電動鉆機動力系統冗余設計

李慶福, 史金紅, 周發學, 朱永慶, 朱長軍, 孔永超, 王飛, 冉洋, 李博

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞721000）

0 引言

電動鉆機鉆井作業時都是長時間連續工作，柴油發電機組動力系統運行時消耗大量柴油，柴油成本非常高并且對環境污染嚴重。柴油發電機組動力系統作為鉆機唯一電源，無法完全保證對鉆機的持續可靠供電。這些年隨著國家對電網的建設，很多偏遠地區都已覆蓋工業高壓電網，通過油田用戶的數據統計，工業高壓電網動力系統要遠遠低于柴油發電機組動力系統的運行成本，采用工業高壓電網為鉆機供電成為優先選擇。采用柴油發電機組動力系統+工業高壓電網動力系統的冗余供電設計，將極大提高鉆機供電電源的可靠性。在工業高壓電網覆蓋的鉆井區域使用工業高壓電網動力系統將節約供電成本，并且比柴油發電機組動力系統更加可靠和環保。在特別偏僻沒有工業高壓電網的鉆井區域，則采用柴油發電機組動力系統為鉆機供電，保證鉆機電源的持續供應。根據所在鉆井區域工業高壓電網建設情況，靈活選用合適的供電電源為鉆機供電，將大大節約供電成本、減少環境污染，提高鉆機供電電源的可靠性。

1 電動鉆機動力系統冗余設計方案

采用柴油發電機組動力系統+工業高壓電網動力系統的冗余供電設計方案，系統主要由柴油發電機組動力系統、工業高壓電網動力系統、鉆機供電電源互鎖單元組成。柴油發電機組動力系統與工業高壓電網動力系統進行電氣互鎖后向電控房提供600 V、3 相、50 Hz 交流電，防止誤操作引起的安全事故。電動鉆機動力系統冗余設計單線圖如圖1 所示。

1.1 柴油發電機組動力系統設計

柴油發電機組動力系統主要由柴油發電機組、數字式柴油發電機組控制柜組成。配置多臺600 V、3 相、50 Hz 柴油發電機組，每臺柴油發電機組配置1 臺數字式柴油發電機組控制柜。采用一對一控制方式，通過多臺數字式發電機組控制柜控制多臺柴油發電機組并網運行，向電控房內交流母排輸出600 V、3 相、50 Hz 交流電。

柴油發電機組采用600 V、3 相、50 Hz 機組，具有超速、機油油壓低、水溫高等報警保護功能。

圖1 電動鉆機動力系統冗余設計單線圖

數字式柴油發電機組控制柜主要由調速系統、調壓系統、控制器組成。采用數字控制技術，對柴油發電機組實現閉環調節。通過數字調速系統控制柴油機轉速，保證發電機輸出恒定頻率。通過調壓系統確保發電機輸出穩定電壓。通過控制器實現機組的并網和解列。控制柜具有過電壓、欠電壓、過頻率、欠頻率、過電流、短路、功率限制等保護功能，保證柴油發電機組的安全可靠運行，為鉆機提供600 V、3 相、50 Hz 穩定的電源，保證鉆機交流用電設備的安全可靠運行。

1.2 工業高壓電網動力系統設計

工業高壓電網動力系統主要由高壓柜、10 kV/600 V節能變壓器、低壓柜、無功補償及濾波抑制裝置組成，并全部安裝在高壓房內，高壓房內配置一臺工業空調，確保高壓房內溫度控制在22～27 ℃以內。10 kV 工業高壓電網接入高壓柜進行用電量的計量與電路保護，高壓柜輸出端接至10 kV/600 V 節能變壓器原邊，10 kV/600 V 節能變壓器副邊600 V 接至低壓柜，低壓柜用于實現10 kV/600 V 節能變壓器副邊的隔離、控制和保護及向電控房內交流母排提供600 V、3 相、50 Hz 交流電。電控房內的工業高壓電網動力系統供電進線斷路器與柴油發電機組動力系統供電進線斷路器進行電氣互鎖，防止誤操作引起的安全事故。

在低壓柜輸出端交流母排接入無功補償及濾波抑制裝置用于對工業高壓電網進行無功補償及濾除諧波，保證系統功率因數在0.95 以上及電壓畸變率小于5%，提高電源利用率，減少電網諧波對電器設備的損害及對通信系統的電磁干擾，避免燒毀電容器設備，保證電器設備安全穩定運行。

工業高壓電網動力系統組成部分概述：

1）高壓柜。高壓柜主要由高壓電網進線斷路器、電壓互感器、電流互感器、避雷器、顯示儀表等電器元件組成，用于用電計量和保護電器元件，實現對10 kV 工業高壓電網的電氣隔離和通斷。其中斷路器用于控制10 kV 工業高壓電網的通斷、保護及電氣隔離，電壓互感器和電流互感器用于用電計量，避雷器與大地連接用于當高壓側電網遭遇雷擊時，將高電壓沖擊電流導入大地，有效保護電力設備。所選用的電器元件允許最高工作電壓不得低于所在回路的最高運行電壓[1]。高壓電器元件的絕緣水平必須滿足電網實際使用要求。

2）節能變壓器。采用一臺10 kV/600 V 節能變壓器，用于將10 kV 工業高壓電網降壓為600 V，為低壓柜提供穩定可靠的600 V 電源。節能變壓器本身損耗較低、運行噪聲小、空載電流小，有效降低能耗，抗短路能力強[2]，提高電網輸出能力。根據負載容量合理選擇變壓器容量，以降低變壓器對電網的損耗。

3）低壓柜。低壓柜主要由斷路器、10 kV/600 V 節能變壓器的控制及保護電路組成，用于實現10 kV/600 V 節能變壓器副邊的電氣隔離、控制和保護，以及向電控房內的交流母排提供600 V、3 相、50 Hz 交流電。低壓配電設計所選用電器元件應滿足所在回路耐壓等級要求。

4）無功補償及濾波抑制裝置。采用并聯型有源濾波裝置（APF）用于動態抑制諧波和無功補償，通過實時監測電網中的電流并向電網中注入與諧波電流幅值相等、相位相反的補償電流，主動消除諧波并進行無功補償，使電網電流中只含有基波有功分量，提高電網功率因數。

采用無功補償及濾波抑制裝置，可提高電網的輸電能力、穩定電網電壓、增強電網運行穩定性、降低電網功率損耗，提高供電可靠性和電能質量，降低電網能耗，實現節能。

1.3 鉆機供電電源互鎖單元設計

鉆機供電電源互鎖單元主要由工業高壓電網動力系統供電進線斷路器和柴油發電機組動力系統供電進線斷路器組成并安裝在電控房內，電控房內的工業高壓電網動力系統供電進線斷路器與柴油發電機組動力系統供電進線斷路器進行電氣互鎖，同一時間只能接通一方斷路器，防止誤操作引起的安全事故，向電控房內的交流母排輸出600 V、3 相、50 Hz 交流電。

2 結語

通過采用柴油發電機組動力系統+工業高壓電網動力系統的冗余供電設計，油田用戶可根據所在鉆井區域工業高壓電網建設情況，靈活選用合適的動力系統為鉆機供電，兩套動力系統互為備用，一個動力系統故障不影響另一動力系統的正常使用。大大節約供電運行成本、減少環境污染、提高鉆機供電電源的可靠性。從而保證對鉆機的持續供電，減少停鉆時間，保證鉆機安全可靠運行，創造良好的經濟效益。