钻井电网供电可靠性与节能技术研究

董建奇

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江 大庆 163413）

钻井电网供电可靠性与节能技术研究

董建奇

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江 大庆 163413）

根据钻井队现场供电情况，研究应用钻井高压保护技术、大功率电动机软启动技术、动态无功功率补偿技术、变频动力系统调谐滤波技术、远程在线电能状态监测技术，形成一套钻井安全供电技术方案，并提高钻井供电线路带载能力，达到节能降耗目的。

钻井供电质量；无功补偿；钻井泵电机降压启动；电能在线监测

1 背景

大庆油田长垣地区年钻调整井4000余口，主要由大庆钻探工程公司担负。钻机供电方式为电网供电或柴油机供电。随着节能降耗工作的开展，钻机“油改电”的井队不断增加，大庆内部调整井主要依靠电网供电作动力。因此，供电质量安全可靠性对钻井的保障作用日益突出与明显。大庆油田电网密布，钻井线路接入油田35kV高压电网后，经过移动变电站主变压器降压后输出两条6kV供电回路,能够满足6个1000kW负荷的电动化钻机使用。各钻井队并联在同一条供电线路上。

钻井生产情况表明，目前的钻井井场供电存在以下问题：（1）电网局部供电紧张，引起钻井现场供电质量下降。（2）供电设备容量不能充分利用，个别钻井队动用柴油机动力。（3）供电安全可靠性差，造成设备频繁损坏。钻井泵经常因启动中过流，造成钻井线路突然停电，降低设备使用寿命。（4）供电设备自动化程度不高，无电源质量控制措施。变频设备产生大量谐波，造成控制系统失控，设备误动作。（5）供电装备性能落后。高压保护柜中仍使用高压跌落式熔断器、继电器等老式元器件,抗震动性能差，雨雪潮湿天操作危险，经常保护失效，保护越级，从而引起钻井区域大面积停电。（6）钻井队用电不能实现单队计量。目前没有完善的高压计量装置,单队钻井队电费仅凭估算,不利于节能与电费考核。为此，进行技术攻关与改进，解决钻井供电可靠性差与电能浪费大的问题。

2 钻井供电可靠性与节能实施方案

根据大庆油田常见井队的供电配置方式，分别研究各项电能指标的质量控制与节能技术，如钻井单井高压保护与计量技术，无功补偿，钻井泵高压软启动和钻井调谐滤波技术。制造样机，在图1中所示位置处安装，进行单独试验，不断改进，在单井试验中，达到钻井安全供电质量标准；再在临时钻井供电变电站提供的一条线路上所带的7个钻井队，根据每个钻井队现场设备配置情况，配套使用各项供电质量控制技术，现场试验，达到钻井线路供电质量，满足钻井需要。

图1 钻井现场电力供电系统示意图

2.1 钻井单井高压保护与计量技术研究

将过去高压跌落式保险进电改为采用隔离开关进电控制。将YZ202/302系列综合微机保护装置进行应用，它集保护、测量、控制、监测、通信于一体，做为钻井井场6000V供电的主保护，具有过流、速断、短路、断相、接地等保护功能。通过科学合理的整定设置，不但保护可靠灵敏，而且不会频繁动作，不会越级误动作，把故障控制在故障单井，减少线路大面积断电。装置内安装井场监测系统，计量等级为0.5级。

2.2 钻井高压无功补偿技术研究

钻井高压电气系统功率因数补偿，采用高压低补方式，先由6000V/400V，容量为500kVA的电力变压器将6000V变压为400V，然后进行450kvar功率补偿，容性负荷反送电网，抵偿感性负荷产生的无功电流。研制动态无功功率补偿装置，采用大功率可控硅组成的无触点开关，对多级电容器进行快速无过渡投切。自动补偿控制器采用全智能控制，对电网的电压、电流进行采样，然后基于交流采样算法，求得动力系统的无功功率，实现跟踪测量钻井中负荷的功率因数、无功电流，与预先设定的给定值进行比较，并进行补偿容量实时计、投切逻辑快速判断、实时输出投切信号、动态控制投切不同组数的电容器，以保证功率因数始终满足设定要求。提高系统功率因数，补偿容量足够的情况下平均功率因数达到0.9以上，减少无功电流损耗。动态抑制谐波，能够避免谐波产生的谐振，一定程度抑制瞬间电压闪变，运行不会对其他电气设备产生不良影响和干扰。同时，通过LED显示屏完成人机交互，进行控制的参数预置，运行状态显示及异常报警功能。

图1 钻井安全供电节能总体改进方案

2.3 钻井泵高压电机软启动技术研究

驱动钻井泵的YB-630-4型高压三相异步电机（简称电机）参数：功率为1000kW，额定电压为6000V，额定电流为115.2A，频率为50Hz，F级绝缘，转速为1490r/min。通过实测评估及性价比分析认为，基于磁阀式可控电抗器的软起动系统为综合最优选择（图3）。

图2 磁阀式磁控电抗器的二次原理图

高压软起动装置主要由TV柜、电机控制柜、磁阀式软起动柜组成。高压电动机软起动技术主要应用于1000kW/6000V电动机驱动钻井泵系统中。降压启动装置的核心为磁阀式可控电抗器，将其串联接入电动机的定子起动回路，采用低压晶闸管为核心控制器件，通过改变晶闸管的导通角来改变磁阀式可控电抗器铁芯磁阀的磁阻，从而改变电抗器的电抗值，达到平滑调节电抗的目的。起动钻井泵电动机把起动电流由6倍限制到2倍额定电流以内,缓慢安全起动，不冲击电网。起动电流大小可通过人机界面设定并准确锁定。根据钻井泵电机负载特点，起动电流设定为2Ie，起动时间13秒，从而杜绝因钻井泵起动造成过载跳闸停电事故的发生。磁阀式可控电抗器应用于起动回路，其导通及关断，克服了传统晶闸管软起动中耐压受限、容量受限、对波形破坏严重的缺点，尤其适合超高压及超大容量系统，不怕搬迁中震动，免维护，适合钻井队使用。

2.4 钻井现场调谐滤波技术研究

高次谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非线性元件及负载。储能元件或变流装置使电压、电流波形发生畸变。电网中存在大量谐波，造成设备不能正常工作，产生很大危害。钻井调谐滤波技术主要应用于600V变频控制系统。本项目研制的是并联型电流型滤波装置（图3）。APF由IGBT功率模块组成的三相电平逆变器经由连接电抗器并联在电网上。负载电流被采集到APF控制系统中，通过实时控制电路将负载电流中的谐波分量分离出来，运用大容量DSP数字信号处理器，采用PWM最新技术控制IGBT触发，通过调节三电平逆变器交流侧输出电压的相位和幅值，输出与负载谐波电流大小相等，方向相反的电流与系统中的谐波电流互相抵消，实现滤除谐波的功能，保证最终流入系统电流是正弦波。

图3 钻井调谐滤波装置一次系统示意图

2.5 钻井现场电能质量远程监测与计量技术研究

在充分考虑野外钻井工况的情况下，以当代先进的物联网技术、通信技术和信息技术为手段，建立电能质量指标在线实时数据采集、监测、分析一体化软件平台，形成科学化的钻井井场电能质量监测管理模式，为钻井井场电能质量的事中控制提供决策依据，为钻井井场电能质量的事后分析提供手段（图4）。实现了井场电能质量相关指标（三相电流、电压，有功、无功功率，电度，电压电流波形、总谐波（THD）、谐波棒图、三相不平衡，CF因子，K因子等）采集与传输，在后线就可计量与观察井场电能状况。

2.6 一条钻井供电线路上实施配套技术应用情况与效果

根据每个队的设备配置情况，配套使用相关技术。同时，在所有钻井队的高压保护柜上加装电能质量在线监测装置，对高压保护柜处对电压、电流、波形、三相不平衡度等每个队钻井电能质量情况进行重点监测和钻井电能计量考核。通过实施，供电线路电压得到提高，加上远程电能质量在线监测系统的运行，对钻井电力线路运行情况可以实时跟踪，合理调度协调钻井队搭火线入网点，避免了有的线路负荷过少，有的线路负荷超载的情况，这样，一个钻井临时移动变电站过去最多带6个钻井队，现在最多可以带到7个钻井队。

图4 电能监测系统井场示意图

将电能质量控制在标准值内，供电平稳可靠，杜绝了钻井线路突然断电。电控系统改进7支钻井队，加装的电能质量控制设备多为免维护运行，自动化程度高，满足了钻井供电要求。投入使用后，效果良好，安全节能，保障电网供电可靠性，确保钻井人员操作安全，提高钻井生产效率，获得良好的经济效益。7个钻井队进行了项目应用，3年共产生经济效益4136万元。

3 结语

综上所述，电力电子新技术在钻井现场配套应用，形成适合于油田钻井的供电安全控制与节能技术，使钻井现场供电质量达到国家电网要求标准，节能降耗，安全环保，减少电气设备的误动作与损坏，确保钻井生产的顺利进行，收到显著经济与社会效益。

[1]靳龙章．丁毓山．电网无功补偿实用技术[M].中国水利水电出版社，2008，10.

[2]刘利军．节电技术及其工程应用[M].中国电力出版社，2012，1.

[3]蔡中勤，周苏荃，刘明基．电网保护[M].北京：机械工业出版社，2010，1.

[4] 高压静止无功补偿装置，中华人民共和国电力行业标准，2007-03-01实施.

TM73

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1671-0711（2017）07（上）-0195-03