井下电潜泵组启动远距离传输可靠性实验及结果分析

引言

随着我国对海上石油资源的不断开采,对更深、更难以勘探油藏的不断探求,我们对海洋石油工业水平的要求也愈来愈高。随着对海洋石油勘探开采水平的要求不断提升,在海上平台潜油电泵使用中,经常遇到长电缆传输的情况,以中海油公司在海上流花作业区的采油平台LH16-2、LH20-2、LH21-2为例,其应用的电缆长度分别为27km、15km和5km(表1),驱动潜油电泵的变频器为高压脉冲输出。变频器与电动机之间连接的电缆过长时,由于电缆分布电感和线间分布电容的影响,传输效果会有一定的折扣,且当线间分布电容与电动机的漏磁电感接近谐振点时,电动机的输入侧电压会提高,电动机的使用寿命会大打折扣。文章将详细列出电缆长电缆传输时可能对电机造成的各种不利影响,并通过对现场实验结果进行分析,简述长电缆传输对电机造成的实际影响。

1中压变频器长距离送电出现的问题及实验方案

中压变频器通过长电缆驱动井下机组,主要出现的问题在于:(1)启动:长电缆造成电机阻抗分量低,导致电潜泵启动扭矩低,启动困难:(2)长距离变频控制要求:对变频器的电压动态补偿性能提出更高的要求:(3)谐波过电压:长电缆对谐波反射产生放大效应,会在末端引起两倍的过电压。

为了通过实验验证中压变频器长电缆送电出现的问题,制定了如下实验方案:采用3.3kV电压等级电潜泵变频控制系统:变频器输入0.38kV、输出0~3.3kV、额定输出电流90A,并加装滤波器降低输出电压谐波:选用540系列潜油电机(BM540sT/100HP/1450V/44A/120@60Hz)。

可预期达到的实验目的有:

(1)验证长电缆拖带电机情况下,变频器电缆压降动态补偿功能:

(2)验证长电缆变频驱动时,长电缆对变频控制系统及电机负载特性的影响,评估长电缆变频驱动电机的影响。

2实验过程

2.1电机启动

接入不同长度电缆(0km、约5km、约10km、约15km、约20km、约30km,根据实际测量结果调整测试距离)。从30%额定排量向上按照20%步长进行机组负载调节直至100%额定排量。在变频器启井过程中,长距离电缆的感抗特性表现尤为突出,根据负载情况调整启动频率和力矩补偿,使启动电流控制在额定电流范围内,并防止电机端过压。

2.2正常运行

接入不同长度电缆(0km、约5km、约10km、约15km、约20km、约30km,根据实际测量结果调整测试距离)。从30%额定排量向上按照20%步长进行机组负载调节直至100%额定排量,变频器输出频率以5Hz的步长从30~60Hz连续调节。变频器需根据系统电压损耗自动进行电压补偿防止过欠压。

3测试结果

3.1电缆动压补偿

通过实验完成了电缆压降实时监测及变频器动态补偿功能:重载情况下(电流为53.93A),变频器端电压为3345.8V,电机端电压为1586.4V。轻载情况下(电流为40.07A),变频器端电压为2906.2V,电机端电压为1601.9V。变频器可跟随不同负载电缆压降进行有效补偿(图1)。

3.2谐波反射

由于谐波反射,电机端谐波含量升高并产生尖峰电压,变频器输出谐波含量越高尖峰值也越高(图2),需要有效控制变频器输出谐波。

4结语

本文说明了现代海洋石油工业遇到的长电缆传输工况,详细列出了中压变频器长距离送电出现的问题及实验方案,并基于现场实验过程及现场测试结果,提出了电缆动压补偿和谐波反射两个长电缆传输过程中亟待解决的问题。