全压启动异步电动机在机械油改电上的应用

常娟红，桑峰军，王文军

（1.西安宝美电气工业有限公司，陕西西安 710065；2.中石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳 457001）

1 引言

油改电是指采用网电代替柴油机发电或驱动负荷。机械钻机油改电是将提供动力的柴油机组换成电动化动力机组，达到为钻机提供动力的目的。目前在石油钻机领域，油改电项目被广泛推广，这使得原本不是很宽裕的电网加大了负荷，冲击较大的启动电机在日益紧张的电网应用中相对较困难。鉴于此有必要开发出启动电流较小的大功率全压启动异步电动机。

2 机械钻机油改电主要方案

目前该类钻机在用的油改电项目根据动力机组配置和控制方式的不同主要分为以下几种方案。

（1）方案1

动力机组采用不可调速的中高压异步电机+偶合器，电机起动采用水电阻或中压电子软启动装置，动力机组采用偶合器调速；

（2）方案2

动力机组采用不可调速的660V异步电机+液力调速偶合器，电机启动采用690V电子软启动装置，动力机组采用偶合器调速；

（3）方案3

动力机组采用660V变频调速电机直接输出或配置减速箱，电机启动和调速采用变频器控制。

3 方案优缺点比较

油田区域的电网电压等级一般有35kV、10kV或6kV，其中除油田内网，其它均为10kV或6kV。

如果采用与油田区域电压等级相同的电机，则可不配置变配电系统，基于此形成上述方案1。该方案的优点是高压电缆电流小，铺设电缆较细，无变配电系统，成本较低；但由于电机电压较高，井场基本敷设高压电缆，因此安全因素要求较高，同时高压电机启动操作对电气人员的操作资质有较高要求。

方案2和方案3为了满足电机电压要求，均需增加1套独立的中压变低压的变配电系统（简称高压房）将油田区域的电压改变成需要的电压，相对方案1虽然成本有所增加，但是只要高压房容量设计足够，就可使用在电动钻机的油改电项目上，搭配灵活，应用广泛。同时方案2的操作简单，对于电气操作人员要求较低，井场内除高压入线，其它均为常规低压电缆，敷设安全要求较低，但是起动电流与方案1一样，至少在2倍额定电流以上，对电网有一定的冲击。

方案3启动电机时没有冲击电流，同时可以有很宽的调速范围，可满足多种工况的要求，应用效果佳，但技术难度较大，需要对变频系统较为熟悉的电气操作人员，电气人员的专业水平要求较高，同时造价高，成本回收时间较长。

方案1和方案2在各地使用的过程中发现，为了考虑启动冲击时的余量，供电局变电站到设备的架空线需要较粗，且上级变电站需要考虑较大备用容量，否则许多地区尽管电网覆盖，但因电网容量较小、周边区域使用网电作为动力的钻井队较多、架空线传输距离长或线较细时常出现以下问题：

（1）电机起动时电网容量不足，导致电机启动频繁失败，需要等待不确定的时机才能成功，不可控因素影响使用，节能效果达不到预计状态；

（2）负载加重需要增加另一台电机时，需要先停止正在进行的钻井工艺，卸掉运行电机的负荷，使第一台电机处于空载状态才能启动另一电机，影响钻井进程；

（3）电网容量够钻井使用，但考虑到启动容量，无法实施油改电，造成直接经济损失。

为了解决上述问题，让更多油田在油改电中受益，本文设计出了一种更适合现在油田电网情况的新设备——全压启动异步电动机。

4 全压启动异步电动机技术描述

4.1 基本原理

全压启动异步电动机的基本原理是：启动时绕组星三角混接，运行时绕组星接，所以启动电流很小，一般不超过额定电流的1.0倍，启动和运行后的绕组分别如图1和图2所示。

4.2 基本参数

额定功率：1000kW；

额定电压：660V；

额定电流：980A；

额定转速：1492rpm；

额定效率：96%；

全压起动电流：<1000A；

起动至运行切换电流：<600A；

防护等级：IP54；

图3 全压启动异步电动机外形

通风方式：IC411；

绝缘等级：H。

4.3 基本结构

全压异步电动机的外形与其它异步电动机基本一致，不同的是电机顶部增加了电机操作监视箱（如图3所示），电机的启动和切换控制均安装在电机操作监视箱中，操作在电机操作监视箱完成，无需其它连线。

5 现场应用

试制的2台1000kW全压启动异步电机，于2012年11月和12月起分别在东北和四川地区的5000m机械钻机油改电项目中得到了使用，两台电机在2013年4月完成现场试验，除了个别器件由于不抗震动损坏的问题，其它运转正常。起动性能曲线如图4所示。

在现场试验时发现了一些问题，钻井过程中电机震动较大，操作监视箱内的电气元件受到震动易发生损坏。

针对上述问题，有两种改造方案，具体实施方法和注意事项如下：

（1）在现场允许的条件下，将需要的电气元件安装在电控房内，增加操作台安装在电机周围合适位置，这样虽增加了电缆和操作台，但由于电控房平稳，振动小，不会出现器件损坏；

图4 全压启动异步电动机启动曲线

（2）器件安装位置不变，仅将易损器件换成抗震度级别更高的，同时改变工艺结构，将硬连接改成软连接。

6 结束语

根据全压启动电机的实际运行情况，电机及其控制系统具有以下特点和优势：

（1）启动电流比所有软起方案（变频方案除外）都小，最大不超过1.0倍的额定电流，对电网和机械冲击小，可延长设备使用寿命，且启动过程中电网电压基本无较大波动性，可减少电网容量相对偏小对油改电应用的限制；

（2）比变频方案成本低，且维护简单；

（3）外围控制回路简单，搬家拆接线方便快捷。

因此，全压启动电机在机械钻机油改电项目中，将会以其操作维护简单、性价比高、优异的启动性能等众多优点被用户接受，值得推广。

［1］李继志，陈荣振.石油钻采机械概论［M］.中国石油大学出版社.

［2］李发海，王 岩.电机与拖动基础［M］.北京：清华大学出版社.

［3］董云飞，戴树涛.钻机网电拖动技术改造的方案［J］.石油矿场机械，2008，（13）.