国产石油电器设备与国外电源系统匹配问题

赵晓凯 秦荣贵 汪振坤 张玉华

作者通联：中国石油渤海钻探工程有限公司国际工程分公司 天津经济技术开发区第三大街金融街西区7号楼B门311室 300457

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一、存在的问题

在海外石油钻修井以及辅助工程技术服务中，国产电器设备多数按照国内380V、50Hz的用电标准配套。委内瑞拉、美国、加拿大等国家电源系统频率是60Hz，电压规格分为：①民用及小容量工业用电，电压标准为208V/120V；②包括钻井队在内的中等容量电气设备用电，电压标准为460V。一般可通过变压器进行电压变换，使变换后的电压适用于用电设备。但使用变频器进行频率变换存在诸多问题，变频器属于高端电子设备，价格昂贵、工作可靠性差，而且输出的波形不是完整的正弦波，波形质量差，对用电设备造成的负面影响较大，因此用变频器变频方式使电源频率和用电设备频率达到一致显然不可取。因此，大部分国产电器设备不能直接在60Hz、208V/120V或460V电网中正常工作，应根据设备本身属性和实际所带负载性质，采取一定的技术措施，和国外电源系统进行匹配。匹配效果良好的标准是电器设备温升值在规定范围、工作电流不超过额定值及所带负载平稳运转。

石油钻修井队及辅助工程技术服务的电器设备主要分为：①纯电阻性负载，如加热用加热器、照明用白炽灯等；②感性负载，主要是使用硅钢片铁芯和线圈的用电设备，如电机及使用变压器、电磁线圈的用电设备等。

二、纯电阻性负载匹配方案

对于纯电阻性负载，P=U2/R（P——功率，U——电压，R——电阻），因此只需考虑电压因素即可，频率对纯电阻性负载的影响很小，可以忽略。208V/120V、60Hz用电标准的生活和小容量工业用电电压较低、电流较大，为减小线路压降的影响，208V/120V往往提升较高，线电压可从208V提升到230V，和我国标准相电压相当。因此220V、50Hz纯电阻性负载可直接接到208V/120V线电压上工作，如非电子控制的电饭锅、电热水器、电加热器、白炽灯泡及碘钨灯等纯电阻性负载。

对于使用开关电源的电器设备则分两种情况，一种用电设备是宽电压90～240V、50/60Hz通用的，不需要考虑电压、频率与设备匹配问题，直接使用即可，如手机充电器、笔记本电脑等；另一种用电设备是双电压，只需要将电压选择开关选到相应的电压级别即可。开关电源对频率不是很敏感，可忽略影响，如部分台式电脑。

三、感性负载匹配方案

感性负载是按照工作在50Hz条件下铁芯趋于磁饱和的临界点而设计，在60Hz条件下工作时铁芯就会进入磁饱和区，电流增大，线圈及铁芯的发热明显增加，很容易将线圈烧毁。因此对于感性负载，关键问题是解决频率对用电设备的影响。

1.感性单相负载

对于感性单相负载，电压问题和上述纯电阻性负载类似，因此主要考虑频率问题。在单相用电器中，控制用电源变压器、交流接触器线圈、继电器线圈等元器件对频率较敏感。有些电器设备标有50/60Hz字样，可直接接到60Hz的线电压上使用。对于只能工作在50Hz下的元器件，则需要将交流接触器、继电器的线圈换成60Hz的线圈。应急照明灯、录音机、复读机、有源音箱、充电器等内部使用电源变压器的设备需换成60Hz的电源变压器。

2.感性三相负载

感性三相负载主要指石油钻修井现场应用最多的Y系列三相异步电机。国产三相异步电机在60Hz、208V/120V或460V电网使用，电压和频率问题均需考虑。

（1）三相异步电机电压的匹配方案

方案1：对于460V、60Hz用电标准，由电工学公式U=4.44fNΦm（U——电压，f——频率，N——线圈匝数，Φm——磁通最大值）和U/f等于恒值的变频控制理论可知，380V、50Hz三相异步电机在460V、60Hz环境下使用是可行的。对于普通电机，理论上需要考虑电机轴因功率提升，容易引起断裂的问题。实际上电机生产厂家对于电机轴的扭矩设计有较大的安全系数，经过多年使用，验证这样做是完全可行的，未发生过电机轴断裂问题。如某单位钻机液压动力源50Hz电机和封井器远程控制台液压泵50Hz电机直接连接到460V、60Hz电网中连续工作6年未发生故障。

方案2：国产4.5kW以下的三相异步电机，接线方法一般是Y型接法，每相线圈的额定电压是220V。将这类电机的接线方法改成△型，即可直接接到208/120V、60Hz电源上。某单位使用上述方法改接一台3.3kW电动打气泵电机，现场实际运行，电机电流和温度均没有明显升高，连续使用5年未发生故障。

方案3：国产4.5kW以上的三相异步电机，接线方法一般是△型，每相线圈的额定电压是380V。可以将△接法改接成△△接法（双三角型接法），使每相线圈的额定电压变为190V。电机对工作电压的要求不是很严格，电压波动范围一般是额定电压的±10%，因此4.5kW以上小功率国产三相异步电机采用上述接法改接可在60Hz、208/120V电网中使用。某修井作业单位的7.5kW搅拌器电机和封井器远程控制台液压泵15kW电机按照上述办法改接后，经过测试电流未超过额定电流，温升也没有明显提高，连续工作5年未发生故障。

（2）三相异步电机频率的匹配方案

电机所带负载分为离心类负载和非离心类负载，频率改变对非离心类负载影响不大，在60Hz电网应用主要考虑电压问题，在此不再多做论述。离心类负载主要分为风机类负载和离心泵类负载。国产50Hz电机在60Hz下使用，由于频率提高了20%，对应的负载转速也提高20%，因此离心类负载的排量Q、排出压力H及电机功率P分别增大了1.2倍、1.44倍和1.728倍（Q、H和P分别与转速n、n的平方和n的立方成正比）。

对于风机类负载，由于排出压力增大了1.44倍，风扇扇叶的压力同样增大1.44倍，极易造成扇叶折断，出现散热器损坏、通风道堵塞以及散热能力丧失等故障。由于功率增大了1.728倍，电机极易过载而保护或烧毁。因此风机类负载的频率问题需要特别重视，在60Hz电网中，风机类设备使用前必须采取技术措施。

措施1：若风扇扇叶角度可调整，可将扇叶角度调小一些，然后用钳形电流表测量电机的工作电流，只要实际工作电流值不超过额定电流值即可正常工作。某单位2006年配套两套复盛SA-37A螺杆空压机，风机电机频繁出现过载保护，调整空压机散热风扇角度后经测量电机实际工作电流值低于额定电流值，使用至今未出现故障。

措施2：不能调整扇叶角度的风机只能考虑更换扇叶或电机。离心泵类负载由于转速升高导致电机功率增大了1.728倍，易造成电机过载而保护或烧毁。通常采取限制排量的措施，先将离心泵的上水口（或出水口）闸门关闭到较小位置，给电机送电运转离心泵。然后一边缓慢平稳地开大离心泵的上水口（或出水口）闸门，一边利用钳形电流表测量电机工作电流（电流值会随着闸门逐渐开大而逐渐上升）。当测量的电流上升到电机额定工作电流的90%时锁定闸门手柄，调整完成可正常使用。某单位EATON刹车循环冷却水泵电机和F1000泵灌注泵电机按照上述方法调整后，2006年使用至今未出现故障。

另外，需要注意，由于电源频率升高，交流三相、单相异步电机的铜损、铁损及发热量均会增加，但同时电机转子转速也会升高，即冷却效果也会明显增强。因此，电机温度并不会因频率升高而明显升高，但因电机转速升高，电机轴承寿命会有所缩短，在实际使用中需要考虑。 W13.02-17