（电气工程专业论文）海上采油平台“一变多控”系统的研究与应用.pdf

海匕采油平台“一变多控”系统的研究与压豆用 摘要 本文介绍了埕岛油田采油平台一变多控系统的原理、主要参数的确定与计算，以及 一变多控系统的研究过程及应用。理论和实践经验证明：这种方式采油，可在同一井组 提供多种不同电压等级的电压，具有较好的社会效益和经济效益。 关键词：潜油电泵一变多控变压器 开关柜 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o f “o n eb e c o m e m o r i n g c o n t r o l s y s t e m ”a t t h es e a a d o p tp l a t f o r m a b s t r a c t t h i st e x ti n t r o d u c e d t h e “o n e i ：e m r n e m a i n g m n m ls y - c z e m ”i nc h m g d a o o i l f i e l d ，沁酗n g t h ep r i n c i p l e ，m a i nc o n t r o l l e dn u m b e r , a n di t s c a l c u l a t i o n t h e o r ya n dr e a l i t yp r o v et h a ti t h a sv e r yg o o db e n e f i tt o s o c i e t ya n de c o n o m y ，b e c a u s et h i sw a yo fo i le x t r a c t i o np r o v i d e s k i n d so fl e v e lv o n a g ei na p l a t f o r m k e yw o r d s ：l a t e n te l e c t r i c i t yp u m p o n eb e c a mm 。r 吨c 。曲d ls y s u m lt r a n s f o r m e r o n - o f ra r k 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确定符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名 l 何- 务厨引毋 白纪i 7 式 。j i ： 彩斟 南 圳魄 幽孬a j 致 ，刁以钆砌 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得盒胆王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签苎彗寮哆唿 签字目期d 剜年占月，：日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒世i ：些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金魍王些态堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ， 学位论文作者签名：文j 莎彬一导师签名： 签字日期b bo f 髫月i 于日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 毫占。娶 签字日期：沙矽年手月3 日 电话 m g 编 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到 了我的导师孙鸣副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资 料、论文成稿，都倾注了孙鸣老师的心血，由衷感谢孙鸣老师在学业指导及各方 面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学 识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益， 并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢电气工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了 理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢领导和同仁们，在我课程学 习和论文撰写期间，给予我的大力支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：文世鹏 2 0 0 3 年6 月2 0 日 第一章绪 论 11 埕岛油田生产概况 1 1 1 油田地理位置及水文特征 埕岛油田是我国第一个大型浅海油田，位于渤海湾南部的浅海、极浅海海 域，东经1 1 8 。4 47 1 1 8 。5 67 ， 北纬3 8 。0 87 3 8 。1 67 ，海域水深 1 0 m 左右，南距现海岸约5 k m ，与陆上桩西油田、埕东油田、五号桩油田相邻 ，西北距渤海石油公司的埕北油田约3 5 k m ，自1 9 8 8 年5 月钻探埋北1 2 井时发 现，已开发建成了年产原油2 0 0 万吨规模，是胜利油田增储上产的主力油田之 一。油区春冬多风浪，最大风速3 3 m s ，气候潮湿，冬季有3 0 4 0 c m 厚的海冰 ，冰期9 0 天左右。油区水深5 2 0 米，自然环境和气候条件恶劣。 1 ，1 2 地质储量情况 埋岛油田自1 9 8 8 年5 月钻探埕北1 2 井在东营组和馆陶组试油获高产工业 油流，1 9 9 2 年1 1 月试采成功，经过l o 多年不断的滚动勘探开发，截止到 2 0 0 2 年底，已发现了上第三系明化镇组、馆陶组、下第三系东营组、沙河街 组、中生界、古生界、太古界等七套含油层系，累计上报探明含油面积 1 4 3 9 k n 2 ，石油地质储量3 8 4 6 2 x1 0 4 t 。埕岛自营区共上报探明含油面积 1 2 3 2 k m 2 ，石油地质储量3 3 0 2 2 x1 0 4 t ，白营区分层系上报探明储量如下： 明化镇组：含油面积4 9 k m 2 ，地质储量8 1 8 1 0 4 t ：馆陶组：含油面积 7 8 3 k m 2 ，地质储量2 4 4 5 7 x 1 0 4 t ；东营组：含油面积2 2 ：7 k m 2 ，地质储量3 1 3 2 1 0 4 t ；沙河街组：含油面积0 8 k m 2 ，地质储量4 0 1 0 4 t ；中生界：含油面积 2 7 k i n 2 ，地质储量2 9 8 1 0 4 t ：古生界+ 太古界：含油面积2 9 3 k m 2 ，地质储量 4 2 7 7 x1 0 t 。 1 1 3 产能建设模式及生产规模 埕岛油田按先肥后瘦、先高产后低产、统筹规划、分布实施开发原则， 立足于机械采油、早期防沙、早期注水，打丛式井组，以管线输油为主，油轮 穿梭蜜蜂采油为辅，自发电与岸电结合，海水处理和污水回注相结合进行注水 的产能建设模式建设起来的。油井靠电泵、螺杆泵和自喷采油的自身压力，通 过海底输油管线到中心平台，经油气分离、加热增压，油水混合物经混输泵通 过海底管线送到陆地海三站计量，气体一部分用于发电，或用于海水超重力脱 氧，其余经天然气压缩机增压送至陆地预处理站。 油田自1 9 9 3 年投入开发以来，至2 0 0 2 年底埕岛自营区共上报动用含油面 积5 9 9k m 2 ，储量1 7 5 3 7 1 0 1 t ，实际动用含油面积8 8 7 2 k m 2 ，储量2 6 2 2 6 1 0 4 t ( 包括胜海古1 块、胜海古2 块、埕北3 0 块) 。其中馆上段实际动用储量 1 9 2 9 6 x1 0 4 t ( 包括埕岛主体及埕北2 1 、埕北3 5 块馆上段) ，东营组实际动用 储量2 3 5 5 1 0 4 t ( 包括埕北1 1 、1 2 、埕北古4 、埕北3 2 、2 1 、3 5 、1 5 1 、x 1 0 1 块) ，中生界实际动用储量2 9 8 i 0 4 t ( 埕北1 1 块) ，古生界、太古界实际动 用储量4 2 7 7 x1 0 4 t ( 包括埕北古i 、胜海古1 、胜海古2 、埕北2 4 2 、埕北3 0 块) 。累计动用石油地质储量2 3 0 5 7 万吨，累建产能2 1 6 1 0 t ，成为我国极浅 海海域第一个年产能力超过2 0 0 万吨的大油田。 1 1 4 油田生产现状 截止2 0 0 2 年1 2 月，油田投产总井数2 5 9 口，其中油井2 2 1 口，注水井 3 71 ：3 ，凝析气井1 口，开油井1 8 5 口，日产液能力9 7 2 5 吨，日产油能力6 1 8 9 吨，日产油水平5 7 1 0 吨，单井日液能力5 2 6 吨，单井日油能力3 3 5 吨，综 合含水3 6 3 ，油气比6 1 m 3 t ，采油速度1 1 9 ，采出程度7 7 4 ，含水上升率 2 6 ，自然递减率1 2 5 ，综合递减率5 9 。其中主力含油层系馆陶组总井 2 2 0 口，油井1 8 3 口，开井1 5 4 口， 1 1 5 采油工程现状 埕岛油田自1 9 9 4 年开发以来，为全面实施油田开发方案，落实开发指 标，以延长油井免休期、提高采收率为目标，采油工程技术经过精心研究、努 力实践、不断总结，克服海洋环境恶劣、生产条件复杂等一系列困难，特别是 经过“九五”以来几年的发展，已经形成了一套较为成熟和完整的采油工程配 套技术体系。 ( 1 ) 采油方式 埕岛油田采油方式依据各层系油藏特点而定，其中深层系以自喷为主，浅 层馆陶组油藏以机械采油为主，油井机械采油方式有两种( 螺杆泵和电潜泵) ( 2 ) 完井管柱 采用无套压生产方式，管柱尽可能采用井下安全控制，以确保安全生 产，管柱结构在满足采油工艺、井下作业和测试工艺要求的前提下，尽量简 单。 螺杆泵采用具有软启动特性的电机，管柱由3 - 1 2 m i n t b 6 油管、螺杆泵封 隔器( 带排气阀) 、油管防旋扶正器、螺杆泵定子、油管锚、打压球座、气锚 和丝堵组成。 电泵采用变频启动装置，管柱由2 - 7 8 i n u p t b 6 油管、井下安全阀总成、 过电缆封隔器、电泵机组及扶正器、强磁防垢器、单流阀、泄油器等组成。 ( 3 ) 防砂工艺 新井投产一般采用双层预充填绕丝管或金属棉滤砂管防砂，中高含水期或 采液强度大的油井采用绕丝筛管砾石充填防砂，注水井采用涂料砂化学防砂方 法防砂。 2 管柱设计图 下深 工具名称通径外径长度 ( m ) ( m m( m m )( m ) ) 采油树6 5 0 ll 悬挂器8 0 o1 7 5 il ll 液控管线 i 1 4 i ni 乏虱塞 1 1 0井下安全阀5 8 7 1 2 0过电缆封隔器6 2 1 5 0 皿 k z 1 3 9 0泄油器 油管 2 z 侣机e u 1 4 1 0自洁除砂器 i 1 4 2 0沉砂单流阔 彳1 嚣毯 14 5 0 电泵机组 l5 4 15 i 螽 iii 1 4 6 0扶正器 o l 1 6 ：0 6 1 4 6 02喇叭口 匹 1 5 2 8 5双向流动阀 i ：f 15 2 9 防砂留井鱼项 1 5 3 0 丢手封 】5 4 0滤砂管上界 1 6 3 2滤砂管下界 1 6 4 2丝堵 1 6 6 90 4 人工井底 i 图1 一i c b 2 5 1 c 一5 井完井管柱图 ( 4 ) 注水工艺 采用中心平台取水并处理、卫星平台配水的方式注水，开发初期注清洁海 水，随着开采过程的进行，用采出污水加海水注入。 合注井管柱结构为： 油管+ 井下安全阀+ 水力锚+ y 3 4 1 1 5 0 封隔器( 油层上) + z j k 配水器+ 底步 凡尔+ 筛管+ 丝堵 分层注水管柱结构为： 油管+ 井下安全阀十水力锚+ y 3 4 1 1 5 0 封隔器( 油层上) + z j k 配水器+ 分层 封隔器+ z j k 配水器+ 底步凡尔+ 筛管+ 丝堵 目前，海上共有自喷井1 6 口，占总井数的7 1 ：潜油电泵1 4 5 口，占总 井数的6 4 2 ，潜油电泵平均泵挂1 4 1 9 米，开井1 1 4 口，平均单井日产液 6 2 3 吨，单井日产油4 0 5 吨，平均泵效7 6 7 ：螺杆泵6 4 口，占总井数的 2 8 4 ，螺杆泵平均泵挂7 6 8 米，开井4 0 口，平均单井日产液2 9 1 吨，单井 日产油1 9 2 吨，平均泵效7 6 7 ；海上注水井3 7 口，日注水量2 9 9 0 m 3 1 2 海上配电现状 海上己建成平台发电站一座、3 5 k v 变电站一座、3 5 k v 海底电缆2 1 k m 、6 k v 海底电缆8 6 k m ，海上总发配电能力达到2 5 2 0 0 k v a ，其中，中心一号平台上装 有2 台3 0 0 0 k w 燃气轮发电机组，5 台4 0 0 k w 天然气发电机；中心二号平台上建 有一座3 5 k v 变电所，容量为2 x1 0 0 0 0 k y a ，电源从陆地l i o k v 变电所通过 3 5 k v 双回路海底电缆向平台供电，两座中心平台间用6 k v 海底电缆联络，中心 一、二号平台通过6 k v 海底电缆向各自卫星平台放射式供电，中心一号平台采 用自发电形式辐射1 2 座井组平台，中心二号平台辐射2 4 座井组平台。该电网 系统主要由发电机、变电所、电力负荷、输配电变压器、海底电缆等组成，这 种组成自发电系统和岸电供电相结合的独特的海上供电方式，是随着海上 生产建设实际的发展逐渐形成的，电网输送方式是单线分叉式，通俗地说，每 条线就是串糖葫芦模式。 1 3 本课题研究的主要内容、目的和意义 本课题研究的主要内容是采油平台一变多控系统，即采用多卷式变压器达 到一台变压器的使用效果，满足多规格配电系统的要求，并对配电柜采取有效 地技术措施控制，改善采油机泵的工作状况，其核心是多卷式变压器。 埕岛油田是一个具有良好开发前景的具有百万吨产能的浅海油田。1 9 9 4 年 转入正式开发，当年产油3 0 万吨，之后年年上台阶，1 9 9 9 年已达年产原油 2 0 1 万吨，2 0 0 0 年产油2 1 2 万吨。海上埕岛油田的成功开发对于胜利油田的持 续稳产具有十分重要的作用。由于埕岛油田投产的主要开发层系有馆陶组、东 营组、中生界，各油层埋藏深度、地层和原油物性差别很大，即使同一层位的 油井，其产液能力也不尽相同。这样，在海上同一丛式井组中，各油井的机械 4 采油对电力配置的要求是不尽一致的；另外，就是同一口油井在不同的开采阶 段其采油方式、生产参数也可能产生变化；海上环境恶劣，施工难度大、费用 高，海工工程要求采油平台上的设备配置尽可能占地面积小，并且能够一步到 位，由此给采油设备的电力配置带来了一定的困难。针对海上这一特殊情况， 为了节约采油平台空间，降低工程费用，方便配电管理，研制海洋采油平台一 变多控系统对于海上石油开发具有重要的现实意义。主要目的是：在设备一次 到位的前提下，解决多口不同机械采油井( 主要是电泵井) 的配电问题，减少 了平台占用空间，节约了大量工程投资，取得良好的经济效益。 1 4 国内外研究现状 8 0 年代之前，我国的变压器专用设备技术水平总体上是比较低的，除绕线 设备有专业生产厂外，其余绝大部分为自制的相对比较简单的设备。8 0 年代， 变压器行业进口的具有代表性的设备有：纵剪线、横剪线、煤油气相干燥装 置、波纹油箱生产线、低频电热干燥系统等。9 0 年代，由于干式变压器的推 广，进口了一批环氧浇注设备和箔式绕线机及绝缘件加工中心。环氧树脂干 式变压器由于具有防潮，阻燃和自熄的特性，近年来逐渐在城市电网中广泛采 用。然而，由于国内厂家在原材料、制造工艺及质量控制等方面的问题，干变 也存在着树脂绝缘开裂、绝缘劣化、匝问短路等问题。百台年事故率约为 0 9 1 ，较油浸变压器高。在我国，由于种种原因，八十年代中才逐步推广 使用干式变压器，3 5 k v 、1 0 0 0 0 k v a 及以上大容量干式变压的变压器在全国运行 的很少。变压器在输变电系统中，具有十分重要的地位。人们对其安全可靠性 的要求尤为突出，变压器运行的可靠性除结构设计合理外，在很大程度上取决 于制造的工艺及加工设备。目前我国机械制造业技术改造滞后，绝大部分使用 普通机床，很少采用数控机床及加工中心，因而受到加工零件的制约。 目前变压器主要向四个方面发展：一、向特大型超高压方面发展，电压等 级为2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v ，将来向7 5 0 k v 、1 0 0 0 k v 发展。二、向节能化、小 型化、低噪音、高阻抗、防爆型发展。随着变压器产品的发展及工艺的技术进 步，更新设备的要求会更加迫切。三是铁心结构也采用卷制形式，多功能组 合，从单一变压器向带有风冷、保护外壳、温度计算机接口、零序互感器、功 率计量、封闭母线及侧出线等多功能组合式变压器发展。四是多领域发展： 从以配电变压器为主，向发电站厂用变压器、励磁变压器、地铁牵引整流变压 器、大电流电炉变压器、核电站、船用及采油平台用等特种变压器及多用途领 域发展。 1 5 埕岛油田配电发展历程 ( 1 ) 采油变压器 采油变压器是海上电力系统配电的重要设备，只有通过变压器的转换才能 提供适合油井生产的电压等级，满足油井生产，最早的变压器是c b l l a 、1 l b 等平台的油侵式变压器，但随着干式变压器的发展，再加上海上特殊环境的要 求，逐渐被干式变压器所取代如目前仍在部分老平台如c b l l d 等使用的1 2 5 k v a 变压器，与电泵井一一对应，占地面积大。但随着埕岛油田的深入开发，这种 变压器的缺点逐渐暴露出来：由于各油层埋藏深度、地层和原油物性差别很 大，即使同一层位的油井，其产液能力也不尽相同，这样，在海上同一丛式井 组中，各油井的机械采油对电力配置的要求是不尽一致的：另外，就是同一口 油井在不同的开采阶段其采油方式、生产参数也可能产生变化，就需要不同的 电压等级，海上环境恶劣，施工难度大、费用高，海工工程要求采油平台上的 设备配置尽可能占地面积小，并且能够一步到位，由此给采油设备的电力配置 带来了定的困难。针对海上这一特殊情况，经过我们和厂家的共同攻关，就 逐形成了如今广为使用的一变多控变压器，该变压器具有损耗低、体积小、噪 声低、抗短路能力强等特点，完全适应于海上平台特殊环境的要求。目前使用 的主要是广东顺德和山东金曼克两家生产的设备，容量从8 0 0 、1 0 0 0 、1 2 5 0 等 多种，电压等级、容量各不相同，如8 0 0 k v , 变压器：电压等级 6 0 0 0 1 2 6 0 1 0 5 0 4 0 0 ( 3 8 0 ) ，对应容量为8 0 0 4 5 0 1 2 5 4 6 0 k v a ，当然，其容 量和电压等级是根据地质资料提供的数据经过计算满足规定的负荷得出来的， 并不是凭空想象或各平台都一样，需要经过严格的负荷计算。由于一变多控变 压器系统能够提供多种输出电压等级，并且每一电压等级都留有余量，这样， 就扩大了海上丛式井组机械采油方式选择和应用的范围，并为作业换泵或更换 泵型提供了方便。同时，由于采用积木式控制柜，实现了机械采油井的集中控 制。 ( 2 ) 高压开关柜 高压开关柜是电网输送环节中的关键设备之一，目前海上主要使用的有三 种：老式开关柜d g 一1 a f ( 中心一号及c b l l 、2 2 区块1 1 个井组平台使用 ( 1 l d 、l l f 、1 1 g 、2 5 d 、2 2 a 、2 2 b 、2 2 c 、2 5 a 、2 5 b 、2 5 1 h 、2 5 1 b ) ；使用 c x g n 2 1 0 箱型固定开关柜的有中心二号6 k v 高压室及1 3 个井组平台( 2 2 d 、 2 0 a 、2 5 c 、2 7 a 、2 5 t c 、1 2 a 、l h 、1 b 、1 c 、6 a 、6 9 、6 c 、2 7 1 a ) ；使用c k y n 一 1 2 型金属铠装中置式开关柜的有11 个井组平台( 2 0 b 、4 a 、4 b 、4 c 、2 5 1 d 、 1 d 、l l h 、1 1 b 、1 1 t 、1 2 b 、6 5 ) 。 由于d g 一1 a f 开关柜柜体存在一些吊装问题、关不严，没有凝露加热器、 爬距增长器、热缩管等，据统计，在9 8 9 9 年间出现多次相间闪烙造成的停电 事故，而且d g 一1 a f 的进线及母联开关为高压熔断管，由于油田的滚动开发， 井组平台t 接下去，负荷增大，使接触面本身就小的高压熔断管很容易发热、 爆裂。 c x g n 2 1 0 箱型海洋固定平台交流金属封闭开关设备存在的主要缺陷是其进 线柜和母联柜采用的高压熔断管而不是断路器，由于熔断管质量并不过关增加 6 了事故隐患；柜内随有凝露加热器，但柜体后盖不密封，易引起电气元件受潮 导致整体绝缘水平下降。 随着开关柜技术的进步，在c x g n 2 一i 0 箱型海洋固定平台交流金属封闭开 关设备基础上开发出了中置式开关柜，中置式开关柜逐渐成为海上首推产品， 该类产品柜体结构选用了不需进行任何表面处理的2 m m 厚敷铝锌板材，具有很 强的抗腐蚀、抗氧化能力。且采用多重折边加工工艺，不仅保证了高强度，而 且在重量上有了较大下降，吊装不易变形；柜体内部由接地的金属板分成断路 器室、母线室、电缆室和继电器仪表室，封闭完善防护等级达到i p 4 2 ，可有 效控制内部事故蔓延；柜内选用v bi 一1 2 真空断路器，采用加强型全绝缘结构 设计，具有极高的机械寿命和电寿命：检修方便，其断路器小车( 手车) 结构 紧凑，体积较小，配有可靠的推进、退出机构及连锁件、连锁机构动作灵活可 靠；电缆室空间充裕，单芯电缆、三芯电缆均可方便安装、而且每相均可安装 多根电缆；开关设备具有可靠的“防误”联锁机构，从而为设备正常运行提供 安全保障；断路器室动静触头联接基本采用全绝缘方式，选用加大爬电比距的 绝缘件，使绝缘性能大大增强。 ( 3 ) 低压配电柜 油井低压配电柜开始是一对一生产的配电柜，一口井对应一台配电柜，分 散放置，占用面积多；后来螺杆泵控制柜发展为组合多米诺盘式结构，该结构 产品电源采取轨道式，易老化，经常出现烧坏现象，目前发展为直接利用施耐 德开关，增加继电器启动的方式，解决了以前的问题，使用效果良好。 1 6 本课题解决的主要问题 设计新颖、先进、可靠的“一变多控”系统，满足不同电压等级机采设备 和生活用电需要： 配电柜调整灵活、管理方便，便于后续油井机采方式转换，减少建设工作 量； 减少设备费用，节约平台面积，具有良好的经济效益。 7 第二章海洋采油平台一变多控系统的总体设计 2 1 一变多控系统设计思想 坚持安全、适用、经济、可靠的原则。 在满足国家有关规范规定的前提下，采用成熟技术，做到生产运行可靠， 操作维修方便。 满足现场不同电压等级需要。为海上原油生产提供稳定电源。 2 2 一变多控系统工作原理 采油平台一变多控系统的主要原理：采用多卷式变压器达到一台变压器 满足多规格配电要求；通过配电柜有效地控制和改善采油机泵的工作状况，其 核心是多卷式变压器。 电压等级确定： 原边电压：为海底电缆系统输电电压； 副边电压：为采油设备需要的地面配电电压及平台设备的工作电压。 容量计算： 变压器额定( 原边绕组) 容量( k v a ) = 平台总负荷 各副边绕组容量( k v a ) = ( 3 u i 1 0 0 0 ) 式中：u 该绕组设备需要的地面电压； i 该绕组设备额定电流，a 。 一般的变压器都是两卷式，而我们研制的在埕岛油田使用的变压器，采用多 卷，可以提供多种不同电压等级的电压，即该变压器由多个独立的绕组组成， 即原边6 k v ，副边1 2 5 0 v 、1 0 5 0 v 组( 1 2 5 0 v 组为抽头) ，副边7 9 0 v 组，副边 4 0 0 v 、3 8 0 v 组( 3 8 0 v 组为抽头) ，可同时提供5 组不同的输出电压，供潜油 电泵、螺杆泵、加热、伴热等混合负载使用。副边容量余量较大，主要是考虑 使用负荷调整灵活方便，设计时注意总负荷不能超出原边承受能力。 根据多制式供电的特点和实际使用需要，在变压器的设计过程中，将铁芯 磁密定在1 5 0 0 0 高斯，优先选用日本进口冷轧晶粒取向硅钢片，采用步进叠 铁技术，合理地确定铁芯的几度尺寸。同时，将绕组导线的电流密度定在 1 8 a m m 2 左右。考虑到在调整电压时各副边输出电压互不影响，由副边绕组调 压，电压调整率为3 0 0 3 k v 。 由于变压器各个副边绕组容量不等，且调压又在副边绕组，一般为同心绕 组，难 8 圈2 - i 一变多控系统一次接线图 以解决磁平衡问题，所以在绕组的设计、绕制工艺上采用交叉式结构，解决了 磁平衡问题。 这样，通过一台变压器，可以得到多种不同的电压，不同电压等级的容量 要求根据现场实际情况详细计算，就得到了一台经济、实用的多功能变压器。 2 3 一变多控系统应达到的性能指标 ( 1 ) 提供多种输出电压等级，并且每电压等级都留有余量，为海上丛式井 组机械采油方式选择和应用的范围提供方便； ( 2 ) 达到方便操作和控制，方便采油平台的供配电管理。 ( 3 ) 达到了节约电能，减轻设备重量的目的。 ( 4 ) 达到节约平台面积，实现海上采油供电设备的小型化、集约化、系列化 的目的。 9 图2 - 2 变压器外观圈 1 0 笫三章适于海洋工作环境的多绕组变压器关键问题的研究 采油平台一变多控系统的核心是多卷式变压器，因此多卷式变压器的参 数确定与计算是采油平台一变多控系统应用的关键，下面分别进行介绍。 3 1 电压等级确定 原边电压：为海底电缆系统输电电压： 副边电压；为采油设备需要的地面配电电压及平台设备的工作电压。 3 2 容量计算 变压器额定( 原边绕组) 容量( k v a ) = 平台总负荷 各副边绕组容量( k v a ) = ( 3 u i 1 0 0 0 ) 式中：u 该绕组设备需要的地面电压； i 该绕组设备额定电流，a 。 3 3 变压器技术特点 ( 1 ) 机械强度 一变多控变压器绕线式绕组，是采用环氧树脂真空浇注、玻璃纤维增强、 薄绝缘、铜导体的产品，其具备的特点之一是有非常高的机械强度( 树脂与玻 璃纤维形成的复合绝缘，其抗拉强度为6 0 0 7 0 0 m p a ，是树脂与硅微粉形成的复 合绝缘抗拉强度的7 倍多) 因此采用该工艺结构形式的产品，在做突发短路时 均全部合格，而低压箔绕式，在做突发短路时事故较高。在研制过程中，我们 和厂家一起攻关，解决了这一技术难题。 干式变压器的高、低压绕组按其绕制方式及是否浇注进行分类，见下表。 而某一台干式变压器的高、低压绕组可以采用下表中的任意高压和低压绕组的 组合形式。比如，可以采用高压绕组是导线浇注和低压绕组是箔式浇注的组合 形式等。下面就针对这些组合形式将干式变压器短路试验中出现的问题归纳如 下。 低压绕组 高压绕组 箔式浇注导线浇注 借日部封端 箔式不浇注导线不浇注 部不封端 导线浇注箔式浇注 a 不论是哪一种高、低压绕组组合形式的干式变压器，其绕组端部支撑垫 块出现的问题都占试验不合格产品的7 3 6 ，这是短路试验不合格的主要问 题。故障形式是垫块断裂、位移，甚至脱落。 b 无论是哪种高、低压绕组组合形式的干式变压器，其低压绕组与铁心间 的硬支撑不紧导致试验不合格的产品都占5 3 。故障形式是绕组位移、偏心， 甚至高、低压绕组呈顺、逆时针转动。 c 对低压绕组为箔式绕组不浇注的干式变压器，除项a 和项b 的问题外， 短路试验时低压箔式绕组变形占5 3 ，有的变为仿锤形，有的变为多边形。 d 低压侧固定低压引出线铜排的绝缘子有拉裂现象，特别是容量较大的干 式变压器，此类问题占1 0 5 。 e 低压为箔式绕组且浇注的，有将低压引出线铜排与低压绕组本体拉裂的 占5 3 。 低压箔式绕组抗短路能力较差，且一旦在突发短路后出现仿锤形及多边 形，将会改变原产品阻抗电压值，其结果会使系统的保护失去作用或误操作。 我们研制的一变多控变压器可通过突发短路试验。 ( 2 ) 散热效果 由于优质纯树脂与玻璃纤维构成的复合绝缘具有极高的电气强度和机械强 度，变压器绝缘仅有1 2 m m 厚，有效地提高了线圈表面的散热效率；散热气道 轴向多层设置方案的实施，从结构上保证线圈内每根导线至少要有二个散热面 的要求。这样对整个绕组来讲，基本上达到了产热与散热的均匀平衡，将每匝 温度值描述后，得到绕组的温度曲线图( 见图3 - 1 ) ，彻底解决了长期困扰干 式变压器的热点温升问题。 。飞 削3 - ! 绕组的剖面及温度分布曲线图 变压器将测温点放在低压线圈的外层的上端部，距导体3 r n m 处，此处即有 低压线圈本身产生的热量，又有高压线圈及铁心产生的热辐射，从此处测到的 温度，即是该产品的真实的最高温度。 在普通变压器中，绕组是由绝缘导线一匝一匝绕制而成。每层绕组由 多匝导线串联组成，匝与匝之间是绝缘的，由于导线的横截面不大，因而在阻 抗计算时可以不考虑电流的挤流效应而得到满意的结果。然而，箔式的是由一 张非常薄、非常长、宽度等于电抗器高度的箔纸卷绕而成，每一层就是一匝箔 1 2 纸，每匝箔纸之间用绝缘隔离，由于挤流效应的影响，流过箔纸的电流在箔纸 中的分布是不均匀的，箔纸两端流过的电流要比箔纸中间流过的电流大，在这 种情况下再按普通的方法求箔式电抗器的阻抗会带来极大的的误差。而且，随 着变压器高度的增加，也就是箔纸宽度的增加和流过的变压器的电流频率的增 大，挤流效应将越来越严重。 从以上概述说明箔式绕组的电流并非是均匀分布的，存在着挤流现象，从 而使铜箔的局部电流密度增大，而导体绕线式电流分布是基本均匀的。 低压箔式绕组( 见图3 - 1 ) ，箔式绕组整体有四个散热面( 因端部截面积 很小，且有绝缘包封，故忽略不计) ，从绕组内层、风道两边及外层散热条件 是好的，但是y 层( 也叫匝) 处，它的散热要通过一层层传导来完成，而且层 与层之间放置的绝缘材料均为热的不良导体，故散热性能较差。我们将每一层 温度值描述后，得到绕组的温度曲线图。 同样低压箔式绕组的测温点，虽然也放在绕组的上端部，但其点并非是绕 组的最高温度点，故其显示的温度是虚假值，用户需加以注意，且y 处是该结 构产品的过热点，这对于该种结构产品整体寿命将产生一定影响。 从图3 2 两条不同的温度分布曲线中，可清楚看出两种不同结构产品优劣 及特点。 r c 图3 - 2 箔式绕组的剖面及温度分雍曲线图 性 l vh v 辐向渭磁通l vh v 辐向漏磁通 密度分布密度分布 图3 - 3 辐向漏磁通分布曲线图 ( 3 ) 、辐向漏磁通 理想变压器的垂直于主漏磁通的辐向漏磁通等于零，这是因为辐向漏磁能 使绕组内涡流增大，并可在外部短路时产生使绕组支撑成问题的电磁机械力。 减少辐向漏磁通是变压器制造企业重视的问题，但因变压器需要调压及结构等 原因，完全理想化是不可能的。 绕线式低压绕组，因低压导体截面是高压导体截面的若干倍( 电压比 1 0 k v 0 4 k v 、3 5 k v 0 4 k v ) 使得低压绕组的螺旋角大大的大于高压绕组的螺旋 角，造成h v 、l v 两绕组相应端部区域安匝不平衡，从而产生端部辐向漏磁 通，而高压绕组中部为段间绝缘，低压绕组中间为换位区问，故不产生辐向的 漏磁通( 见图3 3 ) ，将其传统的低压绕组结构( 见图3 4 ) 。改变为新的结 构( 见图3 - 5 ) ，使螺旋角减少2 3 ，故辐向漏磁通大大减少。 a a 图3 4 传统的绕组结构图3 - 5 新的绕组结构 ( 4 ) 浇注的目的及装配结构 环氧树脂与玻璃丝形成的复合绝缘材料与空气的介电系数比值为4 2 ： l 。在一个强电场内，若复合绝缘材料和空气同时存在，各自所承担的电场强 1 4 串 度与介电系数的比值成反比，因此绕组的绝缘材料中有空气存在，势必造成局 部放电量大，久之绝缘被击穿破坏，所以树脂浇注干式变压器的绕组中不能含 有空气是保证产品可靠性的重要环节。 树脂浇注干式变压器的高、低绕圈的浇注是在如下条件下完成： ( i ) 环 氧树脂及固化剂等组份，采用薄膜脱气的方式将以上液体原料中空气排除。 ( 2 ) 己绕制完毕的线圈，在一个可抽真空的罐体内进行真空处理。( 3 ) 树脂 等组份完全排除空气后，由计算机控制准确的将各组份按设定的比例输送到静 态混料器内( 目的是减少混料时问，均匀) 混合，然后从下至上浇注到己真空 处理完毕的线圈中，固化成形。从绕线式绕组剖面看其浇注的目的，是使绕组 匝间、层间、段间、主、辐向绝缘均通过环氧树脂与玻璃纤维的复合绝缘来达 到其绝缘和机械强度的目的。而箔式绕组其浇注的目的是使绕组外表面形成一 个树脂加硅微粉( 填料) 的外壳，( 若低压箔式不浇注，其机械强度更差，且 线圈的凝露使得整体不予加热处理后，无法投入运行) 。匝间、层间、段间的 绝缘均不通过树脂浇注来实现，铜箔在绕制浇注前，层与层之间的空气不能完 全排除，这种工艺应用在高电压产品制造上局部放电量明显增大。 因绕线式绕组具备非常好的机械强度，故该绕组装配结构( 见图3 7 ) 不需要依靠铁心来支撑，使得绕组和铁心都具有很好的散热条件，而低压箔式 绕组装配结构( 见图3 6 ) 、轴、辐向机械力差，需依靠铁心来支撑，使得铁 心和低压绕组内层丧失i 3 的散热面。即使两种结构的产品，其铁心柱表面积 与绕组内表面积完全相同，其温度也有较大差异。 x 0 圈3 - 6 低压箔式绕组装配结构 图3 7 低压线绕绕组装配结构 ( 5 ) 、专利技术 a ：外观设计 哥取孵讲品 其它产品 图3 - 8 专利技术产品外观图3 2 9 其它产品外观 专利技术产品( 见图3 8 ) 是把高压侧d 或y 的连接线浇注在一个封闭母 线板内，即可满足长途运输需要，也可承受产品长期运行及突发短路产生的冲 击力，无载调压区采用耐压罩封闭可避免水蒸气及灰尘在端子之间产生闪烁。 而其它产品( 见图3 9 ) 不具备其特点，特别是高压侧d 连接时，突发短路可 使其连接线变形或断裂。 b ：电力变压器轭铁紧固装置 专利技术的轭铁紧固装置( 见图3 一1 1 ) ，此装置拉带采用钢结构( 两端采 用树脂绝缘件，避免其形成短路) 其强度足以达到夹紧上下轭铁之目的。因该 装置采用不需要( 见图3 - 1 0 ) ( 穿芯式) 所示的上下轭铁冲孔，避免因冲孔使 其截面积减小、噪声增大的缺陷，又能使铁心柱与下夹件平面形成垂直，保证 其整体装配质量。 c ：干式变压器闭锁式拉板紧固装置 穿心杆式 图3 一l o 穿芯式装置 1 6 拉 ；拭 图3 - 1 1 轭铁紧固装置 目镘式拉楹g 醚置 a 放大 图3 - 1 2 专利技术闭锁式拉板紧固装置 专利技术闭锁式拉板紧固装置( 见图m ) ，是在每个铁心柱表面两侧分别 放置经过断磁处理的钢板( 两者同电位) ，通过夹件使其片形弹簧在一个外力 的作用下，闭锁在夹件、树脂压注垫块与绕组之间，片形弹簧将永久性的产生 向下的力f 1 ( f 1 m 突发短路产生轴向机械力7 5 ) 作用于线圈，供其固定和满 足热胀冷缩的需要，而必然产生与f 1 大小相等、方向相反力f 2 作用于夹件， 因夹件与钢板连接，钢板也永久性的承受一个方向上的力f 2 ，对铁心起到一个 良好的绷紧作用，使铁心不能弯曲和松散，因此噪声不随运行时间的延长而增 大。 因拉杆紧固装置，仅通过拉杆紧固带动夹件压紧绕组，与铁芯无关，所 以长期运行螺母松动，铁芯松散，产品噪声增大，若不及时维护，突发短路时 会造成严重后果。若采用橡胶复合垫块来适应热胀冷缩的需要，在高温度下， 短期内可失效。 d ：无碱无蜡玻璃丝带包电磁线 该项技术专利的采用，使得树脂浇注干式变压器在可靠、耐热等方面有一 个质的突破。克瑞斯特技术生产的干式变压器的高压绕组的导体采用纸包( 即 l o o 木浆纸) 扁铜线，从浇注后的剖面观察环氧树脂对木浆纸渗透不完全，木浆 纸的痕迹清晰可见，故用此绝缘的导体绕组，局部放电量大，且木浆纸属a 级 绝缘，耐热强度低。在分析纸包扁铜线缺点的基础上，改用聚脂无纺布包铜线， 虽然其剖面观察渗透性优于纸包线，局部放电量小，但其绝缘属a 级范围，其 机械强度较差。采用双玻璃丝包电磁线很好的解决了机械和绝缘强度问题，即 优于f 绝缘，但因该导线绝缘与导体之间残存有气泡，而无法去掉的原因，使 蝴蓼 n k 一= 藏糍 用该导线的产品局放量增大，从剖面观察双玻璃丝包线原形浇注后没有任何变 化，树脂对其未有任何渗透能力，浇注树脂与绝缘层不偶合，整体机械强度下 降。无碱无蜡玻璃丝带包电磁线是在实践分析以上绝缘材料的导体优缺点的基 础，发明的一种即具有很好渗透性和工艺性，又具有高绝缘等级的( 优于h 绂) 新型材料。无碱是指玻璃丝中含碱金属氧化物量非常低，从而使玻璃丝的 韧性强，机械强度高，无蜡是指将生产玻璃丝过程使用的蜡全部去掉，保证其 树脂的渗透性，用此玻璃丝加工成0 1 2 r a m 厚的均匀带，包扎在铜导体表面 后，用以绕制线圈，其绝缘材料于导体之问空气在真空罐中被排除，故使该产 品局放量非常小( 1 0 k v 级产品一般 4 p c 、3 5 k v 级产品一般 8 p c ) ，从剖面观 察导体周围浇注渗透状态，没有任何不良痕迹。 3 4 、检验手段 表3 - 2 原材料、零部件及成品试验表 序原材料 质量证明文件入厂检验原材料来源 号名称 环氧树脂 按q j j m k z j 0 0 1 1 4 9 9 德国b a k e l i t e l质保单环氧树脂检验指导书检瑞士c i b a g e i g y 及添加剂 测公司 按q j j m k z j 0 0 1 1 4 9 9日本新日铁株式 2硅钢片质保单 硅钢片检验指导书检验会社 按q , i j m k z 3 - 0 0 1 1 4 9 9江苏句容电磁线 3电磁线质量检验报告 电磁线检验指导书检验有限公司 按q j j m k z j 0 0 1 2 - 9 9山东济南金曼克 4温控器检验报告 温度控制器检验指导书电器公司 按q j j m k z j 0 0 1 1 2 9 9山东淄博东方变 5风机出厂检验报告 风机检验指导书检验压器组件厂 有载调压 按q j j m k z j 0 0 1 卜9 9 山东金乡持恒开 6出厂检验报告 有载开关检验指导书检 关厂开关 零部件 工序检验及测量 旧 部件名称工序加工手段 设备 采用b z r 一1 型自动化绕线机， 按 线圈 具有微机控制、交流变频调 q j j m k j 0 0 2 1 1 速，自动排线，自动汇数，自 绕制 9 9 低压线圈工序 动控制张力等功能，直径 检验指导书和 1 6 0 0 m m ，高度为2 0 0 0 m m 。 q j j m k j 0 0 2 1 2 采用德国h e d r i c h 公司d e m 2 4 0 9 9 高压线圈工序 型真空浇注设备，该设备采用 检验指导书检 线圈罗茨真空机组，同步计量泵计 验，用游标卡 浇注量，静态混料，薄膜脱气，自 尺、外卡、钢板 动化程度高，升温快，真空度 尺测量。 可达0 o l m b a r 。 1线圈 按 q j j m k z j 0 0 2 2 9 8 线圈检验指导 采用线圈整型设备加工 书检验，用外 成品 尺、钢板尺测 量。 线圈 序部件 工序加工手段 工序检验及测 号名称量 采用比利时s o e n e n 公司生产的 铁芯下 t r l 6 0 0 4 型全自动数控剪切线，该 生产线有六个料头步进叠片，自动堆 料 垛，最大加工尺寸为4 6 4 0 m m ，加工 q j j m k j 0 0 2 11 精度为0 1 m m ，毛刺o o l m m 。 9 9 铁芯检验指 2铁芯铁芯叠 导书检验，用 装 采用五步进叠装工艺 钢板尺及千分 固化绑 尺检测。 扎涂层 严格工艺指导书施工 铁芯成 符合图纸技术条件规定 日日 1 9 按 q j j m k 3 0 0 2 3 器身 9 9 器身装配检 3装配自动升降工作台 装配 验指导书检 验。 按 变压 成品装 o j j m k z j 0 0 2 5 4器成温控、风机系统测试台- 9 9 变压器成品 配 口口检验指导书检 验。 序 试验项目测试设备技术要求 号 电压比及电压矢符合g b l 0 9 4 卜9 6 标准7 表 1q j 3 5 电压比电桥 量关系4 规定 2线圈直流电阻j d 2 5 2 0 数显电桥符合g b t 1 0 2 2 8 1 9 9 7 规定 3绝缘电阻g z 一5 a 、z c li d - 5 兆欧表符合j b t 1 0 2 2 8 - - 1 9 9 7 规定 空载电流和空载符合g b l 0 9 4 卜1 9 9 6 电力 4微机控制性能试验系统 损耗变压器第9 条规定 阻抗电压及负载符合g b l 0 9 4 卜1 9 9 6 标准7 5微机控制性能试验系统 损耗表4 规定 试验变压器y d - 1 0 0 1 0 0符合g b 6 4 5 0 8 6 表6 规定 6工频耐压 y d 一2 5 1 0 0 z y d 5 5 05 6 条 1 5 0 h zt f 4 5 0 - 1 2符合g b 6 4 5 0 8 6 第5 7 条规 7感应耐压 t f l 0 0t f l 0 0 1 2 定 8局部放电测量j f d z b 局部放电测试系统 符合j b t 5 6 0 0 9 9 8 规定 m c v 一8 0 0 冲击电压发生器符合g b 6 4 5 0 - 8 6 表6 规定 9 雷电冲击试验 成套设备5 8 条规定 性能试验全套设备采用相符合g b 6 4 5 0 8 6 5 1 1 条 1 0温升试验 至负载试验品g b t 1 0 2 2 8 9 8 规定 l l声级测量 n d i o h s 5 6 3 3 型声级计按g b 7 3 2 8 8 7 标准测量 3 5 、试验以及验收大纲 出按j b d q 2 6 2 8 9 0 树脂绝缘按照j b d q