淺談潛油電泵保護(hù)器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)一種符合潛油電泵特性的專用潛油電泵保護(hù)器，該潛油電泵保護(hù)器具有過載、斷相、不平衡、過壓、欠壓、電壓不平衡等保護(hù)功能。給出此類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理，介紹了該產(chǎn)品與常規(guī)電機(jī)保護(hù)器的區(qū)別以及其硬軟件設(shè)計(jì)原理。

關(guān)鍵詞: 潛油電泵  保護(hù)器  控制器

0  引言

潛油電泵是油田中使用的一種中壓的機(jī)械采油設(shè)備。隨著油田開發(fā)自動(dòng)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(shù)據(jù)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(duì)潛油電泵的保護(hù)器不支持上述功能。

目前，研究開發(fā)潛油電泵的國內(nèi)廠家較少，且規(guī)模較小，產(chǎn)品沒有形成系列化和規(guī)模化。為增強(qiáng)國內(nèi)潛油電泵保護(hù)器的競爭力，彌補(bǔ)老式保護(hù)器的不足，有必要研制一種針對(duì)性的潛油電泵保護(hù)器。

1  潛油電泵保護(hù)器和電機(jī)保護(hù)器的區(qū)別

1. 潛油電泵保護(hù)器屬于電機(jī)保護(hù)器的細(xì)分應(yīng)用產(chǎn)品。在測量、保護(hù)、通信等功能上，潛油電泵保護(hù)器與電機(jī)保護(hù)器基本通用，但潛油電泵的多種保護(hù)，如欠載、電流不平衡、過壓、欠壓等多采用反時(shí)限類型，而這些保護(hù)在通用電機(jī)保護(hù)器中多采用定時(shí)限類型。
2. 潛油電泵保護(hù)器需有歷史數(shù)據(jù)記錄、導(dǎo)出功能，而常規(guī)電機(jī)保護(hù)器帶有故障記錄即可。
3. 為方便潛油電泵維護(hù)、考核，潛油電泵保護(hù)器需帶有打卡功能，以便進(jìn)行打卡考核，而常規(guī)電機(jī)保護(hù)器不必帶此功能。

2  潛油電泵保護(hù)器特點(diǎn)

1. 潛油電泵保護(hù)器可實(shí)時(shí)測量三相電流、三相電壓、頻率，并可同時(shí)可顯示有功功率、電能等電參量；可將檢測、采集到的開關(guān)量類型工藝參數(shù)、4-20mA類型工藝參數(shù)，通過通信統(tǒng)一發(fā)送給系統(tǒng)。
2. 潛油電泵保護(hù)器具有過載、斷相、電流不平衡、堵轉(zhuǎn)、阻塞、欠壓、過壓、電壓不平衡等保護(hù)功能，并可實(shí)現(xiàn)欠載自起動(dòng)。
3. 潛油電泵保護(hù)器可顯示三相電流、三相電壓等參數(shù)的實(shí)時(shí)、歷史曲線。
4. 潛油電泵保護(hù)器可將存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出到U盤，導(dǎo)出文件支持EXCEL操作。U盤插入電腦后可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hù)器支持MODBUS、PROFIBUS通信協(xié)議，通過通信網(wǎng)絡(luò)可直接傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、發(fā)送起停命令。

3  潛油電泵保護(hù)器產(chǎn)品組成

潛油電泵保護(hù)器由保護(hù)器主體、人機(jī)交互模塊、開關(guān)電源組成，如圖1所示。保護(hù)器主體完成參數(shù)采集、保護(hù)、通訊功能；人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障查詢等功能；開關(guān)電源將AC/DC 220V（或其它等級(jí)）電壓轉(zhuǎn)換為低電壓供主體、人機(jī)交互模塊使用。

圖1  潛油電泵產(chǎn)品組成示意圖

4  潛油電泵保護(hù)器的設(shè)計(jì)

潛油電泵保護(hù)器設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩方面.硬件設(shè)計(jì)包括電源、信號(hào)采集、開關(guān)量輸入輸出、通訊電路等部分；軟件設(shè)計(jì)主要包括軟件架構(gòu)、測量算法、保護(hù)算法、控制算法等。

4.1  硬件設(shè)計(jì)

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(hù)的工作電源，常規(guī)做法是用隔離變壓器將潛油電泵工作電壓轉(zhuǎn)換為AC 110V控制電壓。針對(duì)此種情況，潛油電泵保護(hù)器電源采用開關(guān)電源，這是因?yàn)殚_關(guān)電源的工作范圍寬、效率高，適用于此種情況。

信號(hào)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(hào)的隔離變換器。選用TA時(shí)，應(yīng)注意TA電壓等級(jí)。常規(guī)TA電壓等級(jí)為0.66KV，而在潛油電泵工作電壓達(dá)到AC 1000V甚至AC 2000V時(shí)，應(yīng)選用3.3KV等級(jí)的TA，以保證隔離安全。

開關(guān)量輸入輸出以及通信電路的設(shè)計(jì)為常規(guī)設(shè)計(jì)，沒有過多特殊性。

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

4.2  軟件設(shè)計(jì)

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(hào)，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(hào)的算法和基于非正弦的算法。基于正弦信號(hào)的算法包括半周內(nèi)取最大絕對(duì)值算法、半周絕對(duì)積分算法、一階導(dǎo)數(shù)算法、二階導(dǎo)數(shù)算法、采樣值積算法、三采樣值算法等；基于非正弦信號(hào)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(yōu)缺點(diǎn)。基于正弦信號(hào)的算法雖然算法簡單、消耗資源少，但是當(dāng)有諧波或波形變換后測量不準(zhǔn)確；而基于非正弦信號(hào)的算法雖然算法較復(fù)雜，但可保證測量值的正確性。

  由于在保護(hù)算法中設(shè)計(jì)反時(shí)限曲線算法有一定難度，因此有些產(chǎn)品標(biāo)注為反時(shí)限，但實(shí)際卻是定時(shí)限分割，如：（1.2-1.5）倍、60s保護(hù)，（1.5-2）倍、40s保護(hù)，2倍以上、10s保護(hù)。這違背了反時(shí)限曲線的基本原則，如果信號(hào)在臨界點(diǎn)上下跳動(dòng)，那么動(dòng)作時(shí)間將不準(zhǔn)確。真正的反時(shí)限具有一條連續(xù)的反時(shí)限曲線，真正做到大倍數(shù)大動(dòng)作快，小倍數(shù)小動(dòng)作慢。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，除需要選取合理的算法外，還要注意軟件設(shè)計(jì)的規(guī)范化。軟件設(shè)計(jì)的基本原則是信息隱蔽與模塊獨(dú)立性，好的軟件要求高內(nèi)聚（內(nèi)聚是模塊強(qiáng)度的度量）、低耦合。

軟件測試是軟件設(shè)計(jì)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的是檢驗(yàn)軟件是否滿足規(guī)定。開發(fā)過程中藥遵循早測試、早改正原則，單元測試通過后再進(jìn)行集成測試、確認(rèn)測試和驗(yàn)收測試。

5  結(jié)論語

    潛油電泵是由常規(guī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品衍生出的新一類電機(jī)保護(hù)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(shí)限保護(hù)，同時(shí)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(shù)》2013年12期。

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