施耐德ATV71对潜油泵驱动系统性能的提升

前  言 

潜油电泵采油作为一种大排量、高效率、扬程高、管理方便的机械采油方式，在油田得到了广泛的应用。可广泛用于停喷后的高产油井、含水井、深井及定向井中，是油田实现高产稳产的重要手段。和其它深井泵相比，电潜泵的最大优点是排量大，日产液可达3000m³/d以上，是目前深井泵中排量最大的。因此，特别适合高含水油田藉提高采液量来保证其采油量。潜油电泵的另一优点是地面配套设备简单，占地面积小，且适用于斜井和水平井。对于海上油田而言，由于其投资大，必然要求高产量以维持其经营状况及尽快收回成本。由于电潜泵具有的排量大，适用于斜井和水平井，地面配套设备比较简单，电驱动容易实现等显著优点，因此，利用电潜泵采油成为海上采油的主要手段之一。如渤海石油所属采油井就主要使用电潜泵采油。

一般标准的潜油电泵系统由七个基本部分组成，即：潜油电机、保护器、分离器、潜油离心泵、动力电缆、控制屏和变压器。与其配套的有电缆护罩、单流阀、泄油阀、扶正器和井下压力传感器等。其示意图如下：

1－电动潜油离心泵2－保护器3－多级离心泵4－油管5－电缆6－变频器器系统7－控制台8－电缆滚筒9－导向轮

工频下，潜油电泵系统工作在一恒定转速，潜油泵的排量是通过阀门来人工调节，这样就必然增加管路损失，并且调节范围也不大。可是在某些特殊情况下，如油井参数不明确，或是油井在产液过程中，排量下降很快，等等，就需要潜油电泵的排量、扬程可调。否则就必须更换整套的潜油电泵机组，但是其高昂的反复作业费用让许多人望而却步。在潜油电泵系统中加入变频装置，不需更换机组，就可以调整排量、扬程。虽然变频器的费用也很高，但却可以节省许多作业费用，也是相当经济的。

1、变频器的主要功能 

潜油电泵变频器主要采用变频器配矢量电流控制卡，完成电动机调速、转矩电流测量及控制功能。PLC 控制及保护单元组成保护控制单元，负责系统对电泵机组的保护控制，主要功能包括软起动、稳压保护、软失速等。

1.1、软起动功能 

变频器在工作状态下，在起动时间内平稳起动电机，在整个软起动过程中，不存在工频起动电机时的大电流、高电压冲击现象，从而有效保护井下电机和电缆。在工频起动潜油电机时，瞬间的冲击电流一般为电机额定电流的5～8 倍，对井下机组、电缆的冲击损坏非常大，极易造成机组、电缆故障。

1.2、稳压保护功能 

电泵井的泵位普遍较深，动力电缆较长，通常能达到2000～3000m，线路压降较大。在工频工作状态下，瞬间的电网电压升高会引起井下电机过励磁，导致电机过热;电网电压压瞬间向下波动时，由于电机励磁电压不够，转矩电流上升，同样会引起电机过热，加之井下情况复杂、高温、高压，极易烧坏电机和导致机械故障。安装变频器后，可自动控制输向电机的端电压。如发生过电压时，变频器可自动进行稳压处理;当发生欠电压时，变频器可自动降频，始终能保持电机工作在正常电压励磁状态，从而减少井下机组的故障次数。

1.3、欠载保护功能 

当工频生产，电泵井供液不足时，电泵会出现欠载停井，而频繁欠载停井，极易烧坏电机。采用变频控制系统后，当发生过励磁时，变频器可自动降低输出电压，使电机保持在合适的电压下工作。

1.4、过载保护功能 

当井下电泵发生卡泵时，工频供电会瞬时加大电机转矩电流，如不能解卡，则可能导致电机故障。而变频器控制电泵生产时，变频器的软失速功能可以控制机组转矩不超过额定水平，并且可以在变频器上进行反转电机操作，反转吐砂，保证电泵机组正常运转。

1.5、控制功能 

通过PLC 采集变频器的输出电流，估算电泵井的液面，然后调节变频器的输出频率，从而控制电机转速、电泵排量，达到正常生产，节约能源的目的。

2、变频器对潜油电泵的影响 

变频器在节能、提高产品质量与自动化程度方而都具有优势，但对潜油电泵也有负而影响。为此研究潜油电泵的变频调速问题，优化设计变频调速系统，扩大变频器在油田采油上的应用有着重大的意义。 

目前变频器广泛采用的是高频脉冲宽度调整技术(PWM)。随着电力电子器件技术的快速发展，器件的工作频率越来越高，因此PWM 变频器的输出电压在很短时间内快速上升、下降，即存在很高的du/dt。当其用在长距离供电工况时潜油电泵一般深度在1000～3000m，长线电缆存在分布电感和分布电容，当电缆的波阻抗与负载电动机的等效阻抗不匹配时，将产生电压行波反射现象，在电缆及电动机端产生过电压，造成电缆及电动机的绝缘击穿或烧毁。同时，PWM 变频器的输出存在着很高的共模电压，使电机轴承产生电流，造成电机轴承的损坏。         

3潜油电泵的变频器应用方案 

由于变频器产生的波反射过电压及轴承电流问题将对输电电缆、油泵电机等造成破坏，增大了潜油电泵机组的故障率，既影响了生产，也增加了维护成木。因此必须合理地选择变频器输出低通滤波器，可以有效地改善变频器的输出电压波形，从而抑制波反射过电压及轴承电流的产生，保证潜油电泵机组的正常运行；另一方面，输出低通滤波器可以有效地滤除变频器输出中的高次谐波成分，减轻高次谐波电流在输电电缆及油泵电机绕组中的发热效应，降低电缆及电机的温升，有效地延长潜油电泵机组的使用寿命。 

当前潜油电泵用变频器主要是中压变频器，但其高昂的价格和较高的故障率抑制了变频器在潜油电泵井上的应用，而且变频器的输出与电机之间无法隔离，在超长电缆输电下各种选件只可能降低变频器驱动的影响，因此我们在某海油钻采公司的潜油电泵变频器应用方案中选用了施耐德公司的低压变频器ATV71 和其内置控制卡，系统方案如下：

在该方案中在变频器的前端加装无源滤波器，该滤波器与ATV71内置直流电抗器一起使用，可能将总的谐波失真系数小于5%，保证了石油平台上其他用电设备的正常工作，另外当变频器的负载较轻时无功功率增大了。可以按下图接线以减小无功功率。

在变频器的后侧加装正弦滤波器，可以保证变频器输出波形的正弦化，然后通过变压器的隔离、升压输送到潜油电泵。在该方案中我们应用了变频器的功能，而通过滤波、变压器等元件去除了变频器驱动的两大天生缺陷，另外采用更加成熟的低压变频器，保证了系统的可靠性。在实际的应用中也体现了该方案的优点，降低了油田的大量维护费用。

4结论

潜油电泵采油在我国海油钻采上应用十分广泛，应用变频器驱动可以延长电泵井的检泵周期、提高生产时率和节约大量电能。但目前主要的中压变频器制约了其的广泛应用，我们根据某海油钻采公司的实际需要，提出了低压变频器的应用方案，经过实际的应用取得了同样的效果，而且降低了系统的故障率，取得了较好的经济效益。