淺談潛油電泵保護器設計原理

范景昌¹  趙波²  徐金鋒²

（1. 范景昌  中國昆侖工程公司，北京 100037）

（2.趙波   江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇江陰 214405）

（2.徐金鋒  江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇江陰 214405）

摘要：設計一種符合潛油電泵特性的專用潛油電泵保護器，該潛油電泵保護器具有過載、斷相、不平衡、過壓、欠壓、電壓不平衡等保護功能。給出此類產品的設計原理，介紹了該產品與常規電機保護器的區別以及其硬軟件設計原理。

關鍵詞: 潛油電泵  保護器  控制器

0  引言

潛油電泵是油田中使用的一種中壓的機械采油設備。隨著油田開發自動化程度的提高，原潛油電泵定頻控制柜暴漏出功能不完善、數據分析不方便、無波形記錄、沒有通訊功能等問題，而造成這些不足的主要原因是非專門針對潛油電泵的保護器不支持上述功能。

目前，研究開發潛油電泵的國內廠家較少，且規模較小，產品沒有形成系列化和規模化。為增強國內潛油電泵保護器的競爭力，彌補老式保護器的不足，有必要研制一種針對性的潛油電泵保護器。

1  潛油電泵保護器和電機保護器的區別

1. 潛油電泵保護器屬于電機保護器的細分應用產品。在測量、保護、通信等功能上，潛油電泵保護器與電機保護器基本通用，但潛油電泵的多種保護，如欠載、電流不平衡、過壓、欠壓等多采用反時限類型，而這些保護在通用電機保護器中多采用定時限類型。
2. 潛油電泵保護器需有歷史數據記錄、導出功能，而常規電機保護器帶有故障記錄即可。
3. 為方便潛油電泵維護、考核，潛油電泵保護器需帶有打卡功能，以便進行打卡考核，而常規電機保護器不必帶此功能。

2  潛油電泵保護器特點

1. 潛油電泵保護器可實時測量三相電流、三相電壓、頻率，并可同時可顯示有功功率、電能等電參量；可將檢測、采集到的開關量類型工藝參數、4-20mA類型工藝參數，通過通信統一發送給系統。
2. 潛油電泵保護器具有過載、斷相、電流不平衡、堵轉、阻塞、欠壓、過壓、電壓不平衡等保護功能，并可實現欠載自起動。
3. 潛油電泵保護器可顯示三相電流、三相電壓等參數的實時、歷史曲線。
4. 潛油電泵保護器可將存儲的歷史數據導出到U盤，導出文件支持EXCEL操作。U盤插入電腦后可直接進行數據分析，不必安裝附加分析軟件。此功能可用于取代電流記錄儀。
5. 潛油電泵保護器支持MODBUS、PROFIBUS通信協議，通過通信網絡可直接傳送實時數據、發送起停命令。

3  潛油電泵保護器產品組成

潛油電泵保護器由保護器主體、人機交互模塊、開關電源組成，如圖1所示。保護器主體完成參數采集、保護、通訊功能；人機交互模塊實現實時參數顯示、參數設置、實時曲線顯示、歷史曲線顯示、歷史數據查詢、故障查詢等功能；開關電源將AC/DC 220V（或其它等級）電壓轉換為低電壓供主體、人機交互模塊使用。

圖1  潛油電泵產品組成示意圖

4  潛油電泵保護器的設計

潛油電泵保護器設計分為硬件和軟件兩方面.硬件設計包括電源、信號采集、開關量輸入輸出、通訊電路等部分；軟件設計主要包括軟件架構、測量算法、保護算法、控制算法等。

4.1  硬件設計

由于常用的潛油電泵工作電壓從AC 200V~AC2000V，因此不宜將潛油電泵工作電源直接作為潛油電泵保護的工作電源，常規做法是用隔離變壓器將潛油電泵工作電壓轉換為AC 110V控制電壓。針對此種情況，潛油電泵保護器電源采用開關電源，這是因為開關電源的工作范圍寬、效率高，適用于此種情況。

信號采集包括電壓、電流等電參量采集。為保證采集可靠性，通常采用TV、TA作為電壓、電流信號的隔離變換器。選用TA時，應注意TA電壓等級。常規TA電壓等級為0.66KV，而在潛油電泵工作電壓達到AC 1000V甚至AC 2000V時，應選用3.3KV等級的TA，以保證隔離安全。

開關量輸入輸出以及通信電路的設計為常規設計，沒有過多特殊性。

可靠性設計包括電磁兼容、安全性設計。電磁兼容設計初期要充分考慮各種可能出現的問題，做好預留措施規劃。常用的抗干擾方法包括：電源部分加EMC濾波器；信號采集部分增加濾波電路；在信號處理的各芯片輸入口處加端口保護電路；在芯片電源輸入處加去藕電容等。

4.2  軟件設計

常用的采樣算法有直流采樣和交流采樣。交流采樣可測量非正弦波信號，因此在電參量測量中廣泛采用。常用測量算法有基于正弦信號的算法和基于非正弦的算法。基于正弦信號的算法包括半周內取最大絕對值算法、半周絕對積分算法、一階導數算法、二階導數算法、采樣值積算法、三采樣值算法等；基于非正弦信號的算法包括傅里葉算法、一階差分后半波傅里葉算法、真有效值算法等。各種算法都有其優缺點。基于正弦信號的算法雖然算法簡單、消耗資源少，但是當有諧波或波形變換后測量不準確；而基于非正弦信號的算法雖然算法較復雜，但可保證測量值的正確性。

  由于在保護算法中設計反時限曲線算法有一定難度，因此有些產品標注為反時限，但實際卻是定時限分割，如：（1.2-1.5）倍、60s保護，（1.5-2）倍、40s保護，2倍以上、10s保護。這違背了反時限曲線的基本原則，如果信號在臨界點上下跳動，那么動作時間將不準確。真正的反時限具有一條連續的反時限曲線，真正做到大倍數大動作快，小倍數小動作慢。

軟件設計時，除需要選取合理的算法外，還要注意軟件設計的規范化。軟件設計的基本原則是信息隱蔽與模塊獨立性，好的軟件要求高內聚（內聚是模塊強度的度量）、低耦合。

軟件測試是軟件設計中不可缺少的一個重要環節，其目的是檢驗軟件是否滿足規定。開發過程中藥遵循早測試、早改正原則，單元測試通過后再進行集成測試、確認測試和驗收測試。

5  結論語

    潛油電泵是由常規電動機保護器產品衍生出的新一類電機保護器，更適用于潛油泵，新增欠載、過壓、欠壓、電流不平衡、電壓不平衡等反時限保護，同時帶有電流、電壓、功率、頻率、電能、剩余電流等測量功能，更符合客戶要求。

文章來源于：《電工技術》2013年12期。

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