CN216564513U - 一种石油钻井用公共电网直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种石油钻井用公共电网直流输电系统，包括变压器、整流单元、保护单元、中央控制器、公共直流母线、驱动控制单元、负载驱动装置、制动单元和制动电阻；所述的变压器的原边受电端连接网电电源，变压器副边连接单组或多组整流单元的受电端，整流单元输电端连接公共直流母线，每条整流单元线路上连接有一组保护单元，中央控制器控制整流单元和保护单元；驱动控制单元受电端连接公共直流母线。输电端连接负载驱动装置，制动单元受电端连接公共直流母线，输电端连接制动电阻；克服了传统网电三相六脉波整流方式的波形畸变严重，奇次谐波大，纹波系数大等问题。

Description

一种石油钻井用公共电网直流输电系统

技术领域

本实用新型涉及陆地石油钻井开采输电技术领域，尤其涉及一种石油钻井用公共电网直流输电系统。

背景技术

陆地石油钻井动力电源一般为柴油发电机组或网电电源，由于网电电源单位成本低，系统稳定性高，无噪音等方面优势，网电被广泛应用于石油钻机系统，特别是新疆，四川等油气资源丰富的地区。

随着新能源技术（风电，太阳能）的发展，网电的取得变得更加容易。现有的网电钻机是公共电网10kv(35kv)经过大容量变压器得到交流600V电源，通过直流调速系统（SCR）或交流变频系统（VFD）驱动装置，为钻机的起升系统、泥浆循环系统、钻头旋进系统等提供充足的动力。并且，VFD整流方式为六脉波全桥整流，逆变输出和电机之间长距离交流输电。

其中，AC600v负载端整流，逆变，变压器等器件组成的供电系统的使用，存在着很多弊端，系统抗冲击性能差、系统无功占容量大导致传输效率低、系统谐波大、设备容量大导致投资大、设备使用寿命缩短影响其他控制系统等等，同时，对于设备寿命和功率因数的提高造成很大的困扰。有鉴于现有的网电三相六脉波整流存在的问题，本实用新型人响应国家节能减排的战略方针，提供一种应用于陆地石油钻机的网电直流输电系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种石油钻井用公共电网直流输电系统，克服了传统网电三相六脉波整流方式的波形畸变严重，奇次谐波大，纹波系数大等问题。

本实用新型采用的技术方案为：

一种石油钻井用公共电网直流输电系统，包括变压器、整流单元、保护单元、中央控制器、公共直流母线、驱动控制单元、负载驱动装置、制动单元和制动电阻；所述的变压器的原边受电端连接网电电源，变压器副边连接单组或多组整流单元的受电端，整流单元输电端连接公共直流母线，每条整流单元线路上连接有一组保护单元，中央控制器控制整流单元和保护单元；所述的驱动控制单元受电端连接公共直流母线。输电端连接负载驱动装置，制动单元受电端连接公共直流母线，输电端连接制动电阻；还包括辅助供电单元，辅助供电单元连接到公共直流母线，为井场其他设备供电；所述的驱动控制单元采用多台小功率逆变器或单台大功率逆变器；所述的负载驱动装置采用多台小功率电机机械耦合的形式进行负载驱动，或单台大功率电机进行负载驱动。

当所述的整流单元采用PWM整流装置时，所述的保护单元包括高压隔离开关、单组或多组低压隔离开关、电抗器和隔离保护开关，所述的高压隔离开关设于变压器的原边受电端，每组低压隔离开关串联一组电抗器连接一组PWM整流装置的受电端，一组PWM整流装置的输电端通过一个隔离保护开关连接于公共直流母线上；所述的中央控制单元通讯端和每组PWM整流装置通讯端连接，中央控制单元检测端连接每组低压隔离开关的进线端。

所述的隔离保护开关采用刀溶开关或断路器，高压隔离保护开关采用断路器，低压隔离开关采用刀溶开关或断路器。

当所述的整流单元采用24脉波整流时，所述的保护单元包括高压隔离开关和熔断器，所述的高压隔离开关设于变压器的原边受电端，熔断器设于变压器的副边输电端；此时的变压器采用多相整流变压器。

还包括由电抗器和电容组串联组成的LC滤波电路，LC滤波电路连接到公共直流母线上。

所述的高压隔离开关采用高压进线断路器，进线为10KV或35KV。

所述的辅助供电单元采用pcs形式连接到公共直流母线上，或者采用高压变压器转换得到。

本实用新型网电直流输电系统包含两种整流方式：第一种为网电PWM整流方式，包括高压隔离开关，变压器，低压隔离开关，电抗器，PWM整流装置，中央控制单元,隔离保护开关，公共直流母线，驱动控制单元，负载驱动装置，制动单元，制动电阻，辅助供电单元。

第二种为适用于陆地石油钻机的网电24脉波整流方式，包括高压隔离开关，多相整流变压器，熔断器，整流单元，电抗器，电容组，公共直流母线，驱动控制单元，负载驱动装置，制动单元，制动电阻，辅助供电单元。

其中，PWM整流方式：PWM前后端加上隔离保护开关方便设备检修，PWM整流装置交流侧连接电感，作为PWM整流模块的拓扑防止开关器件短路。PWM整流模块具备过流保护、过压保护、过温保护、短路保护、开路保护等功能，中央控制单元对每组PWM整流单元进行总线控制，根据负载功率，电压及电流等进行启停逻辑控制，并调节电压，均衡多组整流装置间的负载分配作用。

24脉波整流方式：每个整流桥分别由2个不同联结形式的变压器提供三相电压。其中 △/Y 联结形式的变压器副边电压与原边电压之间存在60°的相位差，而 △/△ 联结形式的变压器原边输入电压与副边输出电压之间不存在相位差。两台整流变压器原边相角差30°。这样共同组相角差30°的12相输出，再经过全桥整流电路组成24脉整流。在大电感负载下若忽略整流桥换相以及直流侧的电流脉动，系统每相输入基波电流与相电压之间不存在相位差。但是变压器的移相作用会使4个整流桥产生的某些次数谐波之间存在相位差。若其中一个整流桥产生的某些次数谐波电流与其他整流桥产生的相应次数的谐波电流幅值相等、相位相反，则该次数的谐波电流将不会出现在整个系统的输入电流中。

具有下列优点及有益效果：

1、传统电动钻机无论是SCR可控硅直流驱动还是VFD交流变频驱动，其整流环节均采用六脉波整流技术，谐波≥20％，直流纹波≥5%，因此需要对谐波进行治理，增加成本；而本实用新型采用PWM整流或24脉波整流技术，能够保持直流纹波系数在3.4‰以下，大大提高电机效率及设备使用寿命，而且电网质量好，不需要治理费用。

2、直流输配电不存在趋肤效应、无功损耗和涡流损耗，具有更高的电能质量和传输效率。

附图说明

图1为本实用新型的实施例一的电路原理框图；

图2为本实用新型的实施例二的电路原理框图。

具体实施方式

本实用新型包括变压器2、整流单元、保护单元、中央控制器6、公共直流母线8、驱动控制单元9、负载驱动装置10、制动单元11和制动电阻12；所述的变压器2的原边受电端连接网电电源，变压器2副边连接单组或多组整流单元的受电端，整流单元输电端连接公共直流母线8，每条整流单元线路上连接有一组保护单元，中央控制器6控制整流单元和保护单元；所述的驱动控制单元9受电端连接公共直流母线8。输电端连接负载驱动装置10，制动单元11受电端连接公共直流母线8，输电端连接制动电阻12；还包括辅助供电单元13，辅助供电单元13连接到公共直流母线8，为井场其他设备供电。

如图1所示，当所述的整流单元采用PWM整流装置5时，所述的保护单元包括高压隔离开关1、单组或多组低压隔离开关3、电抗器4和隔离保护开关7，所述的高压隔离开关1设于变压器2的原边受电端，每组低压隔离开关3串联一组电抗器4连接一组PWM整流装置5的受电端，一组PWM整流装置5的输电端通过一个隔离保护开关7连接于公共直流母线8上；所述的中央控制器6通讯端和每组PWM整流装置5通讯端连接，中央控制器6检测端连接每组低压隔离开关3的进线端。

所述的隔离保护开关7采用刀溶开关或断路器，高压隔离保护开关采用断路器，低压隔离开关采用刀溶开关或断路器。

如图2所示，当所述的整流单元采用24脉波整流14时，所述的保护单元包括高压隔离开关1和熔断器15，所述的高压隔离开关1设于变压器2的原边受电端，熔断器15设于变压器2的副边输电端；此时的变压器2采用多相整流变压器2。

还包括由电抗器4和电容组16串联组成的LC滤波电路，LC滤波电路连接到公共直流母线8上。

所述的高压隔离开关1采用高压进线断路器，进线为10KV或35KV。

所述的驱动控制单元9采用多台小功率逆变器或单台大功率逆变器。

所述的负载驱动装置10采用多台小功率电机机械耦合的形式进行负载驱动，或单台大功率电机进行负载驱动。

所述的辅助供电单元13采用pcs形式连接到公共直流母线8上，或者采用高压变压器2转换得到。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图1所示，当所述的整流单元采用PWM整流装置5时，本实用新型包括变压器2、整流单元5、高压隔离开关1、单组或多组低压隔离开关3、电抗器4和隔离保护开关7、中央控制器6、公共直流母线8、驱动控制单元9、负载驱动装置10、制动单元11和制动电阻12。

所述的高压隔离开关1设于变压器2的原边受电端，每组低压隔离开关3串联一组电抗器4连接一组PWM整流装置5的受电端，一组PWM整流装置5的输电端通过一个隔离保护开关7连接于公共直流母线8上；所述的中央控制器6通讯端和每组PWM整流装置5通讯端连接，中央控制器6检测端连接每组低压隔离开关3的进线端；所述的驱动控制单元9受电端连接公共直流母线8。输电端连接负载驱动装置10，制动单元11受电端连接公共直流母线8，输电端连接制动电阻12；还包括辅助供电单元13，辅助供电单元13连接到公共直流母线8，为井场其他设备供电。

所述的隔离保护开关7采用刀溶开关或断路器。

网电电源（网电高压电压）经过高压隔离开关1通过变压器2将高压电源转换成所需要的的低压电源，PWM前后端加上隔离保护开关7方便设备检修，再采用PWM整流方式将交流电源整流成井场逆变器所需要的的直流电源，输出通过直流母线集中输送，连接到驱动逆变器进行井场负载驱动，如：泥浆泵，绞车，转盘等。辅助供电单元13为罐区，营房，井场照明等提供电源。

其中，PWM整流装置5内部包含预充电回路、开关器件、吸收电路和驱动电路。PWM整流装置5交流侧连接电感，作为PWM整流装置5的拓扑防止开关器件短路。PWM整流装置5具有三相电流检测功能，直流侧电流检测功能，预充回路及控制功能，预充回路前后电压检测功能，直流母线被动放电功能，电机温度检测功能等。所述的PWM整流装置5采用市购产品，在此不再赘述。中央控制器6对每组PWM整流装置5块进线总线控制，进行启停逻辑控制，调节电压电流控制，均衡负载分配作用：当直流母线上负载出现变化时，中央控制器6向PWM直流装置发出转矩指令,PWM整流装置5根据负载的标定值LUT（Look-Up-Table），查表给定Id Iq电流，调整每组整流装置电流，通过电流闭环调节，可以对多个整流装置进行负载分配与控制。中央控制器6对每组PWM整流装置5进行总线控制，根据负载功率，电压及电流等进行启停逻辑控制，并调节电压，均衡多组整流装置间的负载分配作用。

实施例二

当所述的整流单元采用24脉波整流14时，本实用新型包括变压器2、高压隔离开关1和熔断器15，所述的高压隔离开关1设于变压器2的原边受电端，熔断器15设于变压器2的副边输电端；此时的变压器2采用多相整流变压器2，中央控制器6、公共直流母线8、驱动控制单元9、负载驱动装置10、制动单元11和制动电阻12；每个高压隔离开关1受电端连接网电电源；输电端与多相整流变压器2原边相连，多个多相整流变压器2副边通过串联熔断器15，连接到多组整流单元受电端，整流单元输电端汇集到公共直流母线8，并在公共直流母线8上连接LC滤波电路，LC滤波电路包括由电抗器4和电容组16串联组成。所述的驱动控制单元9受电端连接公共直流母线8。输电端连接负载驱动装置10，制动单元11受电端连接公共直流母线8，输电端连接制动电阻12；还包括辅助供电单元13，辅助供电单元13连接到公共直流母线8，为井场其他设备供电。

高压隔离开关1采用高压进线断路器，进线为10KV或35KV。驱动控制单元9采用多台小功率逆变器或单台大功率逆变器。负载驱动装置10采用多台小功率电机机械耦合的形式进行负载驱动，或单台大功率电机进行负载驱动。辅助供电单元13采用pcs形式连接到公共直流母线8上，或者采用常用的三相变压器转换得到。

其中，24脉波整流14，每个整流桥分别由2个不同联结形式的变压器2提供三相电压。其中， △/Y 联结形式的变压器2副边电压与原边电压之间存在60°的相位差，而 △/△联结形式的变压器2原边输入电压与副边输出电压之间不存在相位差。两台整流变压器2原边相角差30°。这样共同组相角差30°的12相输出，再经过全桥整流电路组成24脉整流。在大电感负载下若忽略整流桥换相以及直流侧的电流脉动，系统每相输入基波电流与相电压之间不存在相位差。但是变压器2的移相作用会使4个整流桥产生的某些次数谐波之间存在相位差。若其中一个整流桥产生的某些次数谐波电流与其他整流桥产生的相应次数的谐波电流幅值相等、相位相反，则该次数的谐波电流将不会出现在整个系统的输入电流中。

当采用24脉波整流时，高压隔离开关1设置两组，受电端方便连接网电同一电源，对系统起到隔离保护作用。并且可以切换12脉波/24脉波整流14方式。所述的24脉波整流14采用市购产品，在此不再赘述。多相变压器2有两组，受电端连接高压隔离开关1的输电端，将三相网电电源变压分裂成12相交流电源，每相角度均匀为30°，每组变压器2副边分别有一组三角形绕组形式和一组三角形绕组形式。变压器2模块输电端连接熔断器15，为整流单元提供安全可靠的12相交流电源。整流单元受电端连接快熔熔断器15，用于在系统发生短路故障时保护设备安全。整流单元中的整流桥主要用于将网电整流成为直流电源，为电机控制器组提供直流电源。整流模块中的阻容吸收电路有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，使过电压的波形变缓，陡度和幅值降低，再加上电阻的阻尼作用，使高频振荡迅速衰减。该模块内部采用风冷冷却设计，安装方便，效果良好。内部散热片上安装温度开关，作为整流桥的过高温保护。四组整流单元的输电端正负极分别汇集连接正负母排，作为公共直流母线8，在正极母线上串联熔断器15；在正负母排上并联熔断器15，对系统进行滤波优化。

整个公共电网直流输电系统，直流输配电不存在趋肤效应、无功损耗和涡流损耗，具有更高的电能质量和传输效率。传统电动钻机无论是SCR可控硅直流驱动还是VFD交流变频驱动，其整流环节均采用六脉波整流技术，谐波≥20％，直流纹波≥5%，因此需要对谐波进行治理，增加成本；而本实用新型采用PWM整流或24脉波整流14技术，直流输电解决了石油钻机六脉波整流系统的谐波污染问题，直流纹波系数大大减小，用电设备使用寿命大大提高，同时能够保持直流纹波系数在3.4‰以下，大大提高电机效率及设备使用寿命，而且电网质量好，不需要治理费用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种石油钻井用公共电网直流输电系统，其特征在于：包括变压器、整流单元、保护单元、中央控制器、公共直流母线、驱动控制单元、负载驱动装置、制动单元和制动电阻；所述的变压器的原边受电端连接网电电源，变压器副边连接单组或多组整流单元的受电端，整流单元输电端连接公共直流母线，每条整流单元线路上连接有一组保护单元，中央控制器控制整流单元和保护单元；所述的驱动控制单元受电端连接公共直流母线；

输电端连接负载驱动装置，制动单元受电端连接公共直流母线，输电端连接制动电阻；还包括辅助供电单元，辅助供电单元连接到公共直流母线，为井场其他设备供电；所述的驱动控制单元采用多台小功率逆变器或单台大功率逆变器；所述的负载驱动装置采用多台小功率电机机械耦合的形式进行负载驱动，或单台大功率电机进行负载驱动。

2.根据权利要求1所述的石油钻井用公共电网直流输电系统，其特征在于：当所述的整流单元采用PWM整流装置时，所述的保护单元包括高压隔离开关、单组或多组低压隔离开关、电抗器和隔离保护开关，所述的高压隔离开关设于变压器的原边受电端，每组低压隔离开关串联一组电抗器连接一组PWM整流装置的受电端，一组PWM整流装置的输电端通过一个隔离保护开关连接于公共直流母线上；所述的中央控制器通讯端和每组PWM整流装置通讯端连接，中央控制器检测端连接每组低压隔离开关的进线端。

3.根据权利要求2所述的石油钻井用公共电网直流输电系统，其特征在于：所述的隔离保护开关采用刀溶开关或断路器，高压隔离保护开关采用断路器，低压隔离开关采用刀溶开关或断路器。

4.根据权利要求1所述的石油钻井用公共电网直流输电系统，其特征在于：当所述的整流单元采用24脉波整流时，所述的保护单元包括高压隔离开关和熔断器，所述的高压隔离开关设于变压器的原边受电端，熔断器设于变压器的副边输电端；此时的变压器采用多相整流变压器。

5.根据权利要求4所述的石油钻井用公共电网直流输电系统，其特征在于：还包括由电抗器和电容组串联组成的LC滤波电路，LC滤波电路连接到公共直流母线上。

6.根据权利要求2或5任一所述的石油钻井用公共电网直流输电系统，其特征在于：所述的高压隔离开关采用高压进线断路器，进线为10KV或35KV。

7.根据权利要求1所述的石油钻井用公共电网直流输电系统，其特征在于：所述的辅助供电单元采用pcs形式连接到公共直流母线上，或者采用三相变压器转换得到。

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