潛油電泵變頻調速系統問題分析及優化

唐穎

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江 大慶 163311）

潛油電泵在油田生產開采過程中的應用可以將其機組直接下入井中來進行原油舉升，通常情況下，潛油電泵入井深度都處于1～2.5km 范圍，通過扁平電纜深入到井下為整個舉升系統提供電能，但需要注意的是，在潛油電泵的運行過程中要充分保證其運行環境溫度處于120℃以下。電動機在供電后就會帶動多級離心泵進行高速旋轉，這樣就會對油液形成多級的增壓，這樣就能夠將其有效舉升到地面。傳統潛油電泵系統運行過程中采取的都是全工頻運行狀態，保質期機組啟動過程中產生的巨大沖擊對潛油電泵自身使用壽命造成嚴重影響，對整個油田的生產開采也會造成一定程度的制約，而且還會形成嚴重的能源浪費現象。隨著近幾年變頻技術的快速發展，在潛油電泵系統中潛油電泵技術的普及應用，使整個機組效果得到有效的提升。但是，變頻技術在給潛油電泵機組帶來節能、提產等一系列貢獻的同時，也對前有電泵的運行造成了一定的負面影響。但是，變頻系統在運行過程中會產生一定的高次諧波電壓和電流，由此就增加了電機的損耗，另外，變頻機組在運行過程中還會產生電磁波，這樣就會對周圍環境中的電氣設備造成干擾。因此，在實際的前有電泵機組運行的過程中，如果與之相對應的功率的電器元件的開關在導通的時候，就會產生一個脈沖電流序列，而這個脈沖序列與C (dμ/dt)是成正比關系的，這樣改脈沖電流序列就會對潛油電泵變頻器形成一定的影響，使得變頻器在運行過程中的工況出現惡化，使得電機的性能出現下降，對潛油電泵機組的運行造成負面的影響。

1 輸出du／dt對電泵機組的影響

普通電壓變頻器在實際輸出電壓的過程中通常情況下會產生幅度較大的電壓跳變，例如，在一些情況下電壓在輸出的時候，相電壓產生跳變大的幅度能夠與直流電母線電壓保持數值相等，在這種情況下，在整個系統中一些逆變器相關的功率元件實際執行開關操作的時候速度會非常快，也就是說，在其執行開關操作的過程中du／dt的數值相對比較大。如果這一比值處于過大的狀態，就會導致整個電泵機組系統中的各個主要部件的絕緣性能以及系統內部軸承的使用壽命會遭受巨大的影響，在整個潛油電泵機組中，由于在各個線路中存在大量的分布電感以及分布電容，因此就會在整個電動機組中出現巨大的波反射效應，而通過波反射效應的作用最終會導致du／dt的數值進一步被放大。在整個電動機組的電機端子位置，du／dt的數值放大后甚至能超過一倍多。

（1）行波衍射原理以及其對絕緣的影響。與潛油電泵機組整體相配套使用的輸電電纜其絕緣性能非常優良，而且為了滿足井下作業實際需求，因此電纜實際的強度也非常大，完全能夠在井下高溫環境下進行作業施工，嚴格意義來講，這是一種非常特殊的作業電纜，圖1 所示為潛油電泵電纜的基本電路模型示意圖。

圖1 均勻傳輸線的電路模型

整個潛油電泵機組在實際進行生產作業的過程中，電力線纜內部會同時存在入射波以及反射波，由上述兩種波共同組成了整個傳輸電纜內部的電壓以及電流。以實際運行過程中的電壓電流傳輸情況來看，由入射波以及反射波完成疊加后形成了整個傳輸電纜中的電壓，而入射波以及反射波在經過相減后，最終就能夠形成電流。根據這種情況就可以非常明確地發現，如果整個電纜的長度不斷伸長，在整個電力線纜中存在形波衍射作用，導致最終輸出的dμ/dt數值就會被進一步放大。如果充分結合整個電力線纜內部存在的脈沖電流以及電機繞組內部產生的等效寄生電容出dμ/dt輸出值之間存在的關系可以發現，在電纜內部產生的寄生電容等效值與整個直流母線電壓以及一些電器元件最小導通時間之間會呈現出一種正比例關系。鑒于此，由于在整個電力線纜中存在寄生電容，導致潛油電泵系統在實際運行過程中系統內部如果存在形式較高的通斷操作，就會導致在整個系統內部出現脈沖電流的峰值，在這種狀況下，整個電動機組裝動力電纜的絕緣性能就會在電應力的作用下受到嚴重影響。如果這種電應力作用時間不斷延長，會使得電力線纜的絕緣層出現更快速的老化，對其實際絕緣性能也會產生巨大的影響，甚至在一些情況下，動力電纜的絕緣層被擊穿，而一旦發生擊穿現象，整個潛油電泵機組的使用壽命也會受到嚴重影響。

（2）dμ/dt對電機軸承的影響。處于運行過程中，全油電泵機組內部之間的定子轉子之間、電機殼與轉子之間都會出現一定的寄生電容，這樣就會在整個系統中形成較大的脈沖電流，當系統在運行過程中內部產生的寄生電容會出現累加現象，這樣就會導致整個電動機組中的電機轉子電壓上升。由于這兩種元素的存在，非常容易導致軸承潤滑油膜出現被擊穿現象，在這個過程中還很可能會產生電火花，這樣就會對電機軸承造成巨大影響，嚴重時甚至會造成軸承嚴重損壞。

2 輸出諧波對電泵的影響

整個電泵機組在實際進行油液舉升的過程中，不斷地輸出諧波會導致其產生巨大熱量，由此就會產生額外的溫度升高，因此，潛油電泵的電機通常情況下都會存在極性降額使用。此外，由于在電動機組運行過程中會產生諧波，這樣就會對輸出的波形產生一定的影響，導致其出現失真現象，電機在運行過程中就會出現電壓峰值重復出現現象，對電機整體絕緣性能產生巨大影響。另外，由于諧波的存在，電機扭距也會產生一定的變化，導致電機的噪音增加。

（1）諧波電流產生的附加銅損。由于在潛油電泵機組運行過程中會產生大量的諧波電流，這樣就會對電機轉子套組產生巨大影響，導致其出現非常嚴重的銅損，而如果在這個過程中同時考慮集膚效應，那么實際上產生的銅損將會更加嚴重。

（2）諧波電流產生的附加鐵損。諧波電流會導致系統中出現磁場，與普通的電流磁場相比較，諧波電流產生的磁場會有轉子的旋轉速度形成同步，這樣會進一步導致電機轉子鐵芯出現嚴重的損傷。而隨著諧波磁場實際產生次數逐步增加，會導致其與定轉子旋轉速度逐漸趨于一致。而通過兩者之間的關系可以發現，如果能夠適當地提升調制頻率，就能夠實現對諧波會造成鐵損的有效控制。正常情況下，都會將諧波電流對電機效率的影響定義在1%～3%的范圍內。

3 解決措施

（1）用零電壓開關方法抑制dμ/dt。目前在整個潛油電泵系統應用的變頻器采用的都是硬性的電路開關，這也就是說，如果電路中的電壓相對比較高，可以實現整個電路系統中相關功率器件的導通，而當整個潛油電泵機組內部電流處于較大數值時，就能夠實現整個電路的關斷，針對整個電路所實施的開關操作從本質上來講是一種強制的開關過程。如果電路處于高電壓狀態的時候，相關功率器件的導通導致電路中的dμ/dt輸出值出現比較明顯的增加。針對這種情況，可以通過將整個系統中全面使用斜坡軟件開關逆變電路，就可以有效解決這些問題。這主要是因為，在這種開關電路實際應用過程中，當電路中相關功率元件在實際導通的過程中，會完全處于零電壓的狀態，有效地避免整個電路出現強制導通現象，也有效地避免了整個電路在導通過程中出現電壓的劇烈變化，因此，也就能夠實現dμ/dt輸出值的有效控制。

（2）改變潛油電機的內部結構。此外，還可以針對整個前后電動機組的結構進行不斷優化。例如，可以將電機定子的槽數、繞組連接方式進行進一步創新優化，改變傳統的星型連接，將星型連接方式與角型連接方式進行聯合使用，實現混合連接，通過這種方式，就能夠在整個電路中出現的五次、七次諧波進行有效消除。

4 結語

綜上所述，潛油電泵機組在油田生產開采過程中發揮出了巨大的作用，但是，傳統采用電動的全工頻運行工況會導致其使用壽命嚴重縮短，甚至會導致電纜出現擊穿現象，而將變頻技術應用到潛油電泵系統中，不僅實現了很好的節能效果，而且也使得其運行狀況得到有效改善，但是，由于潛油電泵變頻系統會產生諧波等現象，對其系統運行造成影響。而通過對潛油電泵系統進行一系列的改造升級后，使得系統中產生的諧波有效消除，有效避免了潛油電泵系統在運行過程中出現軸承損傷等現象。