论文部分内容阅读
【摘 要】针对钻井泵高压电动机启动电流大，易因为启动过载引起钻井供电线路临时变电站频繁跳闸，同线路其它钻井队故障停电，研制降压软启动装置，使高压电动机启动运行安全可靠。
【关键词】高压软启动技术；钻井生产；应用
引言：
大庆油田电网覆盖范围广泛，钻井动力多为网电供电。过去，大庆油田配套钻机多为钻深1500m的ZJ15型钻机，采用780kW高压电动机驱动钻井泥浆泵，目前为了适应形势需要，多配套钻深3000m的ZJ30型钻机，于是配置钻井泵功率加大，改为1000kW高压电动机驱动。该电机起动电流很大，甚至高达800A，经常在启动时，造成线路过载，顶跳钻井线路临时变电站跳闸保护装置，造成线路停电。因此，降低钻井泵电机的启动电流，提高钻井线路供电的安全可靠性，具有重要意义。
由工业电网提供钻井动力的供电方式是：6kV网电经分相搭火连接到高压保护柜，经高压保护柜输入高压电缆分接箱，再分成两路，一路到井场1600kVA配电变压器，经变压器降压后输出600V接入VFD房，给绞车、转盘、MCC供电。另一路直接接到井场高压配电柜，控制高压电动机启停与运行，再经液力偶合器减速驱动钻井泵机组（详见图1）。
1.高压软启动技术应用的必要性
结合钻井施工条件，大庆油田的钻机网电拖动方案是，35kV网电经两组刀闸，一组多油断路器连接到移动变电站6300kVA的主变压器、经降压到6kV后至进线开关柜、出线柜输出两条6kV电线路，组成钻井专线，每条长度在5km范围内，供6-7部网电钻机使用（详见图3）。
钻井泵高压电动机的技术数据是： YB-630-4型高压防爆型三相异步电动机，功率1000kW，额定电压6000V，额定电流115.2A，频率50Hz，F级绝缘等级，转速1490转/分。
正常情况下，三相异步电动机的启动电流为6～7倍额定电流，所以目前，均采用直接启动方式，该带泵电动机启动电流在300A～800A范围内。如果线路供电负荷小，即带井队数量较少时，钻井泵起动造成影响还不大，一旦带井队数量多时，因为线路压降增大，启动电流会造成供电线路临时变跳闸。一条临时变线路要带6～7个钻井队，同线路上其它钻井队，在没有准备的情况下突然掉电，造成设备故障率增加，如击穿变频器控制板或逆变元件，烧坏转盘与绞车电动机等。突然停电，还会造成操作人员危险，起动过程不安全，甚至还会造成钻井卡钻等井底事故的发生。而供电可靠性是衡量供电质量的重要指标之一。一般规定：10kV供电系统，年停电次数不应超过3次。为此，需要改进启动方式，将直接启动变为降压启动，从而提高钻井线路供电质量。
2.方案研究设计
三相异步电动机的降压启动方式很多，主要有：Y—△转换启动法、自耦变压器启动法、串联电抗器启动法、延边三角形启动法、高压晶闸管软启动、开关变压器启动、磁控软启动、磁阀式可控电抗器高压固态软启动。通过可靠性、性价比、起动曲线、起动次数、起动电流可调范围、安全稳定性、适用范围、功率大小、维护简单方便性、寿命长短、耐用性、维护修理成本等多种性能进行对比，最后选定采用磁阀式可控电抗器高压固态软启动技术进行应用。
磁阀式可控电抗器是高压固态磁控软起动的核心部件， 其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。现以单相电抗器为例说明，其接线原理如图5所示。
电抗器铁心由两个并联的工作主铁心柱及交流旁路铁心组成， 主铁心柱上分别对称地绕有匝数为 的两个线圈。每柱的绕组有抽头比为 的抽头，它们之间接有可控硅、，不同铁心的上下两个主绕组交叉连接，续流二极管 则横跨在交叉端点上，绕组另一端并联相接后接至电源。
当电抗器绕组接至电源电压时， 在可控硅 、 两端感应出5% 左右电源电压的电压。在回路中产生直流控制电流，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，使电抗器工作铁心饱和，从而实现电抗值的连续可调。磁控电抗器输出电流大小取决于电抗器的两端电压及晶闸管的控制角度，控制角越小，产生的控制电流越强，电抗器工作铁心磁饱和程度越高，输出电流也越大。
3.现場应用情况
研制了一台高压软启动装置，已经在10517队投入使用，运行效果很好，深受井队欢迎。该装置主要由电压互感器PT柜，电机控制柜，磁阀式软起动柜，总进线柜组成。高压电动机启动接线方式如图7：
泵电动机，把起动电流限制到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2 ，起动时间13秒。启动曲线见图9。
星点柜短接靠检测电流实现，当起动电流降至1.1 时，PLC发出短接信号，星点柜合闸，短接时无二次电流冲击。整个起动过程，机组加速平稳。可控硅、二极管等电力电子器件接在低压二次回路，且无需串联和并联，只需要象普通变压器一样，解决好可控电抗器的绝缘问题即可保证整机的安全性，技术处理相对简单，安全性高。
该软启动装置以西门子PLC作为控制器，应用FPGA高性能大规模集成芯片作为脉冲功率放大和国外品牌触摸屏作为人机界面，操作、调试方便；控制系统具备与上位机的通信功能，可记录和显示起动曲线，具有开关变位信息记录功能、故障记录和显示功能。该装置电抗器电抗值调节范围宽，起动电流可以在1.5 —4.0 倍范围内任意设定，起动电流曲线可以根据需要设定为爬坡方式、恒流方式，并精确锁定控制，起动电流谐波很小，具备软停止功能。采用专利六柱一体化结构和磁屏蔽设计，噪音水平低，漏磁很小。磁阀式可控电抗器本体采用真空浸渍工艺制造，干式敞开结构，具有电压分布均匀，散热好、机械强度高、防潮、防腐蚀，使用寿命长等优点。
4.结论
高压软启动技术的应用，杜绝了钻井临时变电站过载跳闸事故的发生，使钻井供电线路供电安全可靠，取得良好的社会效益与经济效益，具备以下优点：
（1）整个起动过程，机组加速平稳，无起动大电流冲击，电网供电平稳。
（2）安全性高。可控硅、二极管等电力电子器件接在低压二次回路，寿命长。
（3）起动电流不受环境温度的影响，无论在任何状况下，起动电流均能保持设定值。
（4）起动成功率高，没有出现过起动失败的现象。
（5）免维护、占地小、不怕震动，使用寿命长。
所以，该高压设备大功率软启动技术，适宜在启动电流很大的高压三相大功率电动机设备启动中大力推广与应用。
参考文献：
[1]王宪.高压运行电工技术问答.化学工业出版社，2010-1
【关键词】高压软启动技术；钻井生产；应用
引言：
大庆油田电网覆盖范围广泛，钻井动力多为网电供电。过去，大庆油田配套钻机多为钻深1500m的ZJ15型钻机，采用780kW高压电动机驱动钻井泥浆泵，目前为了适应形势需要，多配套钻深3000m的ZJ30型钻机，于是配置钻井泵功率加大，改为1000kW高压电动机驱动。该电机起动电流很大，甚至高达800A，经常在启动时，造成线路过载，顶跳钻井线路临时变电站跳闸保护装置，造成线路停电。因此，降低钻井泵电机的启动电流，提高钻井线路供电的安全可靠性，具有重要意义。
由工业电网提供钻井动力的供电方式是：6kV网电经分相搭火连接到高压保护柜，经高压保护柜输入高压电缆分接箱，再分成两路，一路到井场1600kVA配电变压器，经变压器降压后输出600V接入VFD房，给绞车、转盘、MCC供电。另一路直接接到井场高压配电柜，控制高压电动机启停与运行，再经液力偶合器减速驱动钻井泵机组（详见图1）。
1.高压软启动技术应用的必要性
结合钻井施工条件，大庆油田的钻机网电拖动方案是，35kV网电经两组刀闸，一组多油断路器连接到移动变电站6300kVA的主变压器、经降压到6kV后至进线开关柜、出线柜输出两条6kV电线路，组成钻井专线，每条长度在5km范围内，供6-7部网电钻机使用（详见图3）。
钻井泵高压电动机的技术数据是： YB-630-4型高压防爆型三相异步电动机，功率1000kW，额定电压6000V，额定电流115.2A，频率50Hz，F级绝缘等级，转速1490转/分。
正常情况下，三相异步电动机的启动电流为6～7倍额定电流，所以目前，均采用直接启动方式，该带泵电动机启动电流在300A～800A范围内。如果线路供电负荷小，即带井队数量较少时，钻井泵起动造成影响还不大，一旦带井队数量多时，因为线路压降增大，启动电流会造成供电线路临时变跳闸。一条临时变线路要带6～7个钻井队，同线路上其它钻井队，在没有准备的情况下突然掉电，造成设备故障率增加，如击穿变频器控制板或逆变元件，烧坏转盘与绞车电动机等。突然停电，还会造成操作人员危险，起动过程不安全，甚至还会造成钻井卡钻等井底事故的发生。而供电可靠性是衡量供电质量的重要指标之一。一般规定：10kV供电系统，年停电次数不应超过3次。为此，需要改进启动方式，将直接启动变为降压启动，从而提高钻井线路供电质量。
2.方案研究设计
三相异步电动机的降压启动方式很多，主要有：Y—△转换启动法、自耦变压器启动法、串联电抗器启动法、延边三角形启动法、高压晶闸管软启动、开关变压器启动、磁控软启动、磁阀式可控电抗器高压固态软启动。通过可靠性、性价比、起动曲线、起动次数、起动电流可调范围、安全稳定性、适用范围、功率大小、维护简单方便性、寿命长短、耐用性、维护修理成本等多种性能进行对比，最后选定采用磁阀式可控电抗器高压固态软启动技术进行应用。
磁阀式可控电抗器是高压固态磁控软起动的核心部件， 其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。现以单相电抗器为例说明，其接线原理如图5所示。
电抗器铁心由两个并联的工作主铁心柱及交流旁路铁心组成， 主铁心柱上分别对称地绕有匝数为 的两个线圈。每柱的绕组有抽头比为 的抽头，它们之间接有可控硅、，不同铁心的上下两个主绕组交叉连接，续流二极管 则横跨在交叉端点上，绕组另一端并联相接后接至电源。
当电抗器绕组接至电源电压时， 在可控硅 、 两端感应出5% 左右电源电压的电压。在回路中产生直流控制电流，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，使电抗器工作铁心饱和，从而实现电抗值的连续可调。磁控电抗器输出电流大小取决于电抗器的两端电压及晶闸管的控制角度，控制角越小，产生的控制电流越强，电抗器工作铁心磁饱和程度越高，输出电流也越大。
3.现場应用情况
研制了一台高压软启动装置，已经在10517队投入使用，运行效果很好，深受井队欢迎。该装置主要由电压互感器PT柜，电机控制柜，磁阀式软起动柜，总进线柜组成。高压电动机启动接线方式如图7：
泵电动机，把起动电流限制到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2 ，起动时间13秒。启动曲线见图9。
星点柜短接靠检测电流实现，当起动电流降至1.1 时，PLC发出短接信号，星点柜合闸，短接时无二次电流冲击。整个起动过程，机组加速平稳。可控硅、二极管等电力电子器件接在低压二次回路，且无需串联和并联，只需要象普通变压器一样，解决好可控电抗器的绝缘问题即可保证整机的安全性，技术处理相对简单，安全性高。
该软启动装置以西门子PLC作为控制器，应用FPGA高性能大规模集成芯片作为脉冲功率放大和国外品牌触摸屏作为人机界面，操作、调试方便；控制系统具备与上位机的通信功能，可记录和显示起动曲线，具有开关变位信息记录功能、故障记录和显示功能。该装置电抗器电抗值调节范围宽，起动电流可以在1.5 —4.0 倍范围内任意设定，起动电流曲线可以根据需要设定为爬坡方式、恒流方式，并精确锁定控制，起动电流谐波很小，具备软停止功能。采用专利六柱一体化结构和磁屏蔽设计，噪音水平低，漏磁很小。磁阀式可控电抗器本体采用真空浸渍工艺制造，干式敞开结构，具有电压分布均匀，散热好、机械强度高、防潮、防腐蚀，使用寿命长等优点。
4.结论
高压软启动技术的应用，杜绝了钻井临时变电站过载跳闸事故的发生，使钻井供电线路供电安全可靠，取得良好的社会效益与经济效益，具备以下优点：
（1）整个起动过程，机组加速平稳，无起动大电流冲击，电网供电平稳。
（2）安全性高。可控硅、二极管等电力电子器件接在低压二次回路，寿命长。
（3）起动电流不受环境温度的影响，无论在任何状况下，起动电流均能保持设定值。
（4）起动成功率高，没有出现过起动失败的现象。
（5）免维护、占地小、不怕震动，使用寿命长。
所以，该高压设备大功率软启动技术，适宜在启动电流很大的高压三相大功率电动机设备启动中大力推广与应用。
参考文献：
[1]王宪.高压运行电工技术问答.化学工业出版社，2010-1