124
ОБОРУДОВАНИЕ
В
настоящее
время
значи
-
тельная
доля
потребления
электроэнергии
в
системе
электроснабжения
нефтяных
месторождений
приходится
на
ме
-
ханизированную
добычу
пластовой
жидкости
установками
электроцен
-
тробежных
насосов
(
УЭЦН
).
В
боль
-
шинстве
случаев
электроприводная
часть
УЭЦН
включает
в
себя
асин
-
хронные
двигатели
с
короткозам
-
кнутым
ротором
,
отличающиеся
не
-
высокой
стоимостью
и
повышенной
надежностью
по
сравнению
с
дру
-
гими
типами
электродвигателей
,
в
частности
,
вентильными
[1–3].
Среди
недостатков
асинхронно
-
го
электропривода
—
сравнитель
-
но
низкие
значения
коэффициента
мощности
(
от
0,8
до
0,84
в
номиналь
-
ном
режиме
),
что
приводит
к
возрас
-
танию
потребляемого
тока
,
а
значит
и
к
увеличению
потерь
мощности
в
токоведущих
частях
УЭЦН
[1, 4].
Одним
из
способов
снижения
рабо
-
чего
тока
погружных
электродвига
-
телей
(
ПЭД
)
является
применение
внутрискважинных
компенсаторов
реактивной
мощности
(
ВКРМ
) [4–9].
ВКРМ
(
рисунок
1)
включает
в
себя
один
или
несколько
высокотемпера
-
турных
конденсаторов
.
Наличие
кон
-
денсаторов
в
электрических
цепях
,
как
правило
,
приводит
к
броскам
тока
при
коммутациях
[10]
вследствие
их
разряда
.
В
зависимости
от
мощности
установки
компенсации
реактивной
мощности
характер
кривой
и
ампли
-
туда
разрядного
тока
могут
превы
-
шать
номинальные
значения
тока
оборудования
электротехнического
комплекса
УЭЦН
:
нефтепогружных
кабелей
и
питающих
трансформато
-
ров
,
что
приводит
к
повышенному
из
-
носу
изоляции
.
Кроме
того
,
при
отключениях
ис
-
точника
внешнего
электроснабжения
происходит
обмен
энергией
между
конденсаторами
ВКРМ
и
обмоткой
погружного
электродвигателя
,
что
,
в
свою
очередь
,
влияет
на
величи
-
ну
и
характер
изменения
токов
стато
-
ра
и
ротора
[10].
Таким
образом
,
исследование
электромагнитных
переходных
про
-
цессов
в
ЭТК
УЭЦН
с
точки
зрения
влияния
разрядного
тока
ВКРМ
на
характер
их
протекания
при
комму
-
тациях
источника
питания
является
актуальной
задачей
.
ОБЪЕКТ
И
МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследуемый
участок
ЭТК
УЭЦН
включает
источник
питания
(
ИП
),
пи
-
тающий
(
повышающий
)
трансфор
-
матор
(
Т
),
кабельную
линию
(
КЛ
),
погружной
асинхронный
электродви
-
гатель
(
ПЭД
)
и
внутрискважинный
компенсатор
реактивной
мощности
(
рисунок
2) [5].
В
момент
отключения
станции
управления
сопротивление
отклю
-
чаемого
участка
цепи
ЭТК
УЭЦН
Копырин
В
.
А
.,
к
.
т
.
н
.,
доцент
кафедры
электро
-
энергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
Лосев
Ф
.
А
.,
к
.
т
.
н
.,
доцент
кафедры
электро
-
энергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
Хамитов
Р
.
Н
.,
д
.
т
.
н
.,
профессор
кафедры
электрической
техники
ФГБОУ
ВО
«
Омский
государственный
технический
университет
»;
профессор
кафедры
электроэнергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
Хмара
Г
.
А
.,
к
.
т
.
н
.,
зав
.
кафедрой
электро
-
энергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
Попов
Е
.
И
.,
ассистент
-
стажер
кафедры
электроэнергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
Ключевые
слова
:
внутрискважинный
компенсатор
реактивной
мощности
,
погружной
асинхронный
электродвигатель
,
кабельная
линия
,
трансформатор
,
электроцентробежный
насос
,
переходные
процессы
Исследование электромагнитных
переходных процессов в погружной
установке для добычи нефти
с внутрискважинным компенсатором
реактивной мощности
УДК
621.313:621.316.7
Приведены
исследования
электромагнитных
переходных
процессов
в
электротехническом
комплексе
(
ЭТК
)
погружной
установки
для
добычи
нефти
с
внутрискважинным
компенсато
-
ром
реактивной
мощности
(
ВКРМ
)
с
учетом
изменения
длины
кабельной
линии
.
Разработа
-
на
имитационная
модель
ЭТК
погружной
установки
.
Получены
осциллограммы
переходных
процессов
.
Установлено
,
что
в
момент
отключения
источника
питания
происходит
бросок
тока
разряда
ВКРМ
,
в
4,9
раза
превышающий
номинальный
.
После
отключения
источника
питания
кривая
тока
имеет
колебательный
характер
,
затухающий
по
амплитуде
.
125
определяется
сопротивлениями
погружного
электро
-
двигателя
,
вторичных
обмоток
и
ветви
намагничива
-
ния
питающего
трансформатора
,
кабельной
линии
и
внутрискважинного
компенсатора
.
Характеристики
напряжения
и
тока
переходных
процессов
в
элемен
-
тах
комплекса
определяются
начальными
условия
-
ми
и
параметрами
схемы
замещения
.
При
моделировании
были
приняты
следующие
допущения
и
упрощения
:
–
параметры
элементов
ЭТК
УЭЦН
линейны
,
то
есть
отсутствуют
явления
гистерезиса
,
насыще
-
ние
стали
и
т
.
д
.;
–
фазы
симметричны
.
Кабельная
линия
в
электротехническом
комплек
-
се
УЭЦН
предназначена
для
передачи
электроэнер
-
гии
погружному
электродвигателю
с
внутрисква
-
жинным
компенсатором
реактивной
мощности
от
повышающего
трансформатора
.
Математическая
модель
связи
входных
и
выходных
токов
и
напряже
-
ний
КЛ
в
трехфазной
системе
координат
в
матричной
форме
описывается
системой
дифференциальных
уравнений
:
C
g
0 0
0
C
g
+ 3
C
l
0
0
0
C
g
+ 3
C
l
·
d u'
2
=
i'
1
+
i'
2
dt
L
+ 2
M
0 0
0
L
–
M
0
0
0
L
–
M
R
+
2
R
m
0 0
0
R
–
R
m
0
0
0
R
–
R
m
·
d
i'
1
=
u'
1
–
dt
·
i'
1
, (1)
где
u'
1
,
u'
2
—
матрицы
фазных
напряжений
в
нача
-
ле
и
в
конце
ветви
соответственно
;
i'
1
,
i'
2
—
матри
-
цы
фазных
токов
в
начале
и
в
конце
ветви
соответ
-
ственно
;
R
—
активное
сопротивление
фазы
,
Ом
;
R
m
—
взаимные
активные
сопротивления
фаз
и
зем
-
ли
;
L
—
индуктивность
фазы
;
M
—
взаимная
индук
-
тивность
фаз
;
C
g
—
емкость
между
фазой
и
землей
;
C
l
—
межфазная
емкость
.
В
качестве
питающих
трансформаторов
УЭЦН
,
как
правило
,
используются
повышающие
трехфаз
-
ные
двухобмоточные
трансформаторы
марки
ТМПН
.
Система
дифференциальных
уравнений
для
трех
-
фазной
схемы
замещения
имеет
вид
:
d
.
dt
=
L
AA
L
AB
L
AC
L
Aa
L
Ab
L
Ac
i
A
L
BA
L
BB
L
BC
L
Ba
L
Bb
L
Bc
i
B
L
CA
L
CB
L
BC
L
Ca
L
Cb
L
Cc
i
C
L
aA
L
aB
L
aC
L
aa
L
ab
L
ac
i
a
L
bA
L
bB
L
bC
L
ba
L
bb
L
bc
i
b
L
cA
L
cB
L
cC
L
ca
L
cb
L
cc
i
c
, (2)
R
A
0 0 0 0 0
i
A
0
R
B
0 0 0 0
i
B
0 0
R
C
0 0 0
i
C
0 0
0
R
a
0 0
i
a
0 0 0 0
R
b
0
i
b
0 0 0 0 0
R
c
i
c
·
–
u
A
u
B
u
C
u
a
u
b
u
c
=
где
i
—
ток
соответствующей
обмотки
;
u
—
напряже
-
ние
на
зажимах
соответствующей
обмотки
;
L
ii
—
ин
-
дуктивность
i-
й
обмотки
;
L
ik
—
индуктивность
магнит
-
ной
связи
между
i
-
й
и
k
-
й
обмотками
;
R
—
активное
сопротивление
соответствующей
обмотки
.
Внутрискважинный
компенсатор
реактивной
мощно
-
сти
представляет
собой
герметичный
корпус
с
возмож
-
ностью
присоединения
к
погружному
электродвигателю
.
Внутри
корпуса
установлены
батареи
конденсаторов
и
устройство
защиты
.
Математическая
модель
ВКРМ
в
трехфазной
системе
координат
имеет
вид
:
–1
d
C
·
dt
1 0
0 –1 0
1
0
i
C.A
0 1 0 1 –1 0 0
i
C.B
0 0 1 0 0 –1 0
i
C.C
0 0 0 1 0 0
u
ab
i
ab
0 0 0 0 1 0
u
bc
i
bc
0 0 0 0 0 1
u
ca
i
ca
=
, (3)
где
u
ab
,
u
bc
,
u
ca
—
мгновенные
значения
напряжений
между
соответствующими
фазами
трехфазной
сис
-
темы
;
i
C.A
,
i
C.B
,
i
C.C
,
i
ab
,
i
bc
,
i
ca
—
линейные
и
фазные
токи
ВКРМ
соответственно
;
C
—
суммарная
емкость
конденсаторов
ВКРМ
.
Для
описания
электромеханических
процессов
в
погружном
асинхронном
электродвигателе
целесо
-
образно
использовать
систему
координат
d
-
q
,
жестко
связанную
с
ротором
и
вращающуюся
относительно
статора
с
той
же
угловой
скоростью
,
с
которой
вра
-
щается
ротор
[11–14].
Рис
. 1.
Изображение
опытного
образца
ВКРМ
Рис
. 2.
Однолинейная
схема
исследуемого
ЭТК
УЭЦН
ИП
0,4
кВ
КЛ
T
ПЭД
ВКРМ
№
2 (77) 2023
126
ОБОРУДОВАНИЕ
Математическая
модель
электрической
части
ПЭД
во
вращающейся
системе
координат
d
-
q
,
ориен
-
тированной
по
вектору
потокосцепления
ротора
,
описывается
системой
дифференциальных
уравне
-
ний
в
матричном
виде
:
d
dt
=
–
+
qs
ds
'
qr
'
ds
U
qs
U
ds
U'
qr
U'
dr
R
s
0 0 0
I
qs
0
R
s
0 0
I
ds
0 0
R
r
0
I'
qr
0 0
0
R'
r
I'
dr
, (4)
+
·
qs
ds
'
qr
'
ds
0 0
0
0 –
0
0
0
0
–
r
0
0
0
0 –(
–
r
)
где
U
ds
,
U
qs
,
U'
dr
,
U'
qr
—
проекция
векторов
напряже
-
ния
статора
и
ротора
на
соответствующие
оси
;
I
ds
,
I
qs
,
I'
dr
,
I'
qr
—
проекция
векторов
тока
статора
и
ротора
на
соответствующие
оси
;
ds
,
qs
,
'
dr
,
'
qr
—
проекция
векторов
потокосцепления
статора
и
ротора
на
соот
-
ветствующие
оси
;
R
s
,
R'
r
—
активное
сопротивление
обмотки
статора
и
ротора
соответственно
;
,
r
—
угловая
частота
напряжения
питания
и
электриче
-
ская
угловая
скорость
вращения
ротора
.
Значения
потокосцеплений
определяются
соглас
-
но
выражениям
:
ds
= L
s
I
ds
+ L
m
I'
dr
qs
= L
s
I
qs
+ L
m
I'
qr
'
dr
= L'
r
I'
dr
+ L
m
I
ds
'
qr
= L'
r
I'
qr
+ L
m
I
qs
L
s
= L
1
s
+
L
m
L'
r
= L'
1
r
+ L
m
, (5)
где
L
s
,
L'
r
—
полные
индуктивности
обмоток
статора
и
ротора
;
L
1
s
,
L'
1
r
—
индуктивность
рассеяния
стато
-
ра
и
ротора
соответственно
;
L
m
—
результирующая
индуктивность
,
обусловленная
магнитным
потоком
в
воздушном
зазоре
машины
.
Механическая
часть
ПЭД
описывается
системой
уравнений
:
, (6)
M
эм
=
Z
p
(
ds
I
qs
–
qs
I
ds
)
r
= (
M
эм
–
M
мех
–
F
r
)
d
dt
1
J
3
2
где
M
эм
—
электромагнитный
момент
двигателя
;
M
мех
—
механический
момент
на
валу
;
J
—
суммар
-
ная
инерционная
постоянная
машины
и
нагрузки
;
F
—
суммарный
коэффициент
вязкого
трения
(
ма
-
шины
и
нагрузки
);
r
—
угловая
скорость
вращения
ротора
;
Z
p
—
число
пар
полюсов
машины
.
Для
исследования
переходных
процессов
в
ЭТК
УЭЦН
при
отключении
источника
питания
в
соответ
-
ствии
с
(1)–(6)
разработана
имитационная
модель
(
ри
-
сунок
3)
в
программном
комплексе
MatLab Simulink.
Для
этого
использованы
блоки
библиотек
SimPowerSystem, Sinks
и
User-De
fi
ned Functions.
Представленные
в
модели
блоки
элементов
вери
-
фицированы
с
результатами
стендовых
испытаний
.
Относительная
погрешность
полученных
рабочих
электрических
и
электромеханических
характери
-
стик
отдельных
элементов
— 5%.
Исследуемый
электротехнический
комплекс
со
-
держит
погружной
асинхронный
электродвигатель
марки
ЭД
-63-117
мощностью
63
кВт
,
питающий
транс
-
форматор
марки
ТМПН
мощностью
100
кВА
и
вну
-
трискважинный
компенсатор
мощностью
35
кВАр
.
С
целью
исследования
влияния
кабельной
линии
на
протекание
электромагнитных
переходных
про
-
цессов
в
ЭТК
УЭЦН
кабельная
линия
принимается
длиной
1500
м
, 2000
м
, 2500
м
, 3000
м
сечением
то
-
копроводящих
жил
16
мм
2
.
В
модели
источник
питания
представлен
блоком
«three-phase programmable voltage source» (
трехфаз
-
ный
программируемый
источник
напряжения
).
Дей
-
ствующее
значение
линейного
напряжения
источни
-
ка
питания
— 1040
В
,
частота
— 50
Гц
.
Погружной
асинхронный
электродвигатель
в
мо
-
дели
представлен
блоком
«asynchronous machines
pu units» (
асинхронная
машина
с
короткозамкнутым
ротором
).
Исходные
уравнения
электрической
части
машины
записаны
для
двухфазной
d
-
q
системы
ко
-
ординат
.
Параметры
модели
погружного
электродви
-
гателя
приведены
в
таблице
1.
Кабельная
линия
в
модели
представлена
блоком
«3-Phase PI Section Line» (
трехфазная
линия
электро
-
передачи
с
сосредоточенными
параметрами
).
Рабо
-
та
блока
описывается
Т
-
образной
схемой
замеще
-
ния
,
которая
учитывает
продольное
активное
сопро
-
тивление
,
индуктивность
,
взаимную
индуктивность
фаз
,
поперечную
емкость
и
емкость
фаз
относитель
-
но
земли
.
Параметры
модели
кабельной
линии
при
-
ведены
в
таблице
2.
Сопротивление
кабеля
рассчи
-
тано
для
температуры
70°
С
.
Питающий
трансформатор
в
модели
представ
-
лен
блоком
«Three-phase Trans-
former (Two Windings)» (
трех
-
фазный
двухобмоточный
транс
-
форматор
).
Параметры
модели
питающего
трансформатора
при
-
ведены
в
таблице
3.
Внутрискважинный
компенса
-
тор
реактивной
мощности
в
модели
представлен
блоком
«Three-phase
Series RLC Load» (
трехфазная
по
-
следовательная
RLC-
нагрузка
).
Па
-
раметры
блока
:
номинальная
мощ
-
ность
— 35
кВАр
при
номинальном
напряжении
— 1040
В
и
частоте
—
50
Гц
.
Сигнал
Ключ
Питающий
трансфор
-
матор
Кабельная
линия
Погружной
электродвигатель
Внутрискважинный
компенсатор
Осцил
-
лограф
Источник
питания
Мульти
-
метр
g
g
g
1
1
1
2
2
2
N
m
T
m
r
(
u
)
A
3
A
A
A
A
a
a
B
B
B
B
B
b
b
C
C
Y
Y
C
C
C
c
c
+
Рис
. 3.
Имитационная
модель
электротехнического
комплекса
УЭЦН
с
вну
-
трискважинным
компенсатором
реактивной
мощности
127
Отключение
источника
питания
осуществляется
блоком
«ideal switch» (
идеальный
ключ
).
Работой
ключа
управляет
блок
логики
.
Управление
блоком
«ideal switch»
осуществляется
блоком
«step» (
гене
-
ратор
ступенчатого
сигнала
).
Идеальный
ключ
зам
-
кнут
,
если
на
блок
логики
подан
управляющий
сиг
-
нал
1,
выключен
при
сигнале
0.
В
отличие
от
блока
«Breaker»,
в
котором
включение
/
отключение
про
-
исходит
в
момент
прохождения
тока
через
нулевое
значение
,
в
блоке
«ideal switch»
размыкание
ключа
может
происходить
,
как
в
реальных
электрических
сетях
,
при
любом
значении
тока
.
В
связи
с
этим
про
-
цессы
,
моделируемые
блоком
«ideal switch»,
прибли
-
жены
к
реальным
переходным
процессам
,
происхо
-
дящим
в
электрических
сетях
при
отключении
.
Центробежный
электронасос
в
модели
пред
-
ставлен
блоком
«
F
cn
» (
функция
).
Механическая
ха
-
рактеристика
момента
насосной
нагрузки
на
валу
погружного
электродвигателя
описывается
выра
-
жением
[9]:
f
(
u
) =
M
С
(
) =
M
0
+ (
M
СН
–
M
0
)
·
,
ном
где
M
0
—
момент
холостого
хода
механизма
;
M
сн
—
момент
сопротивления
при
номинальной
нагрузке
;
,
ном
—
угловая
и
номинальная
угловая
частота
вращения
вала
;
—
показатель
степени
,
характери
-
зующий
нагрузку
(
для
вентиляторного
характера
на
-
грузки
= 2).
РЕЗУЛЬТАТЫ
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Изменение
напряжения
и
тока
разряда
внутрисква
-
жинного
компенсатора
во
время
переходного
про
-
цесса
приведены
на
рисунках
4
и
5
соответственно
.
Показан
интервал
времени
от
2,3
с
до
2,75
с
.
От
-
ключение
источника
питания
произведено
в
момент
времени
2,35
с
,
когда
мгновенное
значение
линей
-
ного
напряжения
ВКРМ
будет
максимальным
.
Для
оценки
влияния
протяженности
кабельной
линии
на
переходный
процесс
были
приняты
следующие
длины
1500
м
, 2000
м
, 2500
м
, 3000
м
.
Очевидно
,
что
увеличение
длины
кабельной
линии
приводит
к
повышению
падения
напряжения
.
В
связи
с
этим
необходимо
подобрать
соответствующую
отпайку
трансформатора
.
Для
ЭТК
УЭЦН
с
кабельной
ли
-
нией
длиной
1500
м
,
напряжение
отпайки
транс
-
форматора
— 1220
В
,
для
2000
м
— 1250
В
,
для
2500
м
— 1290
В
,
для
3000
м
— 1380
В
.
Согласно
законам
коммутации
,
напряжение
на
емкостном
элементе
(
в
нашем
случае
на
конденса
-
торе
ВКРМ
)
не
может
измениться
мгновенно
(
скач
-
кообразно
),
что
согласуется
с
характеристикой
переходного
процесса
.
Изменение
напряжения
на
ВКРМ
при
переходном
процессе
имеет
колебатель
-
ный
характер
и
затухает
по
амплитуде
для
всех
рас
-
смотренных
длин
кабельной
линии
.
Напряжение
на
ВКРМ
в
рабочем
режиме
при
длине
кабельной
линии
1500
м
— 1025
В
,
при
2000
м
— 1046
В
,
при
2500
м
—
1014
В
,
при
3000
м
— 1064
В
.
Анализ
кривой
тока
(
рисунок
5)
показал
,
что
в
мо
-
мент
отключения
источника
питания
происходит
рез
-
кий
бросок
тока
внутрискважинного
компенсатора
для
Табл
. 1.
Параметры
модели
погружного
асинхронного
электродвигателя
ЭД
-63-117
Параметр
Значение
Номинальное
напряжение
,
В
1040
Номинальная
полная
мощность
,
ВА
88 757
Активное
сопротивление
обмотки
статора
,
Ом
1,0
Индуктивность
обмотки
статора
,
мГн
3,17
Приведенное
активное
сопротивление
обмотки
ротора
,
Ом
0,676
Приведенная
индуктивность
обмотки
ротора
,
мГн
3,17
Индуктивность
контура
намагничивания
,
мГн
67,0
Приведенный
момент
инерции
двигателя
и
насоса
,
кг
·
м
2
0,11
Коэффициент
трения
,
Н
·
м
·
с
0,022
Табл
. 2.
Параметры
модели
кабельной
линии
Параметр
Значение
Погонные
сопротивления
прямой
/
нуле
-
вой
последовательности
,
Ом
/
км
1,29/0,3864
Погонные
индуктивности
прямой
/
нулевой
последовательности
,
мГн
/
км
0,22/4,12
Погонные
емкости
прямой
/
нулевой
по
-
следовательности
,
мкФ
/
км
и
нФ
/
км
0,1/7,751
Табл
. 3.
Параметры
модели
питающего
трансформатора
Параметр
Значение
Номинальная
мощность
,
ВА
100 000
Номинальная
частота
,
Гц
50
Номинальное
напряжение
первичной
и
вторичной
обмоток
,
В
380, 1250
Активное
/
приведенное
активное
сопро
-
тивление
обмоток
,
о
.
е
.
0,00985/0,0985
Индуктивность
первичной
/
приведенная
индуктивность
вторичной
обмоток
,
о
.
е
.
0,0255/0,0255
Активное
сопротивление
цепи
намагни
-
чивания
,
о
.
е
.
337
Индуктивность
цепи
намагничивания
,
о
.
е
.
52
Рис
. 4.
Кривые
линейных
напряжений
U
ВКРМ
при
длинах
кабельной
линии
1500
м
, 2000
м
, 2500
м
, 3000
м
t
, c
1500
1000
500
0
–500
–1000
–1500
2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75
U
ВКРМ
,
В
1500
м
2000
м
2500
м
3000
м
1500
м
2000
м
2500
м
3000
м
1500
м
2000
м
2500
м
3000
м
№
2 (77) 2023
128
ОБОРУДОВАНИЕ
рассматриваемых
длин
кабельной
линии
.
Амплитуд
-
ное
значение
тока
ВКРМ
до
коммутации
варьируется
от
26,8
А
до
28,1
А
.
Амплитудное
значение
тока
ВКРМ
после
коммутации
от
125,1
А
до
132,4
А
.
Расхождение
между
максимумом
и
минимумом
токов
для
различных
длин
кабельной
линии
составляет
менее
5,9%.
Мак
-
симальный
бросок
тока
в
4,9
раза
наблюдается
в
ЭТК
УЭЦН
с
длиной
кабельной
линии
2500
м
.
Изменение
тока
внутрискважинного
компенсатора
при
переходном
процессе
имеет
колебательный
характер
и
затухает
по
амплитуде
.
Колебательный
характер
обусловлен
обме
-
ном
энергией
между
конденсатором
ВКРМ
,
кабельной
линией
и
погружным
электродвигателем
.
Периодиче
-
ский
обмен
энергией
продолжается
до
тех
пор
,
пока
на
-
копленная
энергия
не
рассеивается
в
виде
тепла
на
ак
-
тивном
сопротивлении
участка
ЭТК
после
коммутации
.
Анализ
переходного
процесса
тока
кабельной
ли
-
нии
(
рисунок
6)
показал
,
что
амплитудное
значение
тока
до
коммутации
равно
60,7
А
,
после
коммутации
снижается
практически
до
нуля
при
всех
длинах
ка
-
бельной
линии
.
Следовательно
,
изменение
длины
кабельной
линии
незначительно
влияет
на
переход
-
ный
процесс
в
ЭТК
УЭЦН
при
отключении
источника
питания
на
рассматриваемом
интервале
времени
.
На
рисунке
7
приведена
характеристика
тока
ста
-
тора
и
ротора
погружного
электродвигателя
при
дли
-
не
кабельной
линии
2000
м
.
Действующее
значение
тока
до
отключения
источ
-
ника
питания
50,8
А
,
что
равно
номинальному
току
по
-
гружного
электродвигателя
.
После
отключения
источ
-
ника
питания
кривая
тока
ПЭД
имеет
колебательный
характер
,
затухающий
по
амплитуде
.
Для
других
длин
кабельной
линии
характеристика
аналогична
.
ВЫВОДЫ
1.
Разработана
имитационная
модель
ЭТК
УЭЦН
с
внутрискважинным
компенсатором
,
отличаю
-
щаяся
тем
,
что
позволяет
исследовать
электро
-
магнитные
переходные
процессы
при
включении
и
отключении
источника
питания
.
2.
Получены
характеристики
переходного
процес
-
са
тока
разряда
ВКРМ
.
Установлено
,
что
в
мо
-
мент
отключения
источника
питания
происходит
бросок
тока
ВКРМ
.
Максимальный
бросок
тока
в
4,9
раза
зафиксирован
в
ЭТК
УЭЦН
с
длиной
кабельной
линии
2500
м
.
Амплитудное
значение
тока
ВКРМ
до
коммутации
варьируется
от
26,8
А
до
28,1
А
.
Амплитудное
значение
тока
ВКРМ
по
-
сле
коммутации
от
125,1
А
до
132,4
А
.
3.
Полученные
результаты
можно
использовать
при
моделировании
режимов
работы
ЭТК
УЭЦН
,
определении
уставок
устройств
защиты
и
влия
-
ния
бросков
тока
на
старение
изоляции
погружно
-
го
электрооборудования
.
Рис
. 5.
Кривые
тока
разряда
(
фаза
С
)
ВКРМ
при
различ
-
ных
длинах
кабельной
линии
t
, c
140
120
100
80
60
40
20
0
–20
–40
2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75
I
ВКРМ
,
А
длина
линии
1500
м
длина
линии
2000
м
длина
линии
2500
м
длина
линии
3000
м
t
, c
60
40
20
0
–20
–40
–60
2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75
I
КЛ
,
А
длина
линии
1500
м
длина
линии
2000
м
длина
линии
2500
м
длина
линии
3000
м
I
с
и
I
р
,
А
р
t
, c
60
40
20
0
–20
–40
–60
2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 2,6 2,65 2,7 2,75
Ток
статора
Ток
ротора
Рис
. 6.
Кривые
тока
I
КЛ
(
фаза
С
)
кабельной
линии
Рис
. 7.
Кривые
тока
статора
I
c
(
фаза
С
,
красный
)
и
тока
ротора
I
р
(
фаза
С
,
синий
)
погружного
электро
-
двигателя
ЛИТЕРАТУРА
1.
Ивановский
В
.
Н
.,
Сабиров
А
.
А
.,
Деговцов
А
.
В
.
и
др
.
Вопросы
энергоэффективности
установок
электроприводных
центробеж
-
ных
насосов
//
Оборудование
и
технологии
для
нефтега
-
зового
комплекса
, 2016,
№
4.
С
. 25–30.
2.
Шевченко
С
.
Д
.,
Якимов
С
.
Б
.,
Ива
-
новский
В
.
Н
.
и
др
.
Разработка
алгоритма
расчета
дебита
нефтя
-
ных
скважин
при
их
эксплуатации
129
УЭЦН
//
Оборудование
и
техноло
-
гии
для
нефтегазового
комплекса
,
2013,
№
6.
С
. 90–91.
3.
Хоцянов
И
.
Д
.,
Санталов
А
.
М
.,
Кирю
-
хин
В
.
П
.,
Хоцянова
О
.
Н
.
Вентиль
-
ные
электроприводы
для
центро
-
бежных
насосов
//
Вестник
МЭИ
,
2007,
№
3.
С
. 21–26.
4.
Табачникова
Т
.
В
.,
Гарифуллин
Р
.
И
.,
Нурбосынов
Э
.
Д
.,
Махт
А
.
В
.
Ин
-
дивидуальная
компенсация
реак
-
тивной
мощности
электротехни
-
ческого
комплекса
добывающей
скважины
с
электроцентробежным
насосом
//
Промышленная
энерге
-
тика
, 2015,
№
2.
С
. 44–46.
5.
Копырин
В
.
А
.,
Смирнов
О
.
В
.,
Порт
-
нягин
А
.
Л
.,
Хамитов
Р
.
Н
.
Энергети
-
ческие
показатели
электротехниче
-
ского
комплекса
для
добычи
нефти
при
изменении
частоты
и
напря
-
жения
источника
питания
//
Про
-
мышленная
энергетика
, 2019,
№
3.
С
. 18–25.
6.
Копырин
В
.
А
.,
Смирнов
О
.
В
.
Ими
-
тационное
моделирование
режи
-
мов
работы
погружного
асинхрон
-
ного
электродвигателя
//
Омский
научный
вестник
, 2018,
№
1(157).
С
. 58–62.
7.
Копырин
В
.
А
.,
Бухер
Ю
.
Е
.,
Портня
-
гин
А
.
Л
.
Внутрискважинное
компен
-
сирующее
устройство
.
Пат
. 189025
Российская
Федерация
,
МПК
H02J
3/18, F04B 17/03,
№
2018143555/07;
заявл
. 10.12.2018;
опубл
. 07.05.2019,
бюл
.
№
13.
8.
Городнов
А
.
Г
.
Построение
энерго
-
эффективных
электротехнических
комплексов
с
автономной
систе
-
мой
электроснабжения
//
Изве
-
стия
высших
учебных
заведений
.
Проблемы
энергетики
, 2020,
т
. 22,
№
3.
С
. 159–172.
9.
Городнов
А
.
Г
.,
Корнилов
В
.
Ю
.,
Фе
-
доров
Е
.
Ю
.
Погружная
насосная
установка
с
повышенным
электро
-
магнитным
моментом
погружно
-
го
электродвигателя
.
Пат
. 205204
Российская
Федерация
,
МПК
F04D
13/10, F04D 29/07,
№
2020124483/07;
заявл
. 14.07.2020;
опубл
. 02.07.2021,
бюл
.
№
19.
10.
Ковач
К
.
П
.,
Рац
И
.
Переходные
процессы
в
машинах
переменного
тока
.
М
.-
Л
.:
Госэнергоиздат
, 1963.
744
с
.
11.
Боловин
Е
.
В
.,
Глазырин
А
.
С
.
Ме
-
тод
идентификации
параметров
погружных
асинхронных
электро
-
двигателей
установок
электро
-
приводных
центробежных
насо
-
сов
для
добычи
нефти
//
Известия
Томского
политехнического
уни
-
верситета
.
Инжиниринг
георесур
-
сов
, 2017,
т
. 328,
№
1.
С
. 123–131.
12.
Глазырин
А
.
С
.,
Полищук
В
.
И
.,
Ти
-
мошкин
В
.
В
.
и
др
.
Математическая
модель
асинхронного
двигателя
в
мультифазной
системе
коорди
-
нат
при
несимметрии
роторных
цепей
//
Известия
Томского
поли
-
технического
университета
.
Инжи
-
ниринг
георесурсов
, 2021,
т
. 332,
№
10.
С
. 213–227.
13.
Шубин
С
.
С
.,
Ямалиев
В
.
У
.,
Глазы
-
рин
А
.
С
.
Определение
параметров
схемы
замещения
погружного
электродвигателя
на
основании
данных
испытаний
//
Известия
Томского
политехнического
уни
-
верситета
.
Инжиниринг
георесур
-
сов
, 2021,
т
. 332,
№
1.
С
. 204–214.
14.
Тимошкин
В
.
В
.,
Глазырин
А
.
С
.,
Гла
-
зырина
Т
.
А
.,
Козлова
Л
.
Е
.,
Поли
-
щук
В
.
И
.
Электропривод
перемен
-
ного
тока
.
Пат
. 2576330
Россий
-
ская
Федерация
,
№
2014138532/07,
МПК
H02P 21/00, H02P 27/06, H02P
25/02;
заявл
. 23.09.2014;
опубл
.
27.02.2016,
бюл
.
№
6.
REFERENCES
1. Ivanovskiy V.N., Sabirov A.A., De-
govtsov A.V. and others. Issues
of energy ef
fi
ciency of electrically
driven centrifugal pumps //
Oborudo-
vaniye i tekhnologii dlya neftegazo-
vogo kompleksa
[Equipment and
technologies for oil&gas industry],
2016, no 4, pp. 25-30. (In Russian)
2. Shevchenko S.D., Yakimov S.B.,
Ivanovskiy V.N. and others. Develop-
ment of the production rate calcula-
tion algorithm for oil-wells during
their operation in electrical submers-
ible pumps //
Oborudovaniye i tekh-
nologii dlya neftegazovogo kom-
pleksa
[Equipment and technologies
for oil&gas industry], 2013, no. 6,
pp. 90-91. (In Russian)
3. Khotsyanov I.D., Santalov A.M., Ki-
ryukhin V.P., Khotsyanova O.N.
Valve electric drives for electrically
driven centrifugal pumps //
Vestnik
MEI
[Bulletin of MPEI], 2007, no. 3,
pp. 21-26. (In Russian)
4. Tabachnikova T.V., Garifullin R.I.,
Nurbosynov E.D., Makht A.V. Individ-
ual reactive power compensation of
the electrotechnical system of a
fl
ow-
ing well with the electrically driven
pump // Promyshlennaya energetika
[Industrial power engineering], 2015,
no. 2, pp. 44-46. (In Russian)
5. Kopyrin V.A., Smirnov O.V., Port-
nyagin A.L., Khamitov R.N. Energy
data of the electrotechnical sys-
tem for oil production at frequency
and voltage change in the power
source //
Promyshlennaya energe-
tika
[Industrial power engineering],
2019, no. 3, pp. 18–25. (In Russian)
6. Kopyrin V.A., Smirnov O.V. Operat-
ing mode simulation modeling for
a submersible asynchronous mo-
tor //
Omskiy nauchniy vestnik
[Omsk
scienti
fi
c bulletin], 2018, no. 1(157),
pp. 58-62. (In Russian)
7. Kopyrin V.A., Bukher Yu.Ye., Port-
nyagin A.L. A downhole compensa-
tor. Patent 189025 Russian Fed-
eration, MPK H02J 3/18, F04B
17/03,
№
2018143555/07; pending
10.12.2018; issued 07.05.2019, bul.
No. 13.
8. Gorodnov A.G. Design of energy
ef
fi
cient electrotechnical systems
with the stand-alone power sup-
ply system //
Izvestiya vysshykh
uchebnykh zavedeniy. Problemy
energetiki
[News of higher educa-
tional establishments. Power engi-
neering issues], 2020, vol. 22, no. 3,
pp. 159-172. (In Russian)
9. Gorodnov A.G., Kornilov V.Yu., Fe-
dorov Ye.Yu. A submersible pump-
ing unit with the increased electro-
magnetic torque of the submersible
motor. Patent 205204 Russian Fed-
eration, MPK F04D 13/10, F04D
29/07, no. 2020124483/07; pending
14.07.2020; issued 02.07.2021, bul.
no 19.
10. Kovach K.P., Rats I. Transient pro-
cesses in AC machines. Moscow-
Leningrad, Gosenergoizdat Publ.,
1963. 744 p. (In Russian)
11. Bolovin Ye.V., Glazyrin A.S. A meth-
od of parameter identi
fi
cation of sub-
mersible asynchronous motors of
electrically driven centrifugal pumps
for crude production //
Izvestiya
Tomskogo politekhnicheskogo uni-
versiteta. Indziniring georesursov
[News of Tomsk polytechnic univer-
sity. Engineering of georesources],
2017, vol. 328, no. 1, pp. 123-131.
(In Russian)
12. Glazyrin A.S., Polyshchyuk V.I., Ti-
moshkin V.V. and others. The mathe-
matical model of an asynchronous
motor in the multi-phase coordinate
system with asymmetry of rotor cir-
cuits //
Izvestiya Tomskogo politekh-
nicheskogo universiteta. Indzinir-
ing georesursov
[News of Tomsk
polytechnic university. Engineering
of georesources], 2021, vol. 332,
no. 10, pp. 213-227. (In Russian)
13. Shubin S.S., Yamaliev V.U., Glazy-
rin A.S. Test data-based determination
of the submersible motor equivalent
circuit //
Izvestiya Tomskogo polytekh-
nicheskogo universiteta. Indziniring
georesursov
[News of Tomsk poly-
technic university. Engineering of
georesouces], 2021, vol. 332, no. 1,
pp. 204-214. (In Russian)
14. Timoshkin V.V., Glazyrin A.S., Glazyri-
na T.A., Kozlova L.E., Poli shchuk V.I. AC
drive. Patent 2576330 Russian Feder-
ation, MPK N02P 21/00, N02P 27/06,
N02P 25/02, no. 2014138532/07; pend-
ing 23.09.2014; issued 27.02.2016,
bul. no. 6.
№
2 (77) 2023
Оригинал статьи: Исследование электромагнитных переходных процессов в погружной установке для добычи нефти с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности
Приведены исследования электромагнитных переходных процессов в электротехническом комплексе (ЭТК) погружной установки для добычи нефти с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности (ВКРМ) с учетом изменения длины кабельной линии. Разработана имитационная модель ЭТК погружной установки. Получены осциллограммы переходных процессов. Установлено, что в момент отключения источника питания происходит бросок тока разряда ВКРМ, в 4,9 раза превышающий номинальный. После отключения источника питания кривая тока имеет колебательный характер, затухающий по амплитуде.
