用于平衡不平衡电力电缆的系统和方法与流程

1.本公开涉及用于平衡不平衡电力电缆的系统和方法。


背景技术：

2.三相电力传输通常对每一相使用单独的导体。三相电缆内的导体通常相对靠近，在每个载流导体和其余导体之间产生感应效应。三个导体中每一个的瞬时电流随电流相位而变化。在某一时刻，电流在一个导体上被运载并在第二导体上被返回，而在第三导体内的电流为零。在循环期间的其它时间，电流在一个导体上被运载，并在其它两个导体上以相等的部分被返回。电流变化导致导体之间电感的相应变化。出于这个原因，对于三相电力传输，通常优选圆形电缆，在其中从横截面上看，每个导体与其它两个导体在等边三角形的顶点处间隔相等的距离。
3.当为油田生产钻油井孔时，井筒直径的任何增加都可能使油井的成本增加数千美元。保持井筒相对较小以最小化成本已经导致用于大多数电动潜油泵(esp)行业的电缆几何形状发生变化。从历史上看，大多数电缆由圆形绞合绝缘导体组成，并且因此在向井下电机传输电力时是电气平衡的。现在大多数电缆都是扁平的，其更适合井筒，但会产生不平衡的电气传输阻抗。电缆不是为了支撑其自身的重量而设计，需要将它们夹紧或绑在生产油管上以支撑在井筒中。随着更高速电机的出现，这些阻抗在例如超过100hz并且在某些情况下高达500-600hz或更高，而不是历史上使用的标准50/60hz频率时甚至更加明显。应该注意的是，许多油井中的电缆可能很长，并且每条支腿中的阻抗差异可能会导致每条支腿中的不同电压降。
4.先前的参考文献公开了在较高电压相中产生损失或试图在表面系统内进行补偿，从而在部件上产生了较高的应力，但存在许多缺陷。例如，美国专利第6,566,769号公开了添加附加的电感器，这些电感器价格昂贵并且没有针对井下电缆的变化进行调整的方法。以下参考文献通过引用整体并入本文：david shipp的spe-194411-ms；wo2009151680a2；ca2412083a1；美国专利第6,566,769b1号。
5.在许多应用中，驱动器大小上接近于所需的功率(千伏安或kva)。也就是说，驱动器输出电流能力大小上接近于电机所需的电流。即使驱动器可以产生更大的电流，通常还是通过设置驱动器的电流限制来避免超过电机铭牌电流。在任何一种情况下，当使用扁平电缆时，一相将在其它两相之前达到电流限制，此时驱动器将停止增加频率，并且泵将以低于预期的rpm运行。因此，导体电感差异可能会导致电机端子处的显著电压和电流不平衡并限制驱动频率。这种不平衡在更高频率的电机中更加明显，并且越深的油井所需的电缆长度越长。
6.存在这些缺陷和其它缺陷。


技术实现要素：

7.本公开的实施例提供了一种使用具有一相或多相的变压器来平衡不平衡电力电
缆的方法。该方法可以包括选定抽头手柄上的电压。该方法可以包括将第一套管以与所选电压不同的电压设置在一相或多相上。该方法可以包括基于第一套管在不同电压下的一相或多相上的设置来平衡不平衡电力电缆。
8.本公开的实施例提供了一种扁平电缆。扁平电缆可以包括多个导体。多个导体中的至少一个可以包括与其余多个导体中的每一个的阻抗值不同的阻抗值。通过将套管以用于一个或多个井下电动潜油泵应用的电压设置在一相或两相或所有三相上，电缆可以从不平衡模式被转换为平衡模式。
9.当结合所附权利要求阅读本公开的示例性实施例的以下详细描述时，本公开的示例性实施例的这些目的和其它目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
10.可以通过参考以下结合附图的描述，可以最好地理解本公开的各种实施例以及其他目的和优点。
11.图1描绘了根据示例性实施例的平衡不平衡电力电缆的方法。
12.图2示出了根据示例性实施例的电动潜油泵系统。
13.图3a示出了根据示例性实施例的一组套管。
14.图3b示出了根据示例性实施例的变压器。
15.图4示出了根据示例性实施例的地下井筒系统。
16.图5示出了根据示例性实施例的扁平电缆。
具体实施方式
17.实施例的以下描述提供了附图标记的非限制性代表性示例以具体描述本发明的不同方面的特征和教导。所描述的实施例应该被认为能够单独实施或与实施例的描述中的其它实施例组合实施。查看实施例的描述的本领域普通技术人员应该能够学习和理解本发明的不同描述方面。实施例的描述应该有助于对本发明的理解到这样的程度，使得未具体涵盖但在已经阅读了实施例的描述的本领域技术人员的知识范围内的其它实施方式将被理解为与本发明的应用一致。
18.本文公开的系统和方法提供了一种对上述确定的不平衡采取适当纠正措施的方法，通过使用来自已在系统中的升压变压器的正确电压创建平衡，创建经由扁平电缆连接的电机所需的电压和电流平衡。由电动潜油泵行业在驱动器/配电盘和油井之间使用的变压器可能包括升压型变压器，并包括可调抽头以补偿电机运行时电缆中的电压损失。基于能量要求，需要更高的电压，以使用更具成本效益(大小)的导体规格向井下或地面电机传输足够的电力。这些抽头用于所有三相并设置输出电压。面临类似挑战的其它行业也可以使用这些转换，并且因此不限于esp行业。
19.如本文所讨论的，系统和方法提供了许多不同的实施方式，这些实施方式允许一个或多个附加的抽头手柄或者一个或多个套管相对于其它相在一相或多相上增加电压/减小电流。在一些示例中，这可以用于两相。例如，一个或多个套管可以以大于或小于抽头手柄上的选定电压的百分比位于一相或多相上。这将导致有利的成本并且是便宜的。电压差可以基于附接在变压器上仅用于一相，或在其它示例中，仅用于两相，或在其它示例中，用
于所有三相的特定套管来固定。由于扁平电缆的几何形状使得只有中心导体包括与其它两相不同的阻抗，因此一相可以是有效的。该实施方式可以包括针对该特定相或其它两相的变压器上的附加匝数。无论变压器型号(包括升压或降压、自动变压器、带或不带相移，以及e型铁芯或其它叠片配置)如何，都可以为扁平电缆补偿创建电压差。
20.对于中压驱动器，有一个移相输入变压器(通常在输出上没有升压变压器)，该变压器还可以在一个或多个(例如多个直至所有)相上具有附加的匝数，以为扁平电缆提供平衡。因此，这种实施方式可能会在与该相相关联的驱动器内的模块上产生额外的电压。
21.在一些示例中，一个或多个附加的抽头手柄，诸如一个或两个或三个附加的抽头手柄，可以被配置为控制选定高于现有的抽头比的百分比，以平衡电机的电压和电流。以这种方式，该实施方式具有操作者可能不知道哪个是导体的中心相的优点。
22.图1描绘了根据示例性实施例的使用具有一相或多相的变压器来平衡不平衡电力电缆的方法100。
23.在步骤110处，方法100可以包括选定抽头手柄上的电压。例如，可以在抽头手柄上选定第一电压。方法100还可以包括经由第二抽头手柄选定对线间电压的一个或多个变化。
24.在步骤120处，方法100可以包括将第一套管以不同于所选电压的电压设置在一相或多相上。例如，第一套管可以以不同于第一电压的第二电压被设置在一相或多相上。非限制性地，不同的电压可以小于10kv。基于将第一套管附接到变压器可以为一相或多相固定不同的电压。在另一个示例中，基于将第一套管附接到变压器可以为三相固定不同的电压。方法100可以包括向每一相添加附加的套管。例如，可以将两个或更多个附加套管添加到一相或多相中的每一相。方法100还可以包括在变压器上实施一匝或多匝以固定用于一相或多相的不同电压或第二电压。在一些示例中，不同电压可以与所选电压相差(更高或更低)预定百分比。例如，预定百分比可包括从约1％至约40％之间的百分比范围，诸如5％或10％、或15％、或20％或任何其它期望的百分比差异。
25.在步骤130处，方法100可以包括基于第一套管在不同电压(诸如第二电压)下在一相或多相上的设置来平衡不平衡电力电缆。在一些示例中，电力电缆可以在将第一套管以高于或低于所选电压的电压设置在一相或多相上时被平衡。方法100还可以包括通过在移相变压器上实施一匝或多匝来调整电压。
26.方法100还可以包括基于不同的电压向电气负载传输电力。非限制性地，电气负载可以包括永磁体、感应电机、伺服电机或开关磁阻电机。在一些示例中，方法100可以包括通过一个或多个附加抽头手柄平衡电气负载的电压和电流，以便允许选定超过抽头比的值。
27.变压器可以包括多个相。变压器可以包括升压变压器。在其它示例中，变压器可以包括降压变压器。变压器可以包括多个铁芯。例如，变压器可以包括e型-叠片。变压器可以包括i型-叠片。变压器可以包括u-i型叠片。变压器可以包括以多种配置配置的初级绕组和次级绕组。例如，配置中的至少一种可以包括y形配置。在另一示例中，配置中的至少一种可以包括三角形配置。在另一示例中，配置中的至少一种可以包括混合y形-三角形配置。在一些示例中，方法100可以包括通过利用变压器的磁芯来增加阻抗。
28.图2示出了根据示例性实施例的电动潜油泵系统(esp)200。如图所示，系统200可以包括第一变压器205、控制模块210、第二变压器215、接线盒220、电缆225、泵230、气体处理235、密封件240、电机245和传感器250。系统200可以被配置用于在油井中使用。例如，esp
系统200可以被用于从井筒内向地表生产碳氢化合物和其它液体和气体。esp系统200可以包括泵230、密封件240和位于井筒中的电机245，由地面电力系统供电，地面电力系统可以是低压驱动器和升压变压器215或配电盘电机保护器。尽管图2示出了系统200的部件的单个实例，但是系统200可以包括任意数量的部件。图2可以引用和合并图1中方法100的任何和所有步骤和部件。
29.变压器215可以包括多个相。变压器215可以包括升压变压器。在其它示例中，变压器215可以包括降压变压器。变压器215可以包括多个铁芯。例如，变压器215可以包括e型-叠片。变压器215可以包括i型-叠片。变压器215可以包括u-i型叠片。变压器215可以包括以多种配置配置的初级绕组和次级绕组。例如，配置中的至少一种可以包括y形配置。在另一示例中，配置中的至少一种可以包括三角形配置。在另一示例中，配置中的至少一种可以包括混合y形-三角形配置。在一些示例中，变压器215的磁芯可以被用于在一相、两相或三相上增加阻抗。
30.电缆225可以参考电缆500，如下面关于图5进一步解释的。
31.esp系统200可能由于扁平电缆要求几何约束而运行不平衡，这提供了设备的更短寿命、增加的电力成本、降低的效率以及尺寸不匹配。当使用扁平电缆向三相电机传输电力时，不同的导体电感可能会导致电机端子处的电压幅度和相位发生微小变化。电压的微小差异可能会导致相电流的相对较大差异，其中那些不平衡会导致额外的电压降并加剧不平衡，直到达到平衡为止。使用长长度的扁平电缆将电力传输至三相电机可能会导致约10％到15％的电流不平衡。如上所讨论的，如果三个导体是平衡的，诸如三相60hz或其它频率电路，其中到中心线的距离大小相等，则感应电压将大小相等，但相位相差120度。因此，导线中感应的所有电压的矢量和为零。
32.如图3a和图3b所示，根据示例性实施例提供了一组示例性辅助套管300和示出抽头配置变压器350。虽然图3a和图3b示出了套管300的单个实例，但是可以包括任意数量的套管。图3a和图3b可以引用和合并图1中的方法100和图2中的系统200的任何和所有步骤和部件。
33.这些套管可以包括高压(hv)套管。可以由h(诸如h1、h2、h3)表示高压引线。hv套管被表示为xx，并且相对于正常的x侧线路引线，诸如xx1、xx2、xx3。在一些示例中，可以将一个或多个附加套管添加到每一相和附加的一个抽头手柄，诸如共模抽头变换器(cmtc)。新的抽头手柄可以被配置为选定改变线间电压。cmtc可以被配置为改变xx输出的线间电压。x输出代表线路引线的输出，其线间电压可以由tc1、tc2控制。例如，y形配置可以通过将x4、x5和x6连接在一起被形成，并且可以在内部被完成并被引出到单个x0套管，以节省用于永久y形hv配置的机柜空间。然后被指定为共模补偿相的无论哪一个相可以从该x1、x2或x3套管被移到xx1、xx2或xx3套管上。
34.图4示出了根据示例性实施例的地下井筒系统400的示意图。系统400可包括井口405、至电池(诸如中央电池)的输出410、套管415、生产管420、电力电缆425、排放阀430、止回阀435、泵440、进口445、密封部分450、电机扁平电缆455、传感器460和穿孔465。图4可以引用方法100、系统200以及图3a和图3b的套管和变压器的相同或相似的组件。尽管图4示出了系统400的部件的单个实例，但是系统400可以包括任何数量的部件。图4可以引用和合并图1中的方法100、图2的系统200、图3a和图3b的套管和变压器以及图5的电缆500的任何和
所有步骤和部件。
35.图5描绘了根据示例性实施例的电缆500的示意图。图5可以引用和合并图1中的方法100、图2中的系统200、图3a和图3b中的套管和变压器以及图4中的系统400的任何和所有步骤和部件。
36.电缆500可以包括电动潜油泵电缆。电缆500可以包括多个导体505。电缆500可以包括绝缘510。电缆500可以包括屏障515。电缆500可以包括垫层包带520。电缆500可以包括护层525。例如，电缆500可以包括的htf3型扁平电动潜油泵电缆。
37.电缆500可以包括扁平电力电缆。电缆500还可以包括多个导体505。在一些示例中，从多个导体505中选择的一个或多个导体可以包括与电缆的其余导体505不同的阻抗值。例如，导体之一可以包括与电缆500的两个其余导体505中的每一个不同的阻抗值。多个导体505可以被顺序排列在水平轴上。此外，电缆500可以被平衡并被配置用于一个或多个井下电动潜油泵应用。电缆500可以被注入到一段连续油管中。如上解释，电缆500可以通过将套管以用于一个或多个井下电动潜油泵应用的电压设置在三相中的一相或两相上，从不平衡模式被转换为平衡模式。电缆500可以包括设置在第二相和第三相中的每一个处的一个或多个附加套管。在一些示例中，电压可能超过由抽头手柄选定的值。如前解释，电缆500可以被配置为向电气负载传输电力。
38.电缆500可以包括多种尺寸。非限制性地，电缆500的长度可以超过12,000英尺。在另一个示例中，电缆500的长度可以包括大约15,000英尺。电缆500的宽度可以包括约1英寸到2英寸的范围，诸如1.5英寸。电缆500的厚度可以包括约0.1英寸至约1英寸的范围，诸如0.5英寸。
39.电缆500可以是#2、#4或#6awg导体，用聚丙烯或三元乙丙橡胶(epdm)绝缘，并覆盖有丁腈或铅护套(用于井下保护)，并覆盖或包裹有镀锌钢、不锈钢或护层。例如，#4awg epdm/铅扁平5kv电缆可以包括每千英尺0.258欧姆的dc电阻，和0.042uh/1000英尺的xl，以及0.0648uf/1000英尺的xc。根据油井的深度，这些阻抗可以随着电缆500的长度而增加。
40.在前面的说明书中，已经参考附图描述了各种实施例。然而，将显而易见的是，可以对其做出各种修改和改变，并且可以实施附加的实施例，而不会脱离如所附的权利要求中阐述的本发明的更广泛范围。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的意义。