晃电对潜油电泵运行的影响及对策

黄新+马波+张恒群+徐立民+苏杰+袁训彬+陈国堂

摘要当电力系统发生相间短路、雷击或大负荷投切等均会造成供电系统电压发生波动或停电，也就是通常所说的晃电。晃电的持续时间很短，却可能造成潜油电泵机组的停机，严重影响原油生产甚至造成机组故障无法再次启动。本文通过对潜油电泵控制柜原理及主要器件的模拟晃电实验找到了造成潜油电泵机组晃电停机的主要原因，并根据潜油电泵的停机滑行时间以及晃电幅度的大小，利用正序电压的大小进行晃电保护，既可以有效地解决潜油电泵因晃电造成的意外停机，又可以避免因晃电故障解除，大批潜油电泵同时启机对电网造成的冲击。

关键词潜油电泵；晃电；保护

潜油电泵具有排量大，操作维护简单等优点，在油田的原油生产中发挥着重要作用。但是潜油电泵不同于其他地面采油设备，潜油电机、电泵都在井下，停机后受油井出砂、单流阀闭合不严等影响会出现沙卡、电机反转等现象，再次启动时容易发生卡泵、断轴、烧毁电机等事故，一旦出现故障就需要提出全部管柱进行作业修理，费用非常高，还会严重影响原油产量。即使仅仅造成电泵停机，从发现停机到恢复生产也需要较长的时间，同样会造成产量损失。晃电是造成潜油电泵意外停机的主要原因之一，一次晃电可能造成几十上百口潜油电泵停机，严重影响油田的原油生产。

1晃电对潜油电泵的影响

当电力系统发生相间短路、雷击或大负荷投切等均会造成供电系统电压发生波动或停电，也就是通常所说的晃电。当晃电发生时潜油电泵由于惯性和残压的存在可能仍在运转，但是由于电压瞬时下降到了主控元件工作临界值以下，保护控制仪和真空接触器已经不能正常工作导致潜油电泵停机。由此带来的不仅是产量的损失，更为严重的是真空交流接触器在分断过程中产生的3～4倍的操作过电压对电机主绝缘及纵绝缘的损伤，特别是对运行时间较长绝缘已经相对老化的电机可能会造成相间、匝间和对地绝缘的击穿导致电机损坏；再次启动不仅增加了沙卡、断轴的危险，还会使保护器因二次呼吸进井液提前失效而缩短电机的使用寿命。所以解决潜油电泵因晃电停机的问题具有非常重要的现实意义。

从潜油电泵控制柜原理图可以看出潜油电机主要受保护控制仪SB2-1000和真空接触器M的控制。晃电如果达到潜油电泵保护控制仪和真空接触器的正常工作临界值就会造成潜油电泵停机，通过模拟实验可以找到以上两种主控元件保持正常工作的临界值。

通过真空接触器和保护控制仪的模拟晃电实验可以看出，在晃电电压跌落到40%以下，跌落时间超过200ms后两个器件均可能断开，晃电的持续时间95%以上都在1s之内，当电力系统发生相间短路或接地短路时控制回路电压甚至可能跌落到0，这种晃电如果时间和幅度达到临界值时就会造成潜油电泵因晃电而停机，影响原油生产甚至造成机组损坏的重大损失。

2对策

要使潜油电泵在晃电时不停机，可在110V控制回路接入储能电源，在系统发生晃电时能够保证潜油电泵保护控制仪以及真空接触器能够正常工作。为保证数据传输时间和保护余量要求，储能电源设计掉电保持时间5s。在掉电保持时间内，如果潜油电泵机组未装单流阀或是单流阀失效关闭不严，在停电或电压过低时电泵可能会发生反转，此种情况下电压忽然恢复正常，大批电机将会同时启动，对电网造成冲击很大；部分电机将会由反转直接启动，容易出现过载无法启动、严重时会造成电机电泵断轴等事故，所以要求电泵在停转后不允许自动重启。因此在考虑晃电不停机的同时还要考虑晃电解除后已经停转的潜油电泵不能同时启动的问题，这就需要知道电泵的停电滑行时间，根据电泵的停电滑行时间来进行晃电保护，因为电泵的停电滑行时间和晃电时残压有关，潜油电泵的停电滑行时间可以通过潜油电泵停电滑行测试仪直接测量，晃电时残压可以通过三相电压耦合模块和保护控制仪采集测量，并根据电压的大小进行晃电保护，从而保证电泵在停转后能够直接断开真空接触器，拒绝再启动。

要完成以上功能需要对原有控制柜进行晃电改造，改造主要需要用到储能电源、具有晃电保护功能的潜油电泵保护控制仪，三相电压耦合模块，改造原理如图3所示。

改造原理：改造主要由3部分组成。1）在保护控制仪前加装储能电源。2）将原有SB2-1000保护控制仪更换成具有防晃电保护功能的OSPC-Ⅳ型保护控制仪。3）加装三相电压采集模块。其中储能电源为不间断电源，同时给保护控制仪、和真空接触器线圈ZC1供电，当晃电发生时能保证保护控制仪和真空接觸器5s内不断开。真空接触器的吸合、断开以及电泵所需各种保护功能由保护控制仪OSPC-Ⅳ完成。

因为晃电原因的不同会造成三相电压的不平衡，此时不应以其中的某一相电压来判断晃电，而应以主导电机运行的正序电压进行判断，其中正序电压的计算如下：

Ua、Ub、Uc为三相相电压。v+为正序电压。

因为在缺相条件下正序电压为额定电压的一半，电机仍可以维持运转，只是电流增加到原来的1.732倍，所以在正序电压大于0.5Un/1.732时电机不会停转，此时保护控制仪不需要进行保护；只有当正序电压小于0.5Un/1.732（Un为额定线电压）才可能造成电泵停转，因此可以以正序电压小于0.5Un/1.732为门槛值进行晃电延时保护，晃电延时保护时间由保护控制仪根据晃电时的残压以及电机的停电滑行时间计算得出，残压越大延时时间越长。潜油电泵停电滑行时间可以通过潜油电泵停机滑行测试仪测出。

潜油电泵保护控制仪的保护动作为：晃电延时时间内故障消失，保护解除，计晃电保护一次；超过该时间，保护仪保护停机，报晃电停机。

3验证和结论

根据上述理论设计了相应的储能电源、具有晃电保护功能的潜油电泵保护控制仪，三相电压耦合模块，并进行了模拟实验。如表1、表2所示。

4结论

通过上面实验可以看出改造后的控制柜具有了防晃电的功能，在设定时间范围内，做到了晃电不停机，超出延时时间，马上停机，可以有效解决潜油电泵因晃电造成的意外停机，又可以避免因晃电解除后大批潜油电泵同时启机对电网造成的冲击。该改造方案已经在某油田实验改造了25口潜油电泵井，成果得到了实际应用，解决了潜油电泵因晃电停机的问题。