抽油机用变压器降容技术研究

王伯瑜

（中国石油化工集团有限公司能源管理与环境保护部，北京 100728）

抽油机是油田采油的耗能大户，由于抽油机多为带负载启动，启动时负载转矩最大，配电变压器输出功率最大，稳定后负载转矩逐渐变小，配电变压器输出功率也减少，因此为满足抽油机启动的要求，配电变压器留有较大的容量。抽油机正常工作时电机的负载率仅为25%左右，存在严重的“大马拉小车”现象。变压器长期处于负载率偏低的工作状态，造成了变压器容量的浪费及有功和无功功率的损耗，因此系统损耗高、效率低、功率因素低。由于变压器利用率低，存在较大的富余容量，油田采油厂需要多交容量费，造成了很大的经济损失。因此，采取相应的措施降低变压器容量，使其工作在经济负荷区，是降损节能的一个有效的手段。

文章开展变压器降容技术研究，通过理论建模仿真及现场试验，形成指导变压器降容的技术方案，对于节能降耗、降低网损、提高配电网的功率因数、降低变压器容量，具有十分重要的意义。

1 变压器的工作原理及过载运行特性

变压器在不损坏绕组绝缘和不降低使用寿命的情况下，可以在短时间内过载运行[1]。按国家相关规定，油浸式变压器过载能力及时间如表1所示。

表1 油浸式变压器过载能力及时间

一般情况下，油井启动时间都很短，只有几秒，因此在保证电机顺利启动的前提下，应充分利用变压器的过载能力，而没有必要增加容量。

2 抽油机用电动机与电力变压器容量的合理匹配

变压器负载率是特指负载最大时对应的负载率，而不是指随负载变化而变化的变压器实际负载率，而经济负载率是指负载最大时、能使变压器有功损耗率最低、即效率最高所对应的变压器负载率。一般变压器满载铜损与铁损之比等于3、负载率57.7%时其效率最高，因此负载率维持在50%～65%之间最为经济。电动机的运行功率则是负载大小的计算标准，即

式中，Sj为变压器的经济负载值；PM为电动机的运行功率；ST为变压器的额定功率。一般情况下，变压器与电动机的匹配情况如图1（a）所示。

抽油机负荷呈周期性变化，且其变化幅度较大，平均负荷较低，平均功率因数较低。就目前状况而言，在给抽油机电动机匹配电力变压器时，因无具体的切合实际的计算系数，只能以电动机的铭牌数据来确定容量，造成变压器容量偏大，不能在合理区域内运行，如图1（b）所示。因此一般正常运行的实际功率为铭牌功率的30%～60%。虽然抽油机电动机的额定容量固定，而所匹配的电力变压器的容量可以降低，如图1（c）所示。

图1 变压器容量与电动机容量的对比

3 三相异步电动机启动特性仿真

当异步电动机直接投入电网启动时，启动电流一般为额定电流的4～7倍，而启动转矩倍数为0.9～1.3，虽然启动电流很大，而启动转矩并不大。过大的启动电流会导致电源电压在电动机启动时下降，同时也会在线路和电机内部产生损耗而引起发热。

一次异步电动机在启动时，电网对异步电动机的要求与负载的要求相矛盾。电网要求异步电动机启动电流尽可能小，但太小的启动电流所产生的启动转矩又不足以启动负载；而负载要求启动转矩尽可能大，以缩短启动时间，但大的启动转矩伴随着大的启动电流又可能不为电网所接受。因此不同的启动方法，对变压器的降容影响巨大。

现阶段，油田抽油机主要启动方式包括直接启动、降压启动以及变频器启动三种，文章对不同启动方式下电动机的启动特点进行仿真，分析其对变压器容量的影响。

3.1 三相异步电动机直接启动

直接启动适用于小容量电机带轻载的情况，启动时，将定子绕组直接接到额定电压电网上[3]。对于额定电压为380 V的电机而言，当PN≤7.5kW时，可以直接启动。以某台三相四极笼型异步电动机为例：额定功率PN10 kW，额定电压U1n380 V（△连接），定子每相电阻r11.33 Ω，每项漏抗x12.45 Ω，转子每相电阻折算值Ω，每相漏抗折算值，励磁电阻rm7 Ω，励磁漏抗xm90 Ω，电动机的转动惯量J 0.074 7 kg·m2，电动机带载启动，负载转矩为30 N·m。Simulink 仿真定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线。用Simulink进行仿真，模型中采用了三个独立的单相交流电压模块组成三相交流电源；用三相交流电压和电流测量模块测量三相交流电路的电压和电流；用电动机测量模块接示波器显示直接启动过程的定子电流、转子电流、转速和转矩的变化曲线；用三相断路器控制三相电源的投入时间；异步电机采用位于[Power System]库中的异步电动机模块。仿真结果见图2。

从图2可看出，直接启动时，启动过程在0.18 s左右结束，定子电流波形和转子电流波形呈现较大的振荡，启动后电流降至正常工作电流。

3.2 三相异步电动机降压启动

降压启动既要保证有足够的启动转矩，又要减小启动电流，还要避免启动时间过长。一般将启动电流限制在电动机额定电流的2 ～2.5 倍范围内。启动时由于降低了电压，转矩也大大降低，因此降压启动往往在电动机轻载状态下进行。以三相异步电动机定子串电阻启动为例，分析降压启动的特点。

图2 异步电机直接启动仿真结果

基于上述仿真模型，定子侧增加了与断路器并联的外串三相对称启动电阻，启动时串入启动电阻，设其值为0.3 Ω，待异步电动机启动完毕后切除外串的启动电阻，即将断路器接通。可设断路器在0.8 s时刻投入，设电动机带载启动，负载转矩为30 N·m。

仿真结果如图3 所示。由图3 可以看出：0.8 s以前电机定子串入电阻，由于电阻的分压，施加到电机的电压未达到全压，定子电流与转子电流呈现较大波动，转速持续上升，转矩波动较小；0.8 s之后，断路器闭合，电机投入全压运行，各参数波形呈现波动，大约1.3 s之后电机达到稳定运行，转速达到额定转速1 500 r/min，转矩达到30 N·m。与直接启动相比，定子串电阻启动降低了启动电流，减小了对电机的冲击，但启动时间有所延长。

图3 异步电机定子降压启动仿真结果

3.3 三相异步电动机变频器启动

通过变频器启动，可以在保证启动转矩的情况下降低启动电流，减少电机启动对电网的冲击[5]。油田主流的变频器为整流－逆变形式，因此在仿真时分别搭建整流单元、逆变单元的仿真模型，同时辅以滤波、反馈及驱动保护电路，实现了整体方针模型的搭建。其参数设置如下：三相交流电源电压为380 V，频率50 Hz，相位为0，其他采用默认值。考虑现场实际输入线电压在340～420 V之间变化，因此在参数设置时选择幅值变化；串联RLC支路，电感参数L 设置为48.5e-3H，电容参数C 设置为3.3e-3F。

仿真时选择ode23tb 算法，将相对误差设置为1e-3，停止时间设置为0.1 s，仿真结果如图4所示。

图4 变频启动电机转速和定子电流波形

由图4 可以看出，电机在额定电压下工频直接启动会导致启动电流很大，约为额定电流的4 ～7倍，与此同时，电机端电压降低，若压降过大将直接导致电机无法启动。而采用变频启动的方式，转速波形上升较为平缓，可以有效避免启动冲击电流，从而使电机端压降有效降低，因此可以保证电机的成功启动，即变频启动情况下，有利于变压器容量的降低。

4 变压器容量小于电机功率时启动能力仿真

目前，油田抽油机用变压器容量普遍高于电机功率，因此为了分析变压器降容后电机能否顺利启动，将电机与不同变压器容量进行组合，分析当变压器降容后电机能否顺利启动，现以37 kW电机分别配置30 kVA、50 kVA、63 kVA、80 kVA变压器时，分别对负载转矩为TN、1.2TN、1.4TN、1.6TN和1.8TN时进行仿真，校验电机的启动能力。

以负载转矩T 为1.6TN为例，电机端电压、转速波形如图5、图6所示。

由图5、图6 可以看出，当负载转矩增大到1.6倍额定转矩、变压器容量30 kVA时，电机出现启动困难的现象，启动时间明显延长；以相同的分析方法，当负载转矩增大到1.8 倍额定转矩、变压器容量30 kVA 时，电机会发生启动失败的情况；而在其他负载转矩倍数下，即使变压器容量低于电机功率，电机也能顺利启动。

5 变压器降容指导原则

根据仿真分析结果，将不同容量变压器及电机功率匹配情况汇总，正常运行时变压器容量的合理匹配，见表2。

图5 不同变压器容量时电机端电压波形

图6 不同变压器容量时电机转速波形

表2 正常运行状态下电机与变压器容量的匹配

由异步及永磁同步电机仿真结果可见，电机在额定电压下工频直接启动会导致启动电流很大，约为额定电流的4 ～7 倍，与此同时，电机端电压降低，若压降过大将直接导致电机无法启动。而采用变频启动的方式，可以有效避免启动冲击电流，从而使电机端电压压降有效降低，因此可以保证电机的成功启动，即变频启动情况下，变压器降容至30 kVA可满足所有功率电机的启动。变频启动电机及变压器容量匹配见表3。在表2～3中：

1）√表示可以降容，×不能降容，电机无法启动，甚至使电机损坏。

表3 变频启动电机及变压器容量匹配（1～1.8）TN

2）折算容量＝电机运行功率/功率因数。

由表2～3可知：

1）进行变压器容量匹配时，首先考虑电机实际运行功率，若折算容量低于变压器容量，则可降容至该变压器容量，否则应提高变压器容量等级，继续比较；在满足正常稳态运行条件的基础上，对电机启动能力进行校验。

2）变压器一拖一运行时，若负载转矩超过额定转矩的1.6 倍，则启动能力与电机性能有关，应根据电机参数具体分析。

3）采用变频启动的方式，可有效避免启动冲击电流，启动性能远优于直接启动，即变频启动情况下，变压器降容至30 kVA也可满足所有功率电机的启动。

6 现场试验

根据仿真分析结论及现场实际，对HJH4-C2、河4-X4、河4-X72、河4-X52 四口油井进行了变压器容量优化，降容前后油井启动转矩及母线端电压变化情况如表4所示。

表4 降容前后油井启动转矩及母线端电压对比

由表4 可以看出，电机功率不变的情况下，变压器容量降低后，在启动时电机端电压相对值会减少，但是减少比例很小，经过现场验证，可以保证油井的正常启动。

7 结论

从变压器的经济负载率和短期过载能力出发，研究载荷不变、电机容量不变，变压器容量改变时对电机正常运行以及启动能力的影响，最终形成变压器降容的指导原则。在目前的条件下减少了设备的投资，避免设备容量的浪费，提高油田供电网络的功率因数，降低网损，达到节能降耗，降低原油生产成本的目的，具有非常理想的应用前景和经济效益。

研究得出主要结论如下：

1）变压器应充分考虑短时过载能力，而不宜用经济负载系数选择油井变压器。

2）进行变压器容量匹配时首先考虑电机实际运行功率，若折算容量低于变压器容量，则可降容至该变压器容量，否则应提高变压器容量等级，继续比较；在满足正常稳态运行条件的基础上，对电机启动能力进行校验。

3）启动方式影响电机及变压器容量选择，使用变频器软启动对变压器降容有利，但是具体要根据二者的经济性对比才能确定。

4）单台油井变压器的降损能力有限，但是降容效果比较明显，如果能够实现“一拖多”，则经济效益会更加突出。