李慶福, 史金紅, 周發(fā)學, 朱永慶, 朱長軍, 孔永超, 王飛, 冉洋, 李博

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞721000）

0 引言

電動鉆機鉆井作業(yè)時都是長時間連續(xù)工作，柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)運行時消耗大量柴油，柴油成本非常高并且對環(huán)境污染嚴重。柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)作為鉆機唯一電源，無法完全保證對鉆機的持續(xù)可靠供電。這些年隨著國家對電網(wǎng)的建設(shè)，很多偏遠地區(qū)都已覆蓋工業(yè)高壓電網(wǎng)，通過油田用戶的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)要遠遠低于柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)的運行成本，采用工業(yè)高壓電網(wǎng)為鉆機供電成為優(yōu)先選擇。采用柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)+工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)的冗余供電設(shè)計，將極大提高鉆機供電電源的可靠性。在工業(yè)高壓電網(wǎng)覆蓋的鉆井區(qū)域使用工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)將節(jié)約供電成本，并且比柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)更加可靠和環(huán)保。在特別偏僻沒有工業(yè)高壓電網(wǎng)的鉆井區(qū)域，則采用柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)為鉆機供電，保證鉆機電源的持續(xù)供應。根據(jù)所在鉆井區(qū)域工業(yè)高壓電網(wǎng)建設(shè)情況，靈活選用合適的供電電源為鉆機供電，將大大節(jié)約供電成本、減少環(huán)境污染，提高鉆機供電電源的可靠性。

1 電動鉆機動力系統(tǒng)冗余設(shè)計方案

采用柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)+工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)的冗余供電設(shè)計方案，系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)、工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)、鉆機供電電源互鎖單元組成。柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)與工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)進行電氣互鎖后向電控房提供600 V、3 相、50 Hz 交流電，防止誤操作引起的安全事故。電動鉆機動力系統(tǒng)冗余設(shè)計單線圖如圖1 所示。

1.1 柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)設(shè)計

柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機組、數(shù)字式柴油發(fā)電機組控制柜組成。配置多臺600 V、3 相、50 Hz 柴油發(fā)電機組，每臺柴油發(fā)電機組配置1 臺數(shù)字式柴油發(fā)電機組控制柜。采用一對一控制方式，通過多臺數(shù)字式發(fā)電機組控制柜控制多臺柴油發(fā)電機組并網(wǎng)運行，向電控房內(nèi)交流母排輸出600 V、3 相、50 Hz 交流電。

柴油發(fā)電機組采用600 V、3 相、50 Hz 機組，具有超速、機油油壓低、水溫高等報警保護功能。

圖1 電動鉆機動力系統(tǒng)冗余設(shè)計單線圖

數(shù)字式柴油發(fā)電機組控制柜主要由調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、控制器組成。采用數(shù)字控制技術(shù)，對柴油發(fā)電機組實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。通過數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)控制柴油機轉(zhuǎn)速，保證發(fā)電機輸出恒定頻率。通過調(diào)壓系統(tǒng)確保發(fā)電機輸出穩(wěn)定電壓。通過控制器實現(xiàn)機組的并網(wǎng)和解列?？刂乒窬哂羞^電壓、欠電壓、過頻率、欠頻率、過電流、短路、功率限制等保護功能，保證柴油發(fā)電機組的安全可靠運行，為鉆機提供600 V、3 相、50 Hz 穩(wěn)定的電源，保證鉆機交流用電設(shè)備的安全可靠運行。

1.2 工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)主要由高壓柜、10 kV/600 V節(jié)能變壓器、低壓柜、無功補償及濾波抑制裝置組成，并全部安裝在高壓房內(nèi)，高壓房內(nèi)配置一臺工業(yè)空調(diào)，確保高壓房內(nèi)溫度控制在22～27 ℃以內(nèi)。10 kV 工業(yè)高壓電網(wǎng)接入高壓柜進行用電量的計量與電路保護，高壓柜輸出端接至10 kV/600 V 節(jié)能變壓器原邊，10 kV/600 V 節(jié)能變壓器副邊600 V 接至低壓柜，低壓柜用于實現(xiàn)10 kV/600 V 節(jié)能變壓器副邊的隔離、控制和保護及向電控房內(nèi)交流母排提供600 V、3 相、50 Hz 交流電。電控房內(nèi)的工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)供電進線斷路器與柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)供電進線斷路器進行電氣互鎖，防止誤操作引起的安全事故。

在低壓柜輸出端交流母排接入無功補償及濾波抑制裝置用于對工業(yè)高壓電網(wǎng)進行無功補償及濾除諧波，保證系統(tǒng)功率因數(shù)在0.95 以上及電壓畸變率小于5%，提高電源利用率，減少電網(wǎng)諧波對電器設(shè)備的損害及對通信系統(tǒng)的電磁干擾，避免燒毀電容器設(shè)備，保證電器設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)組成部分概述：

1）高壓柜。高壓柜主要由高壓電網(wǎng)進線斷路器、電壓互感器、電流互感器、避雷器、顯示儀表等電器元件組成，用于用電計量和保護電器元件，實現(xiàn)對10 kV 工業(yè)高壓電網(wǎng)的電氣隔離和通斷。其中斷路器用于控制10 kV 工業(yè)高壓電網(wǎng)的通斷、保護及電氣隔離，電壓互感器和電流互感器用于用電計量，避雷器與大地連接用于當高壓側(cè)電網(wǎng)遭遇雷擊時，將高電壓沖擊電流導入大地，有效保護電力設(shè)備。所選用的電器元件允許最高工作電壓不得低于所在回路的最高運行電壓[1]。高壓電器元件的絕緣水平必須滿足電網(wǎng)實際使用要求。

2）節(jié)能變壓器。采用一臺10 kV/600 V 節(jié)能變壓器，用于將10 kV 工業(yè)高壓電網(wǎng)降壓為600 V，為低壓柜提供穩(wěn)定可靠的600 V 電源。節(jié)能變壓器本身損耗較低、運行噪聲小、空載電流小，有效降低能耗，抗短路能力強[2]，提高電網(wǎng)輸出能力。根據(jù)負載容量合理選擇變壓器容量，以降低變壓器對電網(wǎng)的損耗。

3）低壓柜。低壓柜主要由斷路器、10 kV/600 V 節(jié)能變壓器的控制及保護電路組成，用于實現(xiàn)10 kV/600 V 節(jié)能變壓器副邊的電氣隔離、控制和保護，以及向電控房內(nèi)的交流母排提供600 V、3 相、50 Hz 交流電。低壓配電設(shè)計所選用電器元件應滿足所在回路耐壓等級要求。

4）無功補償及濾波抑制裝置。采用并聯(lián)型有源濾波裝置（APF）用于動態(tài)抑制諧波和無功補償，通過實時監(jiān)測電網(wǎng)中的電流并向電網(wǎng)中注入與諧波電流幅值相等、相位相反的補償電流，主動消除諧波并進行無功補償，使電網(wǎng)電流中只含有基波有功分量，提高電網(wǎng)功率因數(shù)。

采用無功補償及濾波抑制裝置，可提高電網(wǎng)的輸電能力、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、增強電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、降低電網(wǎng)功率損耗，提高供電可靠性和電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)能耗，實現(xiàn)節(jié)能。

1.3 鉆機供電電源互鎖單元設(shè)計

鉆機供電電源互鎖單元主要由工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)供電進線斷路器和柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)供電進線斷路器組成并安裝在電控房內(nèi)，電控房內(nèi)的工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)供電進線斷路器與柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)供電進線斷路器進行電氣互鎖，同一時間只能接通一方斷路器，防止誤操作引起的安全事故，向電控房內(nèi)的交流母排輸出600 V、3 相、50 Hz 交流電。

2 結(jié)語

通過采用柴油發(fā)電機組動力系統(tǒng)+工業(yè)高壓電網(wǎng)動力系統(tǒng)的冗余供電設(shè)計，油田用戶可根據(jù)所在鉆井區(qū)域工業(yè)高壓電網(wǎng)建設(shè)情況，靈活選用合適的動力系統(tǒng)為鉆機供電，兩套動力系統(tǒng)互為備用，一個動力系統(tǒng)故障不影響另一動力系統(tǒng)的正常使用。大大節(jié)約供電運行成本、減少環(huán)境污染、提高鉆機供電電源的可靠性。從而保證對鉆機的持續(xù)供電，減少停鉆時間，保證鉆機安全可靠運行，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。