劉春芳

摘要：抽油電機(jī)對(duì)抽油機(jī)正常開(kāi)采石油起到至關(guān)重要的作用。本文通過(guò)對(duì)抽油電機(jī)發(fā)生短路、缺相及過(guò)載進(jìn)行理論闡述及故障分析，再利用MATLAB＼Simulink軟件建模仿真，輸出仿真結(jié)果可以清晰看出各種故障類型對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。文中理論與實(shí)際相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：抽油電機(jī);短路;電源缺相;電機(jī)過(guò)載

0 引言

抽油電機(jī)是抽油機(jī)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，為抽油機(jī)提供機(jī)械動(dòng)能?？紤]到抽油機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）承受載荷是脈動(dòng)的，而且變化幅度大; （2）啟動(dòng)是需要的啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大;（3）在露天條件下運(yùn)行，這要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的維修護(hù)理簡(jiǎn)單、工作安全可靠。目前油田廣泛采用普通三相異步電機(jī)、高及超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)和雙功率電機(jī)，而高轉(zhuǎn)差率三相異步電機(jī)應(yīng)用尤其廣泛。它的外觀結(jié)構(gòu)形式與 Y 系列電機(jī)相同，但這種電機(jī)是采用高電阻率的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，一般是采用鋁合金材料鑄造而成，所以其轉(zhuǎn)差率比普通三相異步電機(jī)大許多，高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的轉(zhuǎn)差率在 8%～12%之間（而普通電機(jī)為 3%～5%）。提高轉(zhuǎn)差率的目的是為了使電機(jī)具有堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、堵轉(zhuǎn)電流小、機(jī)械特性軟等特點(diǎn)，在額定輸出功率時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩能夠等于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)差率電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率為 8%～12%（也有達(dá)到 15%以上的超高轉(zhuǎn)差率電機(jī)），即具有大的斜度或軟的機(jī)械特性。此外，其還具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

1 電機(jī)故障分類

根據(jù)油井現(xiàn)場(chǎng)故障類型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1，2]表明，影響抽油電機(jī)正常運(yùn)行有以下三類故障：（1）短路;（2）電源缺相;（3）電機(jī)過(guò)載。

（1）短路：抽油電機(jī)的短路是指相與相之間或相與地之間非正常連接，包括三相短路、兩相短路、單相接地短路及兩相接地短路[3]。油井上經(jīng)常發(fā)生短路的原因是外部施工作業(yè)，比如挖掘機(jī)挖溝作業(yè)，鉆井、修井往地下打地錨造成電纜短路。短路后使電機(jī)定子電流劇增，電流的最大波動(dòng)值為電機(jī)額定運(yùn)行的十幾倍左右。短路后將可能發(fā)生如下后果：（a）巨大的沖擊電流會(huì)引起供電母線電壓下降，嚴(yán)重影響同一母線正常運(yùn)行的其他電氣設(shè)備。（b）較大的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩，會(huì)對(duì)電機(jī)線圈、電機(jī)轉(zhuǎn)軸及負(fù)載產(chǎn)生危害。（c）較大的瞬態(tài)電流，會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，對(duì)電機(jī)絕緣損傷，甚至造成絕緣的永久破壞。

（2）電源缺相：抽油電機(jī)缺相時(shí)原來(lái)停止的電機(jī)不能起動(dòng)，轉(zhuǎn)子左右擺動(dòng)，有強(qiáng)烈的“嗡嗡”聲[4]。若運(yùn)行中缺一相，電動(dòng)機(jī)仍能轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大大降低。電動(dòng)機(jī)兩相運(yùn)行的電流，等于額定電流1.5～2倍，能引起線圈和接頭過(guò)熱。兩相運(yùn)行時(shí)，未斷路的兩相定子繞組串連，由于大電流長(zhǎng)時(shí)間在定子繞組中流動(dòng)，會(huì)使定子繞組過(guò)熱，以致燒毀。在油田現(xiàn)場(chǎng)故障中最常發(fā)生缺相的情況是電源缺相，比如高壓跌落下端總程的“卡箍”夾合力不夠，導(dǎo)致令克經(jīng)常掉落發(fā)生缺相現(xiàn)象。

（3）電機(jī)過(guò)載：抽油電機(jī)的過(guò)載指的是電機(jī)在某個(gè)允許的時(shí)間內(nèi)流過(guò)的電流超過(guò)額定電流[5]。三相異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力指最大轉(zhuǎn)矩標(biāo)稱值與額定轉(zhuǎn)矩標(biāo)稱值之比，可以理解為三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際能夠負(fù)載的最大負(fù)荷與額定負(fù)載負(fù)荷的比值，比值越高，過(guò)載能力就越好，電動(dòng)機(jī)性能也就越好。產(chǎn)生過(guò)載的原因有如下三點(diǎn)：（a）拖動(dòng)的機(jī)械發(fā)生故障，當(dāng)被拖動(dòng)的機(jī)械存在故障時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活或者被卡住，都將會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)載，造成電動(dòng)機(jī)繞組過(guò)熱。 （b）拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載工作不正常，雖然選取的設(shè)備配套，但由于所拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載工作不正常，運(yùn)行時(shí)負(fù)載時(shí)大時(shí)小，如油井發(fā)生斷桿情況時(shí)電動(dòng)機(jī)因功率忽大忽小發(fā)生過(guò)載而發(fā)熱。（c）當(dāng)選取的設(shè)備不配套，負(fù)載功率大于電動(dòng)機(jī)的額定功率時(shí)，則電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，即“小馬拉大車”，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。

2 利用MATLAB＼Simulink建模仿真

本文以油田最常用電機(jī)的電機(jī)（高起動(dòng)力矩多速電動(dòng)機(jī)，北京國(guó)晶電氣制造有限公司）進(jìn)行建模仿真，軟件參數(shù)如下：額定電壓UN=380 V;電流IN=95 A;頻率=50 HZ;額定轉(zhuǎn)矩按照TN=9550*PN/n計(jì)算，其中功率以極對(duì)數(shù)8級(jí)為例，則PN取45 kW;n取730 rpm;TN=589N.m;起動(dòng)電流與額定電流的比值IST/IN=7;起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值TST/TN=2.2;堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值TBR/TN=2.2;功率因數(shù)=0.87;仿真時(shí)間設(shè)置為2 s;

2.1短路

考慮到抽油電機(jī)的電纜最容易受到機(jī)械外力破壞，本次建模以電纜遭受外力破壞后造成AB相接地短路，接地電阻設(shè)為5Ω，在1s時(shí)發(fā)生故障，在1.2s時(shí)故障退出，仿真結(jié)果如下圖1所示。

由圖1可知：在非故障階段，三相電壓、三相電流正常平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)t=1s時(shí)，非故障相電壓升高，從400伏上升到580伏左右，故障相電壓略降。非故障相電流幾乎維持不變，故障相電流上升很大，增加了50%，綜合分析可知短路對(duì)電流的影響比較大。

2.2 電源缺相

本次仿真以A相電壓在1s時(shí)和B相同相位模擬線路缺相，即在1s前和1.5s后三相電壓相位為0度、120度、240度，在1至1.5s之間的三相電壓相位為120度、120度、240度，負(fù)載接入300N.m，仿真結(jié)果如下圖2所示。

由圖2可知：定子電流在缺相后幅值急劇增大，由穩(wěn)定運(yùn)行的100A上升到450A，電源正常后又回到100A。轉(zhuǎn)速正常時(shí)段為720rpm左右，當(dāng)故障發(fā)生后由于負(fù)載的反向帶動(dòng)，電機(jī)迅速反向超速轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)矩在故障發(fā)生前維持在300N.m，故障發(fā)生后在正、反方向力矩劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩，電源恢復(fù)后轉(zhuǎn)矩也恢復(fù)正常，綜合分析可知缺相對(duì)定子電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩影響都很大。

2.3 電機(jī)過(guò)載

本次仿真以正常運(yùn)行負(fù)載為300N.m，t=1s時(shí)上升到600N.m，超出額定轉(zhuǎn)矩589N.m，仿真結(jié)果如下圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)電機(jī)過(guò)載后，定子電流迅速上升，從100A上升到200A，由于負(fù)荷的增加，轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速720rpm下降到600rpm。為了適應(yīng)負(fù)載的增加，電機(jī)增加了出力，轉(zhuǎn)矩由之前的300N.m上升到600N.m，使其能跟蹤到負(fù)荷的力矩，維持電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)抽油電機(jī)發(fā)生短路、缺相及過(guò)載進(jìn)行理論分析，再利用MATLAB＼Simulink軟件建模仿真，輸出仿真結(jié)果可以清晰看出各種故障類型對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。文中理論分析簡(jiǎn)單易懂，建模仿真可視性強(qiáng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王昊，彭運(yùn)猛，鄭全新.淺談三相異步電動(dòng)機(jī)電路保護(hù)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2019（05）：89+91.

[2]杜偉峰.三相異步電機(jī)常見(jiàn)故障與對(duì)策[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（21）：177-178.

[3]施永茜，姜斌，冒澤慧.異步電機(jī)定子匝間短路故障建模及檢測(cè)研究[J].控制工程，2020，27（01）：22-27.

[4]李洪濤，李奎，倪素娟.基于熱網(wǎng)絡(luò)的異步電機(jī)過(guò)載保護(hù)模型及數(shù)字算法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38（10）：54-58+62.

[5]文立斌.實(shí)用性三相異步電機(jī)缺斷相保護(hù)器[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（03）：164.