一种基于液电脉冲增产装置的变压器参数获取方法与流程

本发明属于变压器领域，更具体地，涉及一种基于液电脉冲增产装置的变压器参数获取方法。

背景技术：

随着油田开采程度的不断深入，地层压力下降，油层渗透率降低，油井内非溶性盐类的沉积会堵塞渗油通道，从而导致油井产量下降，特别是对于低渗透油田而言，产油量下降更为严重，甚至可能造成停产。

液电脉冲增产技术是一种以高压脉冲放电产生冲击波，作用于油层的新型解堵增产方法，它具有无二次污染、占井时间短、操作简便等优点，在国内外油田中得到了日益广泛的应用。

变压器是液电脉冲增产装置中必不可少的一部分，主要起到电压变换和能量传输的作用。油井下的工作环境具有温度高、空间狭小、距离地面远的特点。一般变压器的散热措施能够使温度保持在较低水平，从而保证变压器的正常工作，而在高温环境下工作时，磁芯的磁特性会受到严重的影响，从而造成变压器电能传输性能的改变，难以长时间可靠地工作。一般变压器没有形状和体积的限制，所以体积较大，但是油井的空间有限，对变压器的体积和形状有较大的限制。因此，需要设计一种能够耐受井下高温的小型化中频变压器。考虑到油井下的特殊的工作环境，传统的变压器设计方法不再适用，所以需要将传统设计方法进行改进，获取一种井下中频变压器的参数设计方法。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于液电脉冲增产装置的变压器参数获取方法，旨在解决因现有变压器参数未基于变压器体型小、耐高温和激励电压谐波成分大的需求获取，导致液电脉冲增产装置无法适用于油层的解堵增产的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于液电脉冲增产装置的变压器参数获取方法，包括：

(1)根据变压器的工作温度及磁芯种类，设置变压器的最大工作磁密和绕组的电流密度；并根据油井宽度和液电脉冲增产装置的要求，设置变压器的直径、磁芯的体积参数和原边电流有效值；同时基于变压器的多种谐波的电压激励，计算变压器的最大原边伏秒数；

(2)根据最大原边伏秒数、变压器的直径、磁芯的体积参数、最大工作磁密、变压器的变比、原边电流有效值和绕组的电流密度，计算原边绕组匝数、原边绕组导线截面积、副边绕组匝数、副边绕组导线截面积、磁芯的窗口面积；

(3)根据原边绕组匝数、副边绕组匝数、原边绕组导线截面积、副边绕组导线截面积和磁芯的窗口面积，计算窗口利用系数；

(4)对比窗口利用系数与预设值，若窗口利用系数小于预设值，完成参数设计；否则，执行步骤(5)；

(5)通过设置磁芯个数n＝n+1，更新原边绕组匝数、副边绕组匝数；返回步骤(3)；其中，初始设定n＝1。

优选地，所述原边绕组导线截面积为：

ax1＝i1/j

其中，i1为原边电流有效值；j为绕组的电流密度；ax1为原边绕组导线截面积。

优选地，所述变压器的变比为：

k＝u2/um

其中，k为变压器的变比；u2为油水混合物的击穿电压；um为变压器的最大输出电压。

优选地，所述副边绕组导线截面积为：

ax2＝ax1/k

其中，ax2为副边绕组导线截面积；ax1为原边绕组导线截面积；k为变压器的变比。

优选地，所述油井宽度与变压器直径之间的关系为：

dt＜w/2

所述磁芯的体积参数包括磁芯的内径、磁芯的外径和磁芯的高度；所述变压器直径、磁芯的内径和磁芯的外径之间的关系为：

dt-do＞0.5di

其中，dt为变压器直径；w为油井宽度；do为磁芯的外径；di为磁芯的内径。

优选地，所述磁芯为环形磁芯时，磁芯的窗口面积为：

aw＝πdi²/4

其中，di为磁芯的内径；aw为磁芯的窗口面积。

优选地，所述变压器的原边绕组匝数为：

n1＝λ1m/(bms)

所述副边绕组匝数为:

n2＝kn1

其中，n1为变压器的原边绕组匝数；n2为变压器的副边绕组匝数；λ1m为变压器的最大原边伏秒数；bm为最大工作磁密；s为磁芯的有效截面积；k为变压器的变比。

优选地，所述窗口利用系数为：

ku＝(n1ax1+n2ax2)/aw

其中，ku为窗口利用系数；n1为变压器的原边绕组匝数；n2为变压器的副边绕组匝数；ax2为副边绕组导线截面积；ax1为原边绕组导线截面积；aw为磁芯的窗口面积。

优选地，获取变压器的最大原边伏秒数的方法为：

(1)根据变频器的输出电压，计算各周期内的变压器的原边伏秒数；

所述变压器的原边伏秒数为：

λ1＝∫u1dt

其中，u1为变频器的输出电压；λ1为变压器的原边伏秒数；

(2)筛选各周期内变压器的最大原边伏秒数。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的变压器参数设计方法充分考虑液电脉冲增产装置在工作时井下空间的限制，按照对装置的要求设计磁芯的高度、变压器的直径以及原边电流的有效值，极大地缩小变压器的体积；同时井下工作一般温度较高，对绕组的电流密度影响较大，因此，本发明从电流密度出发进行参数设计，因此，本发明提供的变压器参数设计方法充分考虑了井下空间的限制及工作温度对变压器的影响。

(2)由于在液电脉冲增产装置中，变压器的激励电压不再为正弦波，可能是众多谐波的合成的复杂波形，因此，本发明加入原边伏秒数的计算，使本发明提供的变压器参数设计方法适用于复杂波形电压激励下的变压器参数设计。

附图说明

图1是本发明提供的液电脉冲增产装置结构示意图；

图2是变压器结构示意图；

图3是本发明提供的变压器参数获取方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，液电脉冲增产装置包括三相电源、变频器、电缆、变压器、整流回路、充电电容、开关和放电间隙；

所述三相电源的输出端与变频器的输入端连接；变频器的输出端连接电缆；变压器通过原边绕组和副边绕组对其电缆与整流回路进行电压调节；整流回路输出端的电压施加充电电容，对其充电；工作时关闭开关，充电对放电间隙放电；其中，u1为变频器输出电压；u2为油水混合物的击穿电压；从图1可以看出，在液电脉冲增产装置中变压器作为输出端与输入端电压的调节是不可或缺的组成部分。

在液电脉冲增产装置中通常采用如图2所示的变压器结构，其中变压器采用的磁芯为环形磁芯，针对图2所示的变压器，本发明综合考虑变压器的体型大小、耐高温特性、适用复杂波形电压激励等因素，提出了一种基于液电脉冲增产装置的变压器参数设计方法。

如图3所示，本发明提供了一种基于液电脉冲增产装置的变压器参数获取方法，包括：

(1)根据变频器的输出电压u1，计算变压器的最大原边伏秒数λ1m；

根据磁芯种类、变压器的工作温度，设定磁芯饱和磁密bs和变压器的最大工作磁密bm；

根据油井宽度w，设置变压器的直径dt、磁芯的内径di和磁芯的外径do；

根据变频器的最大输出电压um、油水混合物的击穿电压u2，计算变压器的变比k；

根据液电脉冲增产装置的要求，设置原边电流有效值i1和磁芯的高度h；

根据变压器工作环境的温度，计算绕组的电流密度j；

(2)根据磁芯的内径di和外径do、磁芯个数n和磁芯高度h，计算磁芯的有效截面积s和磁芯的窗口面积aw；

根据原边电流有效值i1和绕组的电流密度j，计算原边绕组导线截面积ax1；

(3)根据最大原边伏秒数λ1m、最大工作磁密bm和磁芯的有效截面积s，计算原边绕组匝数n1；

(4)根据变压器的变比k、原边绕组匝数n1和原边绕组导线截面积ax1，计算副边绕组匝数n2和副边绕组导线截面积ax2；

(5)根据原边绕组匝数n1、副边绕组匝数n2、原边绕组导线截面积ax1、副边绕组导线截面积ax2和磁芯的窗口面积aw，计算窗口利用系数ku；

(6)对比窗口利用系数与预设值，若窗口利用系数小于预设值，完成参数设计；否则，执行步骤(7)～(9)；

(7)设置磁芯个数n＝n+1；

(8)根据磁芯的内径di和外径do、磁芯个数n、变压器的变比k，更新原边绕组匝数n1和副边绕组匝数n2；

(9)重复步骤(4)，直至完成参数设计；

其中，初始设定n＝1。

优选地，上述步骤(1)中，根据变频器的输出电压u1，计算变压器的最大原边伏秒数λ1m，包括：

(1.1)根据变频器的输出电压u1，计算各周期内的变压器的原边伏秒数λ1；

所述变压器的原边伏秒数λ1为：

λ1＝∫u1dt

其中，u1为变频器原边绕组电压；λ1为变压器的原边伏秒数；

(1.2)筛选各周期内变压器的最大原边伏秒数λ1m。

所述磁芯饱和磁密bs和变压器的最大工作磁密bm的关系为：

bm≤0.5bs

所述油井宽度w与变压器直径dt之间的关系为：

dt＜w/2

所述变压器直径dt、磁芯的内径di和磁芯的外径do之间的关系为：

dt-do＞0.5di

所述变压器的变比k为：

k＝u2/um

其中，u2为油水混合物的击穿电压；um为变频器的最大输出电压；

所述步骤(2)中，所述磁芯的有效截面积s为：

s＝nh(do-di)/2

所述磁芯为环形磁芯时，磁芯的窗口面积aw为：

aw＝πdi²/4

其中，n为磁芯个数；h为磁芯的高度；do为磁芯的外径；di为磁芯的内径；s为磁芯的有效截面积；aw为磁芯的窗口面积。

所述原边绕组导线截面积ax1为：

ax1＝i1/j

步骤(3)中，所述变压器的原边绕组匝数n1为：

n1＝λ1m/(bms)

其中，n1为变压器的原边绕组匝数；λ1m为变压器的最大原边伏秒数；bm为最大工作磁密；s为磁芯的有效截面积；ax1为原边绕组导线截面积；i1为原边电流有效值；j为绕组的电流密度。

上述步骤(4)中，所述副边绕组匝数n2为:

n2＝kn1

所述副边绕组导线截面积ax2为：

ax2＝ax1/k

其中，n1为变压器的原边绕组匝数；n2为变压器的副边绕组匝数；k为变压器的变比；ax1为原边绕组导线截面积；ax2为副边绕组导线截面积。

上述步骤(5)中，所述窗口利用系数ku为：

ku＝(n1ax1+n2ax2)/aw

其中，n1为变压器的原边绕组匝数；n2为变压器的副边绕组匝数；ax2为副边绕组导线截面积；ax1为原边绕组导线截面积；aw为磁芯的窗口面积。

下面结合实施例进行说明，本实施例中，步骤(1)中：

变压器的最大原边伏秒数λ1m为0.054vs；

变压器的工作温度设定为120℃，需选择居里温度远大于井下温度的磁芯，故磁芯为环形铁基非晶合金磁芯，其饱和磁密bs为1.29t，变压器的最大工作磁密bm为0.645t；

油井宽度w为200mm，故变压器的直径dt为82mm,，磁芯的内径di为36mm，磁芯的外径do为51mm；

变频器的最大输出电压um为750v，油水混合物的击穿电压u2为30kv，故变压器的变比k为40；

根据液电脉冲增产装置的要求，变压器原边电流有效值i1保持在3a至4a之间，因此，本实施例中原边电流有效值i1为4a；磁芯的高度h为25mm；

由于本实施例中变压器的工作温度设定为120℃，因此要求绕组的电流密度小于1.5a/mm²，本实施例中绕组的电流密度j为1a/mm²；

基于本实施例1中给定的设计参数，步骤(2)中：

根据s＝nh(do-di)/2，n＝1，计算磁芯的有效截面积s为187.5mm²；

根据aw＝πdi²/4，计算磁芯的窗口面积aw＝1017.88mm²；

根据ax1＝i1/j，计算原边绕组导线截面积ax1＝4mm²；

步骤(3)中，根据n1＝λ1m/(bms)，计算原边绕组匝数n1＝447；

更进一步，获取步骤(4)中的参数结果：

根据n2＝kn1，ax2＝ax1/k，获取副边绕组导线截面积ax2＝0.1mm²，副边绕组匝数n2＝17880；

更进一步，根据ku＝(n1ax1+n2ax2)/aw，获取步骤(5)中的窗口利用系数ku＝3.513；本实施例中预设值为0.25，需满足ku<0.25，显然当n＝1时，计算的窗口利用系数不满足条件；需执行步骤(7)～(9)；最后当n＝16，原边绕组匝数n1＝28，副边绕组匝数n2＝1120，窗口利用系数ku＝0.247，满足ku<0.25的条件，完成变压器的参数设计。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。