)磁場，與普通的電流磁場相比較，諧波電流產(chǎn)生的磁場會(huì)有轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度形成同步，這樣會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷。而隨著諧波磁場實(shí)際產(chǎn)生次數(shù)逐步增加，會(huì)導(dǎo)致其與定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度逐漸趨于一致。而通過兩者之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，如果能夠適當(dāng)?shù)靥嵘{(diào)制頻率，就能夠?qū)崿F(xiàn)對諧波會(huì)造成鐵損的有效控制。正常情況下，都會(huì)將諧波電流對電機(jī)效率的影響定義在1%～3%的范圍內(nèi)。

3 解決措施

（1）用零電壓開關(guān)方法抑制dμ/dt。目前在整個(gè)潛油電泵系統(tǒng)應(yīng)用的變頻器采用的都是硬性的電路開關(guān)，這也就是說，如果電路中的電壓相對比較高，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路系統(tǒng)中相關(guān)功率器件的導(dǎo)通，而當(dāng)整個(gè)潛油電泵機(jī)組內(nèi)部電流處于較大數(shù)值時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)電路的關(guān)斷，針對整個(gè)電路所實(shí)施的開關(guān)操作從本質(zhì)上來講是一種強(qiáng)制的開關(guān)過程。如果電路處于高電壓狀態(tài)的時(shí)候，相關(guān)功率器件的導(dǎo)通導(dǎo)致電路中的dμ/dt輸出值出現(xiàn)比較明顯的增加。針對這種情況，可以通過將整個(gè)系統(tǒng)中全面使用斜坡軟件開關(guān)逆變電路，就可以有效解決這些問題。這主要是因?yàn)?，在這種開關(guān)電路實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)電路中相關(guān)功率元件在實(shí)際導(dǎo)通的過程中，會(huì)完全處于零電壓的狀態(tài)，有效地避免整個(gè)電路出現(xiàn)強(qiáng)制導(dǎo)通現(xiàn)象，也有效地避免了整個(gè)電路在導(dǎo)通過程中出現(xiàn)電壓的劇烈變化，因此，也就能夠?qū)崿F(xiàn)dμ/dt輸出值的有效控制。

（2）改變潛油電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，還可以針對整個(gè)前后電動(dòng)機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化。例如，可以將電機(jī)定子的槽數(shù)、繞組連接方式進(jìn)行進(jìn)一步創(chuàng)新優(yōu)化，改變傳統(tǒng)的星型連接，將星型連接方式與角型連接方式進(jìn)行聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)混合連接，通過這種方式，就能夠在整個(gè)電路中出現(xiàn)的五次、七次諧波進(jìn)行有效消除。

4 結(jié)語

綜上所述，潛油電泵機(jī)組在油田生產(chǎn)開采過程中發(fā)揮出了巨大的作用，但是，傳統(tǒng)采用電動(dòng)的全工頻運(yùn)行工況會(huì)導(dǎo)致其使用壽命嚴(yán)重縮短，甚至?xí)?dǎo)致電纜出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，而將變頻技術(shù)應(yīng)用到潛油電泵系統(tǒng)中，不僅實(shí)現(xiàn)了很好的節(jié)能效果，而且也使得其運(yùn)行狀況得到有效改善，但是，由于潛油電泵變頻系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生諧波等現(xiàn)象，對其系統(tǒng)運(yùn)行造成影響。而通過對潛油電泵系統(tǒng)進(jìn)行一系列的改造升級后，使得系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波有效消除，有效避免了潛油電泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)軸承損傷等現(xiàn)象。