潜油电泵启动及电压暂降分析及优化方案

引言

21世纪以来,潜油电泵作为机械采油设备在油田得到了大量的推广应用,其由于具有排量大、扬程高、操作简单、对油井产量递减适应性强等特点,多用于高产稠油井,很快成为油田高产、稳产的重要手段之一o但潜油电泵、电机、线缆均在高温高压的地下环境工作,停机再次启动时,容易发生卡泵、绝缘击穿和电机烧毁等问题。出现故障就需要将所有井下设备提出地面进行维修,成本高昂;仅潜油电泵停机时,从停机到发现时间较长,会造成较大的产量损失[1—3]。

当电力系统负荷发生较大变动或相间短路时,会导致供电系统产生谐波,造成电压波动甚至停电,俗称晃电。潜油电泵在电压波动时仍在运转,工作电压降到主控元件临界值之下,保护控制仪等主控元件已不能正常运作,导致潜油电泵停机,真空交流接触器在分断过程中产生较大过电压会对电机和线缆绝缘造成损伤,特别是对于长时间运行绝缘老化的电泵机组,可能会导致相间绝缘或对地绝缘击穿,损坏设备[4—6],再次启动时,存在断轴风险;保护器二次呼吸也会缩短系统寿命。所以,解决潜油电泵受晃电谐波冲击问题具有重要的现实意义。

1西北油田潜油电泵谐波研究

本文采集了西北油田5口潜油电泵井运行状态下的谐波产生情况,5口潜油电泵井基本生产参数如表1所示。

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量[7]。5口潜油电泵谐波分布如图1所示,可以看到电泵运行在30 Hz以下时,谐波总含量在50%以上,频率越高谐波总含量越低,主要谐波次数为5、7、11、13、17、19次。

不论是电压谐波还是电流谐波,不论频率高低,都具有一个主频率的波形轮廓,它包含了许多高次谐波,作为一种行波经多次反射,幅值叠加可达工作电压数倍,电缆越长,幅值越高,若电缆绝缘安全系数不高,可能被击穿。

2电机定子绕组电压分析

2.1正常运行时潜油电机定子绕组上的电压

正常运行时,作用于潜油电机定子绕组上的电压由以下几种电压叠加而成:

1)基波电压U1:例如TH12464运行电压232.79 V,畸变率2.6%,刨去电压2.6%畸变率,得到基波电压

226.7 V;

2)谐波电压UX:例如TH12464运行电压232.79 V,畸变率2.6%,得到谐波电压6.1 V;

3)共模电压UG:变频器输出电压存在共模电压,变频器输出的电压不能像三相正弦交流电那样,任何时候相量相加为零;

4)电缆、电源、电机参数不对称形成的中性点不平衡电压值U:

正常运行过程中,现场实测潜油电机中性点电压值在101~110 V之间,即:

2.2启动过程中潜油电机定子绕组上的电压

启动过程中,作用于潜油电机定子绕组上的电压与运行过程中潜油电机定子绕组上的电压种类是一致的,但是赋值不同,以谐波电压为例,分析如下。

2.2.1 ICM系统谐波电压

ICM(变频器—长电缆—潜油电机)系统模型如图2所示,潜油电机与潜油电缆波阻抗不一致,易造成阻抗畸变处过电压损坏。

2.2.2启动过程中转速与排量、扬程和功率的关系启动过程中,主要是对电机转速进行控制,电机

转速与排量、扬程和功率的关系如下:排量正比于转速:

3潜油电泵机组启动及电压暂降优化治理方案

3.1潜油电泵机组启动过程的电压控制

从前述讨论可知,U1、UX、UG和UB多种电压经波的反射、折射、叠加过程之后,形成多种电压联合作用于潜油电泵机组对地绝缘系统,构成危害,尤其是在高频谐波流过时,将使电缆发热。高频谐波电流流过金属导体时还会发生集肤效应,使等效导通面积减小,引起电缆过热以及绝缘老化加快[8]。

因此,为确保潜油电泵机组安全,常规方案是从以下4个方面着手:

1)增大绝缘厚度,提高绝缘耐电压能力,同时选用绝缘性能较好的材料。电缆绝缘厚度可遵循对应电压等级的规定,若适当加厚,当然更为可靠,这对变频电缆更为有利。对于潜油电机与潜油电缆波阻抗不一致造成的波阻抗畸变处,即潜油电机与潜油电缆连接处,过电压预防措施是加强此部分绝缘,避免损坏。

2)导体外增加半导电层,以均化电场,减少尖端放电。导体在加工过程中可能会在表面产生缺陷(如毛刺),导体外没有半导电层,则在缺陷处产生电场畸变,容易发生击穿破坏绝缘。而施加半导电层后,由于半导电层的存在,导体表面电场得到均化,可有效避免绝缘击穿。

3)电缆采用对称结构,以达到均化电场和各相均衡的目的。

4)在ICM系统中的变频器输出端加入RLC滤波器。措施1)和措施4)具有可操作性强的特点,措施

1)不存在理论推导过程,下面对措施4)进行重点讨论。在ICM系统中的变频器输出端加入RLC滤波器,系统模型如图3所示。

图3中,在变频器输出端加入RLC滤波器的目的是减少PWM输出脉冲电压的du/dt,降低PWM输出脉冲电压的陡度,从而抑制潜油电机端电压及高频振荡。通过戴维南定理将图3中的变频器和RLC滤波器统一成一个电压源和内阻抗,得到图4所示等效电路。

3.2潜油电泵机组电压暂降控制方案

根据现场用户提供的资料,西北油田电泵井低压侧采用交流400 V供电,通过各种变送器和逆变装置给各负载提供电源,负载功率100 kW,现场需要在外部电源出现异常(电压暂降1~2 s)时,负载能有1~2 s的穿越时间。DVR是一种电压源型电力电子装置,DVR设备主要由储能单元、功率单元、晶闸管电源切换单元、旁路单元组成,串接于电源和重要敏感负荷之间,原理图如图5所示。

装置有两种工作状态,分别是正常工作状态和晃电工作状态。

1)正常情况:电源通过“实心”箭头通路由公共电网向负载供电,DVR设备会持续监测输入侧电源电压。

2)晃电情况:一旦发现供电电压扰动,DVR会立即在<1 ms的时间内,通过功率单元逆变输出一个标准的补偿电压注入系统,同时切断电源侧非正常供电,从而保证负荷侧供电电压稳定,根本上消除了电压暂降、暂升、短时中断等问题对用户敏感负荷造成的影响。

下面分析其工作原理,分三种情况进行介绍:

1)装置工作在待机状态(外部电源电压稳定)。

如图6所示,当供电系统电压正常时,负载通过晶闸管直接供电,功率单元为储能单元充电,充电完成后,系统处于热备状态,随时应对电网侧电压扰动。

2)装置工作在电压补偿状态(外部电源电压扰动)。

如图7所示,当供电系统的电压幅值波动超过设定限值时(可根据用户要求进行设定),储能单元超级电容经过功率单元逆变向负载供电,同时晶闸管强迫关断。

3)装置检修。

如图8所示,DVR旁路开关采用高品质断路器,配备完善的自动电动分合闸功能,当装置需要检修时,可一键切换至旁路运行,断开进线、出线开关,装置被隔离于系统外,负载由外部系统供电,实现负载设备不断电情况下对DVR设备进行检修。待维护完成后可一键重新启动,无缝切换。目前此类装置已经在浙江油田集输气站得到应用,效果良好。

4结论

1)潜油电泵运行频率越低,谐波总含量越高。当运行频率在30 Hz之下时,谐波总含量在50%之上,主要谐波次数为5、7、11、13、17、19次。

2)潜油电泵机组实际运行中,其中性点电压值不等于0,总会有电压畸变谐波产生;经过一次潜油电泵启动过程,潜油电机及潜油电缆绝缘电阻均会有所降低。

3)在ICM系统中的变频器输出端加入RLC滤波器,降低PWM输出脉冲电压的陡度,从而抑制潜油电机端电压及高频振荡。DVR电压源型电力电子装置通过超级电容可有效补偿电力系统晃电,保障机组平稳运行;供电系统正常不采用DVR设备和DVR系统需要停机检修时,均可安全平稳切换。