CN109474206B - 游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置及方法。装置包括单片机系统，电流互感器，电压互感器；电流互感器控制线接入单片机系统，监测三相电流和电压，做为单片机系统判断晃电和晃电后来电时选择再启动时机的条件；电压互感器控制线接入单片机系统，监测机端电压，做为单片机系统在晃电后来电时选择智能再启动时机的条件；单片机系统的信号输入端与工频直启控制回路的交流接触器常开点2串联，信号输出端与交流接触器常开点1并联。本发明解决了分批自启动技术中无法规避逆向启动的问题，以及采用抗晃电接触器和抗晃电控制器技术中设备启动电流大，数台设备同时启动拉垮电网，造成二次晃电的问题。
Description
技术领域
本发明涉及游梁式抽油机抗晃电方法，具体是一种游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置及方法。
背景技术
电力系统在运行过程中，由于雷击、短路故障重合闸、企业外部或内部电网故障、大型设备启动等原因，会造成电压瞬间较大幅度波动或者短时断电又恢复，这种现象通常称为“晃电”。
晃电主要有以下几种情况：
⑴、电压骤降、骤升。持续时间0.5个周期至1min,电压上升或下降至标称电压的110％～180％或10％～90％。
⑵、电压闪变。电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化，一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。
⑶、短时断电。持续时间在0.5个周期至3s的供电中断(如备自投、重合闸等)。
电力系统由于设有浪涌保护器、避雷器及消谐装置，正常生产性负荷造成的冲击影响不会很大，其电网晃电主要是外部电网或企业内部电网故障引起的，其中电压骤降(A类)和电压短时中断(C类)占大部分。一般来说，电压跌幅在20％内对设备运行一般不会有太大的影响。电压跌幅超过20％时，容易引起交流接触器控制的设备跳闸停机。
石油企业属于连续生产性的企业，其特殊的要求对生产供电可靠性提出了考验，游梁式抽油机做为目前最重要的采油设备，在生产过程中不允许电动机因为供电原因而跳闸，但在石油企业中，游梁式抽油机电动机大部分都是由交流接触器控制，各种设备运行年代参差不齐，系统受内外因素影响较多(如雷击、接地短路、设备故障等)，很容易造成采油井场配电系统发生晃电，由于工作原理的特点，当采油井场配电系统发生晃电时，会造成其操作线圈短时断电或电压过低，导致线圈对铁芯的吸力小于释放弹簧的弹力使接触器释放。据资料介绍，一般交流接触器当电压低于线圈额定电压的50％，时间超过一个周期时接触器释放；当电压低于80％甚至更高，持续五个周期时接触器也释放；同时，过低电压会使接触器线圈产生的吸力减小，造成接触器触头间接触不良，导致接触器触头发热损坏。并引起游梁式抽油机电动机跳闸停机，影响生产的连续运行，严重的将会导致停工停产，为企业造成巨大损失。
游梁式抽油机是有杆抽油系统的地面驱动装置，主要是由电动机、减速器、机架和连杆机构等部分组成。减速器将电动机的高速旋转运动转变为曲柄轴的低速旋转运动，曲柄轴的低速旋转运动由连杆结构变为驴头悬绳器的上下往复直线运动，悬绳器下接抽油杆柱，抽油杆柱带动抽油泵柱塞(或活塞)在泵筒内作上下往复直线运动，从而将油井内的原油举升到地面，达到抽油的目的。晃电发生时，游梁抽油机的电动机停机跳闸，此时曲柄平衡块由于重力势能和惯性来回摆动直至停止，其过程持续时间根据晃电发生时曲柄平衡块的位置不同也有很大差别，最长可持续摆动50秒，游梁抽油机控制方式大多为工频直启，晃电发生后需操作人员手动再次启动，由于游梁抽油机曲柄平衡块摆动过程中逆向启动电流过大，操作人员需等曲柄平衡块停止摆动后才可再次启动，若晃电后来电时多台大容量的电气设备同时启动，那么可能将电网拉垮，反而会造成人为的二次晃电。
早期的游梁抽油机自启动采用的是通过断电延时时间继电器来实现的，失电时，时间继电器延时断开，如果在整定时间内电压恢复正常，时间继电器的延时触点将使游梁抽油机电机启动回路接通，电机重新启动。其缺点是控制线路复杂，同一采油区块的若干台游梁抽油机难以做到精准的控制时间，无法真正的实现分批启动，由于晃电发生时曲柄平衡块的位置不同即重力势能不同，导致摆动的时间不可控，无法完全规避逆向启动的风险，发生二次晃电的危险性高，所以此种抗晃电的方法对游梁抽油机这种既带重型负载又带可旋转部件的设备并不适用。
后期的抗晃电方法是采用专门的抗晃电接触器或抗晃电控制器。抗晃电接触器的工作原理为在控制电压突然跌落到非正常工作电压时，欠压信号传输到晃电延时接触器的控制电路中，控制系统对信号立即做出分析，是需要延时还是常规工作。需要延时来防止晃电事故发生时，接触器在设定的延时时间内处于保持状态，超过设定的延时时间接触器立刻断开。在正常的工作电压情况下，防晃电接触器的动作特性与常规动作特性相同。
抗晃电控制器的工作原理与抗晃电接触器的工作原理相似，当电源线路瞬时欠压“晃电”时，其接触器主触头及自保持接点断开后，控制器向接触器提供延时断开的辅助保持，当电源电压恢复时接触器即再合，从而维持了电动机继续运转。其适用于380/220V电源，并联于交流接触器的控制电路上，能准确地判别运行中交流接触器释放的原因，仅在电源瞬时欠压“晃电”条件时才向接触器提供延时断开的辅助保持。
不论是抗晃电接触器还是抗晃电控制器，其原理均是利用储能延时元件对接触器的线圈在晃电期间继续提供能量，以储能释放的形式保持接触器继续吸合，避免交流接触器跳闸，其延时断开时间一般控制在0～3秒内可调。
一个采油区块内游梁抽油机数量最多可达到数百台，运行年代参差不齐，若使用抗晃电接触器或抗晃电控制器，其缺点为晃电后来电时数百台游梁抽油机需在3秒内全部启动，由于游梁抽油机启动时冲击电流过大，设备同时启动极有可能将电网拉垮，并造成人为的二次晃电。所以此种抗晃电的方法对采油区块内游梁抽油机这种密集型连续运转的设备并不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置及方法，解决分批自启动技术中无法规避逆向启动的问题，以及采用抗晃电接触器和抗晃电控制器技术中设备启动电流大，数台设备同时启动拉垮电网，造成二次晃电的问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置，包括工频直启控制回路，基于STM32内核的单片机系统STM32，电流互感器TA，电压互感器TV；
单片机系统STM32的L、N接线端子与电源进线端A相、N相连接，为模块提供启动电源；
工频直启控制回路的交流接触器KM出线端电源线穿过电流互感器TA后再与游梁式抽油机电动机相连接，电流互感器TA的二次侧控制线接入单片机系统STM32的Ia、Ib、Ic、Ua、Ub、Uc，监测三相电流Ia、Ib、Ic，三相电压Ua、Ub、Uc，并通过计算得出零序电流In，做为单片机系统STM32判断晃电和晃电后来电时选择智能再启动时机的条件；
电压互感器TV取机端电压，不接N线，电压互感器TV的二次侧控制线接入单片机系统STM32的Uab、Ubc，监测机端电压Uab、Ubc，做为单片机系统STM32在晃电后来电时选择智能再启动时机的条件；
单片机系统STM32的信号输入端子与交流接触器KM常开点KM-2串联，当交流接触器KM线圈得电，交流接触器KM常开点KM-2闭锁时，单片机系统STM32进入启动模式，晃电发生后，交流接触器KM线圈失电，交流接触器KM常开触点KM-2、单片机系统STM32的信号输入断开，做为单片机系统STM32判断晃电的条件；
单片机系统STM32的信号输出端子与交流接触器KM常开点KM-1并联，当单片机系统STM32判断晃电发生条件全部满足，需再次启动时，单片机系统STM32的信号输出端子即闭合，电动机完成智能再启动，单片机系统STM32的信号输出端子闭合时间为2秒，两秒后即自动断开。
上述游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置的启动方法，按下述步骤进行：
(1)电源进线侧得电后，单片机系统STM32得电，此时对系统参数进行设定；
(2)工频直启控制回路中的断路器QF合闸，中间继电器KA1、中间继电器KA2的线圈得电，中间继电器KA1的常开点KA1-1、中间继电器KA2的常开点KA2-1闭合，点动按下启动按钮SB，交流接触器KM的线圈得电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2闭合，游梁式抽油机电动机启动，单片机系统STM32的信号输入端子闭合，同时对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均大于恢复电压值UH，对测得的三相电流Ia、Ib、Ic和额定电流Ie*0.7进行比较，每一相电流均大于额定电流Ie的0.7倍，此时单片机系统STM32判断电动机正常运行；
(3)晃电发生后，交流接触器KM因电压瞬间跌落导致线圈失电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2断开，单片机系统STM32的信号输入端子断开，同时对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均低于恢复电压值UH，此时单片机系统STM32判断电网发生晃电；
(4)晃电后来电时，单片机系统STM32对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均大于恢复电压值UH，此时单片机系统STM32判断电网已恢复正常，允许合闸智能再启动；
(5)单片机系统STM32对测得各项数据进行比较分析，当tΔ(t2-t1)＝Trs时，其中t1是满足装置启动条件时刻，t2是满足晃电后来电时允许合闸智能再启动条件时刻；且实时根据Uab、Ubc检测出的三相次序与晃电前正常运行时的三相次序进行对比，当单片机系统STM32判断电动机处于停止状态或正向加速状态时，单片机系统STM32信号输出端子闭合，交流接触器KM线圈得电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2闭合，电动机完成智能再启动。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其有益效果是：
本发明解决了晃电发生后游梁抽油机曲柄平衡块由于重力势能大进行钟摆运动导致无法有效正向启动的问题。晃电发生后，游梁抽油机曲柄平衡块受重力势能和动能相互转化影响来回摆动直至停止，现有技术无法有效识别电动机正向加速状态，只能利用时间延时对电动机进行分批启动，无法有效规避逆向启动的风险，并且同一区块内游梁抽油机的数量巨大，现有技术中用于储能的电容容量有限，无法短时完成分批启动。本发明可以准确识别电机脱网后的正反转过程，并于停机时或正向摆动时刻合闸，启动电流小，针对晃电发生时游梁抽油机曲柄平衡块停止位置、摆动方向、摆动时间各不相同的情况，本发明可针对各项数据进行分析智能再启动，并同时具有热过载保护、转堵保护、零序过流保护等各项功能。
附图说明
图1是游梁抽油机工频直启控制原理图；
图2是本发明装置的系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
参见图1，游梁式抽油机工频直启控制回路中：
电源进线与断路器QF进线端相连接；断路器QF出线端与交流接触器KM进线端相连接；交流接触器KM出线端与热继电器FR进线端相连接；热继电器FR出线端与游梁式抽油机电动机相连接；断路器QF出线端第一相线与中间继电器KA1的线圈进线端、停止按钮SS进线端相连接；中间继电器KA1的线圈出线端与断路器QF出线端第二相线、中间继电器KA2的线圈进线端相连接；中间继电器KA2的线圈出线端与断路器QF出线端第三相线、热继电器FR的常闭点FR-1出线端相连接；停止按钮SS出线端与启动按钮SB进线端、交流接触器KM的常开点KM-1进线端相连接；启动按钮SB出线端与交流接触器KM的常开点KM-1出线端、中间继电器KA1的常开点KA1-1进线端相连接；中间继电器KA1的常开点KA1-1出线端与中间继电器KA2的常开点KA2-1进线端相连接；中间继电器KA2的常开点KA2-1出线端与交流接触器KM的线圈进线端相连接；交流接触器KM的线圈出线端与热继电器FR的常闭点FR-1进线端相连接。
游梁式抽油机工频直启控制回路工作原理简述如下：
断路器QF合闸，中间继电器KA1、中间继电器KA2的线圈得电，中间继电器KA1的常开点KA1-1、中间继电器KA2的常开点KA2-1闭合，中间继电器KA1的常开点KA1-1、中间继电器KA2的常开点KA2-1串联于启动支路中，可防止回路缺相故障，热继电器FR的常闭点FR-1串联于启动支路中，可防止回路过载故障，点动按下启动按钮SB，交流接触器KM的线圈得电，交流接触器KM的常开点KM-1闭合，游梁式抽油机电动机启动。
参见图2，一种游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置，由工频直启控制回路、基于STM32内核的单片机系统STM32、电流互感器TA、电压互感器TV构成，基于STM32内核的单片机系统型号:STM8L152，电流互感器TA型号：AKH0.66Z-3*Φ20 80/5A，电压互感器TV型号：JDG-0.5 380/100。
单片机系统STM32的L、N接线端子与电源进线端A相、N相连接，为模块提供启动电源。
交流接触器KM出线端电源线穿过互感器TA后再与游梁式抽油机电动机相连接，电流互感器TA的二次侧控制线接入单片机系统STM32的Ia、Ib、Ic、Ua、Ub、Uc，监测三相电流Ia、Ib、Ic，三相电压Ua、Ub、Uc，并通过计算得出零序电流In，做为单片机系统STM32判断晃电和晃电后来电时选择智能再启动时机的条件。
电压互感器TV的二次侧控制线接入单片机系统STM32的Uab、Ubc，监测机端电压Uab、Ubc，做为单片机系统STM32在晃电后来电时选择智能再启动时机的条件。
单片机系统STM32的1、2接线端子(信号输入)与交流接触器KM常开点KM-2串联，当交流接触器KM线圈得电，交流接触器KM常开点KM-2闭锁时，单片机系统STM32进入启动模式，晃电发生后，交流接触器KM线圈失电，交流接触器KM常开触点KM-2，单片机系统STM32的信号输入断开，做为单片机系统STM32判断晃电的条件。
单片机系统STM32的3、4接线端子(信号输出)与交流接触器KM常开点KM-1并联，当单片机系统STM32判断晃电发生条件全部满足，需再次启动时，单片机系统STM32的信号输出端子即闭合，电动机完成智能再启动，单片机系统STM32的信号输出端子闭合时间为2秒，两秒后即自动断开。
本实施例中，基于STM32内核的单片机系统型号是:STM8L152；电流互感器TA型号是：AKH0.66Z-3*Φ20 80/5A；电压互感器TV型号是：JDG-0.5 380/100。
一种游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动方法，按下述步骤进行：
(1)单片机系统STM32的启动电源端子接至电源进线侧，因此当进线侧得电后，单片机系统STM32即得电，此时对系统参数进行设定，具体设定方法参考如下：
(2)断路器QF合闸，中间继电器KA1、中间继电器KA2的线圈得电，中间继电器KA1的常开点KA1-1、中间继电器KA2的常开点KA2-1闭合，点动按下启动按钮SB，交流接触器KM的线圈得电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2闭合，游梁式抽油机电动机启动，单片机系统STM32的信号输入端子闭合，同时对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均大于恢复电压值UH，对测得的三相电流Ia、Ib、Ic和额定电流Ie*0.7进行比较，每一相电流均大于额定电流Ie的0.7倍，此时单片机系统STM32判断电动机正常运行。
(3)晃电发生后，交流接触器KM因电压电压瞬间跌落导致线圈失电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2断开，单片机系统STM32的信号输入端子断开，同时对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均低于恢复电压值UH，此时单片机系统STM32判断电网发生晃电。
(4)晃电后来电时，单片机系统STM32对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均大于恢复电压值UH，此时单片机系统STM32判断电网已恢复正常，允许合闸智能再启动。
(5)单片机系统STM32对测得各项数据进行比较分析，当tΔ(t2-t1)＝Trs时，其中t1是满足装置启动条件时刻，t2是满足晃电后来电时允许合闸智能再启动条件时刻；且实时根据Uab、Ubc检测出的三相次序与晃电前正常运行时的三相次序进行对比，当单片机系统STM32判断电动机处于停止状态或正向加速状态时，单片机系统STM32信号输出端子闭合，交流接触器KM线圈得电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2闭合，电动机完成智能再启动。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照本实施例对本发明作了详细说明，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (3)
1.一种游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置，包括工频直启控制回路，基于STM32内核的单片机系统STM32，电流互感器TA，电压互感器TV；其特征在于：
单片机系统STM32的L、N接线端子与电源进线端A相、N相连接，为其提供启动电源；
工频直启控制回路中，电源进线与断路器QF进线端相连接，断路器QF出线端与交流接触器KM进线端相连接，交流接触器KM出线端电源线穿过电流互感器TA后再与游梁式抽油机电动机相连接，电流互感器TA的二次侧控制线接入单片机系统STM32的Ia、Ib、Ic、Ua、Ub、Uc，监测三相电流Ia、Ib、Ic，三相电压Ua、Ub、Uc，并通过计算得出零序电流In，做为单片机系统STM32判断晃电和晃电后来电时选择智能再启动时机的条件；
电压互感器TV取机端电压，不接N线，电压互感器TV的二次侧控制线接入单片机系统STM32的Uab、Ubc，监测机端电压Uab、Ubc，做为单片机系统STM32在晃电后来电时选择智能再启动时机的条件；
单片机系统STM32的信号输入端子与交流接触器KM常开点KM-2串联，当交流接触器KM线圈得电，交流接触器KM常开点KM-2闭锁时，单片机系统STM32进入启动模式，晃电发生后，交流接触器KM线圈失电，交流接触器KM常开触点KM-2、单片机系统STM32的信号输入断开，做为单片机系统STM32判断晃电的条件；
单片机系统STM32的信号输出端子与交流接触器KM常开点KM-1并联，当单片机系统STM32判断晃电发生条件全部满足，需再次启动时，单片机系统STM32的信号输出端子即闭合，电动机完成智能再启动，单片机系统STM32的信号输出端子闭合时间为2秒，两秒后即自动断开。
2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置，其特征在于：基于STM32内核的单片机系统型号是:STM8L152；电流互感器TA型号是：AKH0.66Z-3*Φ20 80/5A；电压互感器TV型号是：JDG-0.5 380/100。
3.一种如权利要求1所述的游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置的启动方法，按下述步骤进行：
(1)电源进线侧得电后，单片机系统STM32得电，此时对系统参数进行设定；
(2)工频直启控制回路中的断路器QF合闸，中间继电器KA1、中间继电器KA2的线圈得电，中间继电器KA1的常开点KA1-1、中间继电器KA2的常开点KA2-1闭合，点动按下启动按钮SB，交流接触器KM的线圈得电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2闭合，游梁式抽油机电动机启动，单片机系统STM32的信号输入端子闭合，同时对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均大于恢复电压值UH，对测得的三相电流Ia、Ib、Ic和额定电流Ie*0.7进行比较，每一相电流均大于额定电流Ie的0.7倍，此时单片机系统STM32判断电动机正常运行；
(3)晃电发生后，交流接触器KM因电压瞬间跌落导致线圈失电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2断开，单片机系统STM32的信号输入端子断开，同时对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均低于恢复电压值UH，此时单片机系统STM32判断电网发生晃电；
(4)晃电后来电时，单片机系统STM32对测得的三相电压值Ua、Ub、Uc和恢复电压值UH进行比较，每一相电压值均大于恢复电压值UH，此时单片机系统STM32判断电网已恢复正常，允许合闸智能再启动；
(5)单片机系统STM32对测得各项数据进行比较分析，当tΔ(t2-t1)＝Trs时，其中t1是满足装置启动条件时刻，t2是满足晃电后来电时允许合闸智能再启动条件时刻；且实时根据Uab、Ubc检测出的三相次序与晃电前正常运行时的三相次序进行对比，当单片机系统STM32判断电动机处于停止状态或正向加速状态时，单片机系统STM32信号输出端子闭合，交流接触器KM线圈得电，交流接触器KM的主触点及常开点KM-1、KM-2闭合，电动机完成智能再启动。
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