影响抽油电机运行的故障特征分析及建模仿真

刘春芳

摘要：抽油电机对抽油机正常开采石油起到至关重要的作用。本文通过对抽油电机发生短路、缺相及过载进行理论阐述及故障分析，再利用MATLAB＼Simulink软件建模仿真，输出仿真结果可以清晰看出各种故障类型对电机参数的影响。文中理论与实际相结合，对现场工程作业具有一定的指导意义。

关键词：抽油电机;短路;电源缺相;电机过载

0 引言

抽油电机是抽油机的主要动力设备，为抽油机提供机械动能。考虑到抽油机具有以下特点：（1）承受载荷是脉动的，而且变化幅度大; （2）启动是需要的启动转动力矩较大;（3）在露天条件下运行，这要求驱动电机的维修护理简单、工作安全可靠。目前油田广泛采用普通三相异步电机、高及超高转差率电机和双功率电机，而高转差率三相异步电机应用尤其广泛。它的外观结构形式与 Y 系列电机相同，但这种电机是采用高电阻率的转子导体，一般是采用铝合金材料铸造而成，所以其转差率比普通三相异步电机大许多，高转差率电机的转差率在 8%～12%之间（而普通电机为 3%～5%）。提高转差率的目的是为了使电机具有堵转转矩大、堵转电流小、机械特性软等特点，在额定输出功率时，最大转矩能够等于堵转转矩。当转差率电机的额定转差率为 8%～12%（也有达到 15%以上的超高转差率电机），即具有大的斜度或软的机械特性。此外，其还具有较大的启动转矩。

1 电机故障分类

根据油井现场故障类型统计数据[1，2]表明，影响抽油电机正常运行有以下三类故障：（1）短路;（2）电源缺相;（3）电机过载。

（1）短路：抽油电机的短路是指相与相之间或相与地之间非正常连接，包括三相短路、两相短路、单相接地短路及两相接地短路[3]。油井上经常发生短路的原因是外部施工作业，比如挖掘机挖沟作业，钻井、修井往地下打地锚造成电缆短路。短路后使电机定子电流剧增，电流的最大波动值为电机额定运行的十几倍左右。短路后将可能发生如下后果：（a）巨大的冲击电流会引起供电母线电压下降，严重影响同一母线正常运行的其他电气设备。（b）较大的瞬时电磁转矩，会对电机线圈、电机转轴及负载产生危害。（c）较大的瞬态电流，会使电机发热，对电机绝缘损伤，甚至造成绝缘的永久破坏。

（2）电源缺相：抽油电机缺相时原来停止的电机不能起动，转子左右摆动，有强烈的“嗡嗡”声[4]。若运行中缺一相，电动机仍能转动，但转动力矩大大降低。电动机两相运行的电流，等于额定电流1.5～2倍，能引起线圈和接头过热。两相运行时，未断路的两相定子绕组串连，由于大电流长时间在定子绕组中流动，会使定子绕组过热，以致烧毁。在油田现场故障中最常发生缺相的情况是电源缺相，比如高压跌落下端总程的“卡箍”夹合力不够，导致令克经常掉落发生缺相现象。

（3）电机过载：抽油电机的过载指的是电机在某个允许的时间内流过的电流超过额定电流[5]。三相异步电动机的过载能力指最大转矩标称值与额定转矩标称值之比，可以理解为三相异步电动机实际能够负载的最大负荷与额定负载负荷的比值，比值越高，过载能力就越好，电动机性能也就越好。产生过载的原因有如下三点：（a）拖动的机械发生故障，当被拖动的机械存在故障时，转动不灵活或者被卡住，都将会使电动机过载，造成电动机绕组过热。 （b）拖动的机械负载工作不正常，虽然选取的设备配套，但由于所拖动的机械负载工作不正常，运行时负载时大时小，如油井发生断杆情况时电动机因功率忽大忽小发生过载而发热。（c）当选取的设备不配套，负载功率大于电动机的额定功率时，则电动机长期过载运行，即“小马拉大车”，会导致电动机过热。

2 利用MATLAB＼Simulink建模仿真

本文以油田最常用電机的电机（高起动力矩多速电动机，北京国晶电气制造有限公司）进行建模仿真，软件参数如下：额定电压UN=380 V;电流IN=95 A;频率=50 HZ;额定转矩按照TN=9550*PN/n计算，其中功率以极对数8级为例，则PN取45 kW;n取730 rpm;TN=589N.m;起动电流与额定电流的比值IST/IN=7;起动转矩与额定转矩的比值TST/TN=2.2;堵转转矩与额定转矩的比值TBR/TN=2.2;功率因数=0.87;仿真时间设置为2 s;

2.1短路

考虑到抽油电机的电缆最容易受到机械外力破坏，本次建模以电缆遭受外力破坏后造成AB相接地短路，接地电阻设为5Ω，在1s时发生故障，在1.2s时故障退出，仿真结果如下图1所示。

由图1可知：在非故障阶段，三相电压、三相电流正常平稳运行，当t=1s时，非故障相电压升高，从400伏上升到580伏左右，故障相电压略降。非故障相电流几乎维持不变，故障相电流上升很大，增加了50%，综合分析可知短路对电流的影响比较大。

2.2 电源缺相

本次仿真以A相电压在1s时和B相同相位模拟线路缺相，即在1s前和1.5s后三相电压相位为0度、120度、240度，在1至1.5s之间的三相电压相位为120度、120度、240度，负载接入300N.m，仿真结果如下图2所示。

由图2可知：定子电流在缺相后幅值急剧增大，由稳定运行的100A上升到450A，电源正常后又回到100A。转速正常时段为720rpm左右，当故障发生后由于负载的反向带动，电机迅速反向超速转动。转矩在故障发生前维持在300N.m，故障发生后在正、反方向力矩剧烈波动，严重超过额定转矩，电源恢复后转矩也恢复正常，综合分析可知缺相对定子电流、转速及转矩影响都很大。

2.3 电机过载

本次仿真以正常运行负载为300N.m，t=1s时上升到600N.m，超出额定转矩589N.m，仿真结果如下图3所示。

由图3可知，当电机过载后，定子电流迅速上升，从100A上升到200A，由于负荷的增加，转速从额定转速720rpm下降到600rpm。为了适应负载的增加，电机增加了出力，转矩由之前的300N.m上升到600N.m，使其能跟踪到负荷的力矩，维持电机正常运转。

3 结语

本文通过对抽油电机发生短路、缺相及过载进行理论分析，再利用MATLAB＼Simulink软件建模仿真，输出仿真结果可以清晰看出各种故障类型对电机参数的影响。文中理论分析简单易懂，建模仿真可视性强，对现场工程作业具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]王昊，彭运猛，郑全新.浅谈三相异步电动机电路保护[J].农业技术与装备，2019（05）：89+91.

[2]杜伟峰.三相异步电机常见故障与对策[J].科学技术创新，2019（21）：177-178.

[3]施永茜，姜斌，冒泽慧.异步电机定子匝间短路故障建模及检测研究[J].控制工程，2020，27（01）：22-27.

[4]李洪涛，李奎，倪素娟.基于热网络的异步电机过载保护模型及数字算法[J].电机与控制应用，2011，38（10）：54-58+62.

[5]文立斌.实用性三相异步电机缺断相保护器[J].科技创新与应用，2017（03）：164.