考慮電壓穩定性的油田電機-抽油機啟動特性及失壓脫扣保護研究

時振堂，陳瑤，崔朝麗，陳科成，康忠健

（1.中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116000；2.國網山東省電力公司日照供電公司，山東日照 276826；3.中國石油大學（華東）電氣工程系，山東青島 266580）

考慮電壓穩定性的油田電機-抽油機啟動特性及失壓脫扣保護研究

時振堂1，陳瑤2，崔朝麗3，陳科成2，康忠健3

（1.中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116000；2.國網山東省電力公司日照供電公司，山東日照 276826；3.中國石油大學（華東）電氣工程系，山東青島 266580）

針對油田電網瞬時故障短時電壓跌落引起的電機失壓脫扣甩負荷現象，對考慮電壓穩定性的油田電機-抽油機啟動特性進行了理論分析；建立了符合油田電機-抽油機負荷實際運行特性的電磁暫態仿真模型，對電機-抽油機啟動暫態特性進行了仿真驗證。搭建了某油田下二門電網仿真模型，根據單井電機-抽油機不失穩極限啟動殘壓以及配網機端電壓不失穩極限持續時間對該油田電網制定了合理的考慮電壓穩定性的油田電機-抽油機失壓脫扣保護措施。仿真結果表明，該方法可有效防止電壓瞬時跌落時非失穩電機失壓脫扣甩負荷，并能夠可靠切除失穩堵轉電機。

電壓穩定性；電機-抽油機；啟動特性；失壓脫扣保護

油田配網一般為單向多分支輻射狀網絡，負荷大多為小容量鼠籠式感應電動機帶動抽油機負載。低壓脫扣器作為油田配網低壓電機不可或缺的保護設備，具有失壓、欠壓保護功能，對油田電機-抽油機負荷的安全、可靠運行發揮著重要作用。低壓脫扣動作整定值一般以經驗值0.6～0.7倍額定電壓設定，動作環節一般不設延時[1-3]，當油田電網瞬時故障導致配網短時電壓跌落時，極易引起不必要的大范圍電機脫扣甩負荷現象[4-5]，不但嚴重影響油田配網電壓穩定，而且給油田生產帶來嚴重損失。

為了保證油田生產，穩定配網電壓，既需要防止非失穩電機低壓脫扣甩負荷，還需要可靠切除失穩堵轉電機。因此，不同故障殘壓下油田電機-抽油機啟動特性的研究，切合油田生產現場的低壓脫扣器動作值的整定以及延時值的設定，具有十分重要的科研價值與實用意義。

1 考慮電壓穩定性的電機-抽油機啟動特性

1.1 電機-抽油機正常啟動特性

抽油機負載不同于一般電力負載，其上、下沖程周期性交替，上沖程時，電機帶動抽油機提起抽油桿和油柱，抽油機負載轉矩較大，電機重載運行；下沖程時，抽油機依靠抽油桿和油柱的自身重力就能夠下行，電機一般輕載運行甚至會出現“倒發電”現象。平衡塊作為抽油機的組成部分，在抽油機上、下沖程過程中依靠重力做功，平衡電機出力[6]。油田電機-抽油機運動方程為[7-8]：

Te、Tm均作用在電機轉軸上，前者是作為旋轉動力的電機電磁轉矩，后者是作為旋轉阻力的抽油機負載轉矩。

電磁轉矩與機端電壓U、轉差率S的關系為：

電機啟動時，轉速n=0，轉差率S=1，啟動轉矩Tst滿足Tst＞Tm，由式（1）～式（2）可知，當Te＞Tm時，n升高，系統加速運行，S相應降低，電磁轉矩Te減小；當Te=Tm時，電機平穩運行。由于抽油機負載轉矩的周期性交變特性，使得電機電磁轉矩始終跟隨負載轉矩不斷變化。

1.2 考慮電壓穩定性的電機-抽油機啟動特性

油田配網電壓短時跌落狀態下，電機-抽油機負荷啟動特性可分為不失穩運行與失穩堵轉運行[9]。

1.2.1 不失穩運行

配網殘壓仍高于抽油機堵轉臨界電壓，即電磁轉矩仍能滿足負荷轉矩需求，此時電機不會失穩堵轉，過程分析和電機-抽油機負荷正常啟動特性分析一致。

1.2.2 失穩堵轉運行

由式（2）與式（1）可知，U下降，電磁轉矩降低，若電壓跌落深度較重，而當前抽油機負載轉矩較大，使得Te＜Tm，電機失穩堵轉。由以上小節分析可知，電機-抽油機失穩堵轉運行與油田配網電壓跌落深度和抽油機負載轉矩大小有關。

2 電機-抽油機電磁暫態仿真模型建立

2.1 建立電機-抽油機電磁暫態仿真模型

電機帶動抽油機負載模型結構如圖1所示，電機輸出轉速帶動抽油機運作，抽油機輸出負載轉矩反饋給電機。

圖1 電機-抽油機模型框架結構Fig.1 Frame structure of motor-pumping unit model

考慮油田抽油機負荷實際運行特性，首先根據抽油機實測示功圖曲線、沖程、沖次、平衡塊質量以及平衡塊運動等值半徑等運行參數，建立抽油機負荷仿真模型，模擬抽油機運行過程中周期性交變的負載特性[10-13]。

抽油機懸點初始位置：

抽油機懸點隨時間變化的位移：

抽油機懸點離運動最低點的距離變化：

對式（5）中Sf求導即可得到懸點速度：

抽油機平衡塊做功：

對式（7）WG求導即可得到平衡塊做功功率：

根據式（3）～式（8）建立抽油機負荷模型后，根據功率平衡原理，即抽油機平衡塊功率與懸點載荷功率之和，與電動機輸出功率大小始終相等，計算抽油機負載反饋轉矩，如式（9）所示。

式中：θ0為平衡塊初始角度；Len為沖程；v為電機輸入轉速經抽油機減速箱等變換后的懸點短時速度；Mg為平衡塊重力大小；R為平衡塊旋轉運動半徑長度；F為懸點力；n為電機轉速。

利用式（9）抽油機負載反饋轉矩將抽油機和電機進行關聯，從而得到電機-抽油機負荷電磁暫態模型。

2.2 電機-抽油機電磁暫態模型仿真驗證

搭建電機-抽油機負荷單井仿真測試模型，如圖2所示。

圖2 單井測試模型Fig.2 Single well test model

電機參數配置：功率為37 kW/0.38 kV；電機額定轉速為740 r/min。

抽油機參數配置：抽油機驢頭沖程Len為4.94 m；沖次為4.3次/min；抽油機平衡塊初始角度θ0為30°；平衡塊質量為4.3 t；平衡塊旋轉運動半徑長度R為3 m。

創建可視化變量，對圖2單井模型進行仿真，仿真時間為60 s，觀測對比該電機實測功率與仿真功率結果。

現場采集數據過程中每隔100 ms采集一次電機的功率數據，繪制電機功率曲線圖，如圖3所示。

圖3 電機功率特性實測圖Fig.3 Measured power characteristic diagram of motor

由圖3可看出，抽油機沖次約為4.3次/min；電機功率雙峰明顯且呈周期性變化，最大值約為21 kW，最小值約為-5 kW（功率為負值表示電機處于“倒發電”狀態）。由采集的數據可得電機有功功率均值約為7.87 kW，無功功率均值約為28.75 kvar。

利用單井模型仿真電機輸出功率，如圖4所示。

圖4 電機功率特性仿真圖Fig.4 Simulated power characteristic diagram of motor

由圖4可看知，抽油機沖次約為4.3次/min；電機功率輸出呈正負周期性變化，有明顯雙峰，最大值約為21 kW，最小值約為-8 kW，有明顯的“倒發電”現象。將仿真數據導出計算可得，電機有功功率均值約為8.01 kW，無功功率均值約為29.06 kV·A，仿真結果與實測數據基本一致，證明了建立的油田電機-抽油機負荷模型的正確性。

3 考慮電壓穩定性的電機-抽油機啟動特性仿真驗證

3.1 電壓跌落水平對電機-抽油機啟動影響仿真分析

在單井模型即圖2中添加線路短路故障（取5 s時），在相同的初始負載轉矩下，利用可控故障殘壓仿真分析不同跌落電壓水平對電機啟動的影響。仿真電機堵轉與非堵轉的電磁轉矩、機械轉矩、轉速和機端電壓對比，如圖5所示。

由圖5可知，電機堵轉時，電磁轉矩零附近處于波動的狀態，不足以滿足機械轉矩的需要，電機不能啟動，機端電壓穩定在額定電壓的45%；電機非堵轉狀態時，電磁轉矩經震蕩后與機械轉矩大小相等，此時電機的轉速處于穩定狀態，穩定值約為標幺值1，電機的機端電壓為額定電壓的68%。由圖5得出，電機堵轉與否與配網電壓跌落水平有關，電壓越低，電機越容易失穩堵轉。

3.2 初始負載轉矩對電機-抽油機啟動影響仿真分析

利用圖2中單井模型仿真分析相同電壓跌落水平下，抽油機初始負載轉矩大小對電機啟動影響，電機啟動時刻取5 s，電機堵轉與非堵轉的電磁轉矩、機械轉矩、轉速和機端電壓對比，如圖6所示。

圖5 不同電壓跌落水平對電機-抽油機啟動影響仿真對比圖Fig.5 Simulation comparison chart of different voltage drop effect on motor-pumping unit start-up

圖6 不同初始負載轉矩對電機-抽油機啟動影響仿真對比圖Fig.6 Simulation comparison chart of different initial load torque effect on motor-pumping unit start-up

由圖6可知，相同殘壓水平下，當初始負載轉矩較小時，電磁轉矩經震蕩后大小跟隨機械轉矩變化，轉速逐漸上升至1 pu，電機啟動成功；當初始負載轉矩較大時，電磁轉矩經震蕩后仍無法滿足機械轉矩的需要，電機堵轉。由圖6得出，電機堵轉與否與抽油機初始轉矩有關，初始負載轉矩越大，電機越易失穩堵轉。

4 考慮電壓穩定性的油田電機-抽油機失壓脫扣保護

4.1 配網模型建立

建立某油田下二門實際配電網仿真模型。下二門包括下東線、下北線、下南線等線路，各線路之間聯絡開關開環運行。模型中電源、變壓器模型均采用電磁暫態模型；線路采用PI型集中參數等值；電機-抽油機負荷采用所建立能反映現場實際負荷曲線的電磁暫態模型。圖7為某油田下二門電網模型單線圖。

圖7 某油田下二門配網模型單線圖Fig.7 Single line diagram of Xiaermen distribution network model in an oilfield

4.2 考慮電壓穩定性的電機-抽油機失壓脫扣保護方法

4.2.1 單井電機-抽油機不失穩極限啟動殘壓

油田配網中失壓脫扣動作值需滿足油田電機-抽油機的特殊負荷特性，因此，需仿真電機-抽油機不失穩極限啟動殘壓。

由于電機堵轉與否與初始抽油機負載轉矩大小有關，按照油田電機堵轉最嚴重情況進行仿真分析，即抽油機負載轉矩處于最大值時，添加不同故障殘壓，經過多次仿真實驗，找到某油田下二門配網中電機啟動最小殘壓約為額定電壓的74%。

4.2.2 配網機端電壓不失穩極限持續時間

為避免油田電網瞬時故障配網電壓暫降造成的電機失壓脫扣甩負荷問題，需對低壓脫扣器設定動作延時[13]，并與瞬時故障保護動作時間相配合。瞬時故障保護動作時間包括速斷保護時間、重合閘間隔時間，由于油田電網重合閘恢復供電后，電機群起拉低線路電壓也易引起電機失穩堵轉甩負荷問題，因此低壓脫扣器動作延時時間還需考慮重合閘后機端電壓穩定延時。

以某油田下二門下東線重合閘（5 s時）恢復供電為例，仿真該線路中失穩堵轉與不失穩電機機端電壓變化曲線，如圖8所示。

圖8 下東線重合電機機端電壓仿真圖Fig.8 Simulation diagram of motor terminal voltage when the Xiadong line is re-closed

由圖8可知，恢復供電初，失穩堵轉與不失穩電機機端電壓變化劇烈，最低值均在0.6 pu以下，若低壓脫扣器不設置重合延時，在切除堵轉電機的同時，也會將可重啟成功電機誤切除。由于機端電壓穩定后，堵轉電機機端電壓較低，約為0.433 pu；不失穩電機機端電壓較高，約為0.793 pu。因此，失壓脫扣保護動作需經一定延時，待電機電壓穩定后，再進行保護動作判定。由圖8知，重合延時時間可取25 ms。

4.2.3 考慮電壓穩定性的油田電機-抽油機失壓脫扣保護整定

根據仿真得到的電機-抽油機不失穩極限啟動殘壓與配網機端電壓不失穩極限持續時間，制定考慮電壓穩定性的油田電機-抽油機失壓脫扣保護措施，其保護整定公式為

uset為低壓脫扣器動作整定值；tqb+trc+Δt為低壓脫扣器動作延時時間，三者分別表示速斷保護動作時間、重合閘間隔時間以及重合閘電機機端電壓波動時間，其中Δt=25 ms；urel是電機在最大轉矩條件下的臨界堵轉電壓，約為0.74 pu；Krel為可靠系數；tqb、trc是為防止瞬時故障配網電壓跌落造成低壓脫扣器失壓動作切負荷而設定的延時時間。電機-抽油機不失穩極限啟動殘壓為針對油田配網的低壓脫扣器動作值設定提供了一定依據；仿真得到的重合延時時間Δt是重合閘電壓跌落波動狀態下防止非失穩啟動電機失壓脫扣甩負荷、可靠切除失穩堵轉電機的關鍵。

5 結語

針對油田配網低壓脫扣器動作定值與延時設定缺乏現場依據、使得主網發生瞬時故障時配網短時電壓跌落造成的大范圍電機失壓脫扣甩負荷問題展開了深入研究。為可靠切除失穩堵轉電機，同時防止非失穩電機失壓脫扣甩負荷，建立了油田電機-抽油機電磁暫態仿真模型，仿真分析了配網電壓跌落水平與抽油機初始負載轉矩大小對電機啟動特性的影響，進而根據電機不失穩極限啟動殘壓設置低壓脫扣器動作值，保證了電壓瞬時跌落時可靠切除失穩堵轉電機。根據速斷保護動作時間、重合閘間隔時間以及重合閘電機機端電壓波動時間，設置低壓脫扣器動作延時時間，有效防止了電壓瞬時跌落時非失穩電機失壓脫扣甩負荷。

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Study on Starting Characteristic and Under-Voltage Release Protection of Motor-Pumping Unit in Oilfield Considering Voltage Stability

SHI Zhentang1，CHEN Yao2，CUI Zhaoli3，CHEN Kecheng2，KANG Zhongjian3
（1.Dalian Research Institute of Petrochemical Technology，Dalian 116000，Liaoning，China；2.Rizhao Power Supply Company，State Grid Shandong Electric Power Company，Rizhao 276826，Shandong，China；3.Department of Electrical Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，Shandong，China）

In view of the phenomenon of the under voltage release and load rejection of motors caused by short-time voltage drop in oilfield power system transient fault，this paper firstly analyzes the starting characteristic of oilfield motorpumping unit in theory considering voltage stability，then establishes the electromagnetic transient simulation model of oilfield motor-pumping unit in line with its actual operation characteristics，and verifies the starting characteristic of oilfield motor-pumping unit by transient simulation.In addition，a simulation model of Xiaermen power system of an oilfield is established，and the under voltage release protection measures considering voltage stability are proposed for the power system.The simulation result suggests that the proposed method is able to prevent non unstable motors from losing voltage and rejecting load and cut off unstable locked motors reliably.

voltage stability；motor-pumping unit；starting characteristic；under voltage release protection

1674-3814（2017）07-0013-06

TE933

A

教育部中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（14CX05039A）；國家自然科學基金資助項目（61271001）。

Projec Supported by the Fundamental Research Funds for the Ministry of Education Central Universities（14CX05039A）；National Natural Science Foundation of China（61271001）.

2016-06-11。

時振堂（1970—），男，工程碩士，高級工程師，從事電力技術研究開發工作。

（編輯 董小兵）