國產石油電器設備與國外電源系統匹配問題

趙曉凱 秦榮貴 汪振坤 張玉華

作者通聯：中國石油渤海鉆探工程有限公司國際工程分公司 天津經濟技術開發區第三大街金融街西區7號樓B門311室 300457

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一、存在的問題

在海外石油鉆修井以及輔助工程技術服務中，國產電器設備多數按照國內380V、50Hz的用電標準配套。委內瑞拉、美國、加拿大等國家電源系統頻率是60Hz，電壓規格分為：①民用及小容量工業用電，電壓標準為208V/120V；②包括鉆井隊在內的中等容量電氣設備用電，電壓標準為460V。一般可通過變壓器進行電壓變換，使變換后的電壓適用于用電設備。但使用變頻器進行頻率變換存在諸多問題，變頻器屬于高端電子設備，價格昂貴、工作可靠性差，而且輸出的波形不是完整的正弦波，波形質量差，對用電設備造成的負面影響較大，因此用變頻器變頻方式使電源頻率和用電設備頻率達到一致顯然不可取。因此，大部分國產電器設備不能直接在60Hz、208V/120V或460V電網中正常工作，應根據設備本身屬性和實際所帶負載性質，采取一定的技術措施，和國外電源系統進行匹配。匹配效果良好的標準是電器設備溫升值在規定范圍、工作電流不超過額定值及所帶負載平穩運轉。

石油鉆修井隊及輔助工程技術服務的電器設備主要分為：①純電阻性負載，如加熱用加熱器、照明用白熾燈等；②感性負載，主要是使用硅鋼片鐵芯和線圈的用電設備，如電機及使用變壓器、電磁線圈的用電設備等。

二、純電阻性負載匹配方案

對于純電阻性負載，P=U2/R（P——功率，U——電壓，R——電阻），因此只需考慮電壓因素即可，頻率對純電阻性負載的影響很小，可以忽略。208V/120V、60Hz用電標準的生活和小容量工業用電電壓較低、電流較大，為減小線路壓降的影響，208V/120V往往提升較高，線電壓可從208V提升到230V，和我國標準相電壓相當。因此220V、50Hz純電阻性負載可直接接到208V/120V線電壓上工作，如非電子控制的電飯鍋、電熱水器、電加熱器、白熾燈泡及碘鎢燈等純電阻性負載。

對于使用開關電源的電器設備則分兩種情況，一種用電設備是寬電壓90～240V、50/60Hz通用的，不需要考慮電壓、頻率與設備匹配問題，直接使用即可，如手機充電器、筆記本電腦等；另一種用電設備是雙電壓，只需要將電壓選擇開關選到相應的電壓級別即可。開關電源對頻率不是很敏感，可忽略影響，如部分臺式電腦。

三、感性負載匹配方案

感性負載是按照工作在50Hz條件下鐵芯趨于磁飽和的臨界點而設計，在60Hz條件下工作時鐵芯就會進入磁飽和區，電流增大，線圈及鐵芯的發熱明顯增加，很容易將線圈燒毀。因此對于感性負載，關鍵問題是解決頻率對用電設備的影響。

1.感性單相負載

對于感性單相負載，電壓問題和上述純電阻性負載類似，因此主要考慮頻率問題。在單相用電器中，控制用電源變壓器、交流接觸器線圈、繼電器線圈等元器件對頻率較敏感。有些電器設備標有50/60Hz字樣，可直接接到60Hz的線電壓上使用。對于只能工作在50Hz下的元器件，則需要將交流接觸器、繼電器的線圈換成60Hz的線圈。應急照明燈、錄音機、復讀機、有源音箱、充電器等內部使用電源變壓器的設備需換成60Hz的電源變壓器。

2.感性三相負載

感性三相負載主要指石油鉆修井現場應用最多的Y系列三相異步電機。國產三相異步電機在60Hz、208V/120V或460V電網使用，電壓和頻率問題均需考慮。

（1）三相異步電機電壓的匹配方案

方案1：對于460V、60Hz用電標準，由電工學公式U=4.44fNΦm（U——電壓，f——頻率，N——線圈匝數，Φm——磁通最大值）和U/f等于恒值的變頻控制理論可知，380V、50Hz三相異步電機在460V、60Hz環境下使用是可行的。對于普通電機，理論上需要考慮電機軸因功率提升，容易引起斷裂的問題。實際上電機生產廠家對于電機軸的扭矩設計有較大的安全系數，經過多年使用，驗證這樣做是完全可行的，未發生過電機軸斷裂問題。如某單位鉆機液壓動力源50Hz電機和封井器遠程控制臺液壓泵50Hz電機直接連接到460V、60Hz電網中連續工作6年未發生故障。

方案2：國產4.5kW以下的三相異步電機，接線方法一般是Y型接法，每相線圈的額定電壓是220V。將這類電機的接線方法改成△型，即可直接接到208/120V、60Hz電源上。某單位使用上述方法改接一臺3.3kW電動打氣泵電機，現場實際運行，電機電流和溫度均沒有明顯升高，連續使用5年未發生故障。

方案3：國產4.5kW以上的三相異步電機，接線方法一般是△型，每相線圈的額定電壓是380V。可以將△接法改接成△△接法（雙三角型接法），使每相線圈的額定電壓變為190V。電機對工作電壓的要求不是很嚴格，電壓波動范圍一般是額定電壓的±10%，因此4.5kW以上小功率國產三相異步電機采用上述接法改接可在60Hz、208/120V電網中使用。某修井作業單位的7.5kW攪拌器電機和封井器遠程控制臺液壓泵15kW電機按照上述辦法改接后，經過測試電流未超過額定電流，溫升也沒有明顯提高，連續工作5年未發生故障。

（2）三相異步電機頻率的匹配方案

電機所帶負載分為離心類負載和非離心類負載，頻率改變對非離心類負載影響不大，在60Hz電網應用主要考慮電壓問題，在此不再多做論述。離心類負載主要分為風機類負載和離心泵類負載。國產50Hz電機在60Hz下使用，由于頻率提高了20%，對應的負載轉速也提高20%，因此離心類負載的排量Q、排出壓力H及電機功率P分別增大了1.2倍、1.44倍和1.728倍（Q、H和P分別與轉速n、n的平方和n的立方成正比）。

對于風機類負載，由于排出壓力增大了1.44倍，風扇扇葉的壓力同樣增大1.44倍，極易造成扇葉折斷，出現散熱器損壞、通風道堵塞以及散熱能力喪失等故障。由于功率增大了1.728倍，電機極易過載而保護或燒毀。因此風機類負載的頻率問題需要特別重視，在60Hz電網中，風機類設備使用前必須采取技術措施。

措施1：若風扇扇葉角度可調整，可將扇葉角度調小一些，然后用鉗形電流表測量電機的工作電流，只要實際工作電流值不超過額定電流值即可正常工作。某單位2006年配套兩套復盛SA-37A螺桿空壓機，風機電機頻繁出現過載保護，調整空壓機散熱風扇角度后經測量電機實際工作電流值低于額定電流值，使用至今未出現故障。

措施2：不能調整扇葉角度的風機只能考慮更換扇葉或電機。離心泵類負載由于轉速升高導致電機功率增大了1.728倍，易造成電機過載而保護或燒毀。通常采取限制排量的措施，先將離心泵的上水口（或出水口）閘門關閉到較小位置，給電機送電運轉離心泵。然后一邊緩慢平穩地開大離心泵的上水口（或出水口）閘門，一邊利用鉗形電流表測量電機工作電流（電流值會隨著閘門逐漸開大而逐漸上升）。當測量的電流上升到電機額定工作電流的90%時鎖定閘門手柄，調整完成可正常使用。某單位EATON剎車循環冷卻水泵電機和F1000泵灌注泵電機按照上述方法調整后，2006年使用至今未出現故障。

另外，需要注意，由于電源頻率升高，交流三相、單相異步電機的銅損、鐵損及發熱量均會增加，但同時電機轉子轉速也會升高，即冷卻效果也會明顯增強。因此，電機溫度并不會因頻率升高而明顯升高，但因電機轉速升高，電機軸承壽命會有所縮短，在實際使用中需要考慮。 W13.02-17