供電質(zhì)量對(duì)潛油電泵工作特性的影響

呂錫雙

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司作業(yè)分公司，黑龍江大慶 163311）

0 引 言

潛油電泵是一種重要的機(jī)械采油設(shè)備，在機(jī)械采油領(lǐng)域一直占有非常重要的地位。由于其自身的特點(diǎn)，近些年來在國(guó)內(nèi)外得到了十分廣泛的應(yīng)用。但是在為其提供的電能質(zhì)量上仍存在一些問題，這些問題亟待解決完善。對(duì)供電系統(tǒng)的不完善性采取必要的措施，人為消除這種不完善性對(duì)潛油電泵系統(tǒng)的影響，是延長(zhǎng)潛油電泵運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，提高其經(jīng)濟(jì)效益的主要措施之一。

供電系統(tǒng)不完善性主要表現(xiàn)為：供電電壓過高或過低、三相電壓不平衡、瞬間電壓波動(dòng)等幾方面［1］。這些都將嚴(yán)重影響潛油電泵的工作特性，使其運(yùn)轉(zhuǎn)壽命縮短。

1 供電電壓過高或過低的影響

在采油工業(yè)生產(chǎn)中，潛油電機(jī)一般所允許的供電電壓偏差值是在電機(jī)額定電壓的10%以內(nèi)，也就是說，潛油電機(jī)在這個(gè)偏差范圍內(nèi)工作，將不會(huì)較大影響電機(jī)的性能而使其運(yùn)轉(zhuǎn)壽命縮短。所以，對(duì)于在一定條件下工作的電機(jī)，這個(gè)額定電壓值將是最佳的電機(jī)工作電壓。電壓偏差將會(huì)引起電機(jī)性能的下降，但不會(huì)太嚴(yán)重。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，功率149kW、額定電壓2 200V、額定電流55A的潛油電機(jī)在不同電壓偏差值程度下的性能指標(biāo)見表1。

表1 電機(jī)性能和電壓值的關(guān)系

從表1中可以看出，供電電壓值在額定電壓±10%的偏差范圍內(nèi)，對(duì)電機(jī)效率的影響很輕微，其功率因數(shù)的下降最大不超過5%，并且效率最多只下降0.7%。所以，電機(jī)在±10%的偏差范圍內(nèi)的任何電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)都不會(huì)嚴(yán)重影響其性能。但是，如果供電電壓偏離額定值超過±10%，電機(jī)運(yùn)行電流將上升，這樣電機(jī)的自身溫升將增大；功率因數(shù)、效率和電機(jī)功率損失也將發(fā)生較大的變化。因此，潛油電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其供電電壓最好在額定電壓值的±10%范圍內(nèi)，這樣可以延長(zhǎng)潛油電機(jī)的使用壽命。如在可能的情況下，最好采用低電壓而不是高電壓［2］。

2 三相電壓不平衡的影響

供電系統(tǒng)三相電壓不平衡對(duì)于旋轉(zhuǎn)電器（如感應(yīng)電機(jī)）是非常有害的。因?yàn)楫?dāng)三相電壓不平衡時(shí)所引起的電流不平衡是電壓不平衡的4～10倍［3］。由于電流在定子線圈中使定子產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而輸出功率。無論是從理論上還是從實(shí)驗(yàn)中都已經(jīng)表明，不平衡電壓和它導(dǎo)致的不平衡電流都能夠在電機(jī)定子內(nèi)形成兩種性質(zhì)完全不同的情況，即各自產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。第一種情況，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是我們所希望的，即電機(jī)轉(zhuǎn)子按正方向轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)輸出能量。在不存在不平衡的情況下，定子線圈中僅僅只存在這一方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并且這時(shí)的電機(jī)效率最高，輸出功率最大。第二種情況，如果出現(xiàn)電壓和電流不平衡的情況，則將產(chǎn)生一部分反方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并且試圖驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，這種現(xiàn)場(chǎng)叫做磁滯作用［4］。從理論上講，它是非常低的，所造成的負(fù)轉(zhuǎn)矩將會(huì)降低所獲得的正轉(zhuǎn)矩，從而降低電機(jī)的輸出功率。

不平衡電壓對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響［5］如圖1所示。

圖1 不平衡電壓影響的轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖中的TB曲線表示了合適的平衡電壓所作的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線，如上所述，不平衡電壓將減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。在圖中正轉(zhuǎn)矩為T＋，由于不平衡電壓導(dǎo)致反方向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩為T-。因此，電壓不平衡所產(chǎn)生的能夠使電機(jī)按所希望的方向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩和（T＋＋T-）為TUB。所以，由于電壓不平衡，而使電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)降低，從而使泵所舉升的液體減少甚至很低。

不平衡電壓的影響關(guān)系見表2。

表2 不平衡電壓的影響 %

表中補(bǔ)充說明了圖1沒有表示到的重要因素。表中的數(shù)據(jù)可以定義如下：

從表2中可以看出，隨著電壓不平衡度的增加，電流不平衡度增加的幅度較大，并且電機(jī)的溫度也隨之增加，電機(jī)的損失也逐漸增加，這對(duì)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命影響就比較大。相平衡對(duì)于確定電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命和效率是很重要的，對(duì)于潛油電泵系統(tǒng)的影響也是很驚人的。所以根據(jù)表2，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，要想達(dá)到最佳的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命和性能，由于電壓不平衡度所引起的電流不平衡度最大不能超過5%。同時(shí)應(yīng)注意，電流不平衡度不僅影響井下電機(jī)，也影響同一系統(tǒng)的電纜和控制部分。

考慮整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，由于電壓不平衡度所引起的每單位產(chǎn)液量的電力費(fèi)用的增加情況［6］如圖2所示。

圖2 電壓不平衡度與運(yùn)作費(fèi)用系數(shù)曲線

3 瞬間電壓波動(dòng)的影響

引起供電系統(tǒng)電壓瞬間波動(dòng)的主要原因有［7］：在供電系統(tǒng)中有功功率較大的設(shè)備突然啟動(dòng)或停止，而造成電壓瞬間上升或下降；另一種情況是其它的電干擾，如雨天雷電就會(huì)引起電壓瞬間波動(dòng)。

由于電壓瞬間波動(dòng)使電機(jī)工作電壓不穩(wěn)定，輸出功率時(shí)大時(shí)小，電機(jī)磁場(chǎng)遭到破壞，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大變化。此外由于電壓波動(dòng)，而引起的電火花也容易使地面設(shè)備發(fā)生故障。嚴(yán)重的瞬間電壓波動(dòng)可以造成潛油電泵系統(tǒng)的一相接地而導(dǎo)致電機(jī)偏載運(yùn)行。從而使電機(jī)處于過載狀態(tài)下運(yùn)行，最終導(dǎo)致電機(jī)絕緣破壞而遭到損壞。

供電瞬間中斷也是影響電機(jī)運(yùn)行壽命的一項(xiàng)重要因素。供電瞬間中斷是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于短路、發(fā)電廠故障等原因造成三相電源中的某一相斷電的現(xiàn)象［8］。

當(dāng)電機(jī)在缺相情況下，且沒有安裝斷相保護(hù)器而運(yùn)行時(shí)，一相線電流為零，另兩相線電流都會(huì)增大到電機(jī)的額定電流的倍，這樣長(zhǎng)時(shí)間缺相運(yùn)行，電機(jī)繞組溫度上升很快，容易燒毀電機(jī)。

4 供電系統(tǒng)不完善性的校正

當(dāng)發(fā)現(xiàn)潛油電泵機(jī)組的供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，必須及時(shí)地針對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行校正完善，去除不穩(wěn)定因素，盡可能地保證機(jī)組在電壓平衡和電壓無波動(dòng)的情況下運(yùn)行，進(jìn)而保證機(jī)組有更長(zhǎng)的使用壽命。

電壓值和電壓不平衡的校正［9］：有效地校正供電系統(tǒng)到一個(gè)合適的電壓值和電壓平衡，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看這將是很合算的。如果校正電壓值和電壓不平衡的控制在供電系統(tǒng)上不能完成，那么就需要考慮一些輔助性的設(shè)備來完成這種校正，如圖3所示。

圖3 電壓值和平衡調(diào)整的控制電路

供電系統(tǒng)通過調(diào)整壓降和一系列易反應(yīng)的元件來調(diào)整電壓值和相電壓的不平衡。此系統(tǒng)表示了通過一個(gè)直流偏離信號(hào)來控制每一個(gè)飽和扼流圈。供電系統(tǒng)的輸出電壓必須比所需要的電壓要高，這樣輸出電壓減去總的壓降后才不低于潛油電泵系統(tǒng)所需要的電壓。

瞬間電壓波動(dòng)的校正：首先，應(yīng)該對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定電源電壓是否波動(dòng)以及波動(dòng)的頻率和范圍；其次，利用避雷器或波動(dòng)電容器對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)；第三，加一些附加設(shè)備及線路進(jìn)行進(jìn)一步的保護(hù)，如穩(wěn)壓電源等。瞬間電壓波動(dòng)保護(hù)線路如圖4所示。

圖4 瞬間電壓波動(dòng)保護(hù)線路圖

圖中是大多數(shù)潛油電泵系統(tǒng)的保護(hù)線路圖，這種線路對(duì)于電纜將提供足夠的保護(hù)。

5 結(jié) 語

1）潛油電機(jī)的供電電壓值在額定電壓±10%的偏差范圍內(nèi)對(duì)其各個(gè)方面的影響都很小，不會(huì)嚴(yán)重影響其性能。但是，如果超過±10%，其運(yùn)行電流、溫升將增大，這樣會(huì)嚴(yán)重破壞電機(jī)的絕緣，進(jìn)而縮短了電機(jī)的運(yùn)行壽命。

2）由電壓不平衡時(shí)所引起的電流不平衡是電壓不平衡的4～10倍，電流磁場(chǎng)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩將會(huì)降低所獲得的正轉(zhuǎn)矩，從而降低電機(jī)的輸出功率。在實(shí)際中，要想達(dá)到最佳電機(jī)性能，電壓不平衡度最大不能超過5%。

3）由于電壓瞬間波動(dòng)使電機(jī)磁場(chǎng)遭到破壞，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大變化，可以造成潛油電泵系統(tǒng)損壞。供電瞬間中斷造成三相電源中的某一相斷電，當(dāng)電機(jī)在缺一相情況下運(yùn)行，電機(jī)繞組溫度上升很快，容易燒毀電機(jī)。

4）必須及時(shí)地對(duì)有故障的供電系統(tǒng)進(jìn)行校正，保證機(jī)組有更長(zhǎng)的使用壽命。也可使用一些輔助性的設(shè)備來完成校正，使?jié)撚碗姳脵C(jī)組在合格的電能質(zhì)量下運(yùn)行。

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