Устройство для защиты погружного электродвигателя
Устройство предназначено для защиты от анормальных режимов погружных электродвигателей, используемых в нефтедобывающей промышленности. Содержит погружное устройство управления с датчиком или группой датчиков, аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором и наземный комплекс с прерывателем силового питания, трансформатором, связанным силовым кабелем с погружным электродвигателем, приемное устройство сигналов телеметрии и устройство контроля изоляции кабеля. Погружное устройство снабжено литиевым источником питания или блоком питания с энерго-накопительным элементом на входе. Вход блока питания подключен через высокоомный резистор к цепи изолированной нейтрали погружного электродвигателя. Цепь питания, по меньшей мере, одного датчика подключена к источнику питания через ключевой элемент, связанный по цепи управления с выходным портом микропроцессора. Другой выходной порт микропроцессора подключен к входу управления прерывателя, включенного через резистор между цепью изолированной нейтрали и землей. Это позволяет снизить потребляемую устройством мощность и токовую нагрузку на цепь «изолированная нейтраль - земля» и, как следствие, значительно повысить надежность защиты, упростить и снизить стоимость оборудования. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к устройствам для защиты от анормальных режимов и перегрузки погружных электродвигателей, работающих в приводе насосов для добычи нефти или откачки воды из скважин.
Известно устройство для защиты погружного электродвигателя, содержащее наземный комплекс с прерывателем силового питания с блоком регулирования, трансформатором питания, связанного посредством экранированного силового кабеля с погружным электродвигателем, устройством контроля изоляции кабеля, связанным по исполнительной цепи с блоком регулирования и по входной цепи - с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора питания, а также наземный блок управления и погружной блок управления с датчиками температуры давления и вибрации и с выпрямителем, реле, дросселем и конденсатором в цепи соединения блока управления с нулевой (нейтральной) точкой соединения обмоток погружного электродвигателя (см. патент РФ 
2146071 от 21.07.1999 г.). Данное устройство обеспечивает защиту погружного электродвигателя от анормальных режимов работы. Его недостатком является недостаточная надежность, обусловленная, в частности, наличием в погружном устройстве реле и дросселя, на котором при перекосе фаз в цепи питания погружного электродвигателя выделяется значительная мощность, сопровождаемая повышением температуры. Кроме того, устройство отличает значительная сложность и высокая цена, не позволяющая применять устройство повсеместно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является система контроля за состоянием погружного электродвигателя (см. патент RU 45871 U1), содержащее в погружном устройстве телеметрии, в частности, процессор для анализа информации с датчиков. Однако в данном патенте не раскрыты ключевые вопросы телеметрического устройства, а именно, принцип обеспечения питания погружного устройства и принцип передачи телеметрической информации на станцию управления погружным электродвигателем. Из описания патента следует, что электрическая связь по цепи питания погружного устройства и передачи телеметрической информации осуществляется путем подключения погружного устройства к одной из фаз высоковольтного ввода, где напряжение может достигать нескольких киловольт. Последнее в сочетании с наличием в погружном устройстве усилителя мощности для передачи сигналов телеметрии, а также относительно мощного источника постоянного напряжения для питания устройства и датчиков, входящих в его состав, в условиях повышенной температуры окружающей среды также не может способствовать обеспечению высокой надежности, упрощению и удешевлению системы телеметрической защиты.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является существенное по сравнению с существующими аналогами повышение надежности работы устройства защиты путем сокращения потребляемой устройством мощности и уменьшения токовой нагрузки на цепь «изолированная нейтраль погружного электродвигателя - земля», а также значительное упрощение и удешевление оборудования, из которого изготавливают устройство.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в устройстве защиты погружного электродвигателя, с наземным комплексом, включающим в себя прерыватель силового питания с блоком управления, трансформатор питания, связанный посредством экранированного силового кабеля с погружным электродвигателем, приемное устройство для распознования сигналов телеметрии и формирования команды аварийного отключения погружного электродвигателя или, в другом применении, без приемного устройства, а также устройство контроля изоляции кабеля, связанное по исполнительной цепи с блоком управления и по входной цепи - с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора питания, и с погружным устройством, включающим в себя как минимум один датчик, например, давления, микропроцессорное устройство с встроенным или внешним аналого-цифровым преобразователем и электронный прерыватель, в погружном устройстве управления для питания последнего установлен литиевый источник питания или блок питания с энерго-накопительным элементом на входе, например, конденсатором, причем вход блока питания подключен через высокоомный резистор к нулевой точке соединения обмоток погружного электродвигателя. При этом цепь питания, по меньшей мере, одного датчика подключена к источнику питания через управляемый ключевой элемент, вход управления которого связан с выходом одного из портов микропроцессорного устройства. Другой выходной порт микропроцессорного устройства подключен к входу управления электронного прерывателя, включенного между нулевой точкой соединения обмоток погружного электродвигателя и землей через через резистор. В микропроцессорном устройстве установлено программное обеспечение, выполняющее с помощью аналого-цифрового преобразователя измерение данных от, по меньшей мере, одного датчика и преобразование данных в сигналы телеметрии для их последующей передачи на вход приемного устройства в виде последовательности токовых импульсов на выходе электронного прерывателя.
В другом, автономном, применении полезной модели, без приемного устройства в составе наземного комлекса, в микропроцессорном устройстве установлено программное обеспечение, выполняющее с помощью аналого-цифрового преобразователя измерение и сравнение измеряемых величин с установленными критическими значениями и при достижении предельных значений - подачу на вход электронного прерывателя команды включения. При этом сопротивление резистора, включенного последовательно с электронным прерывателем между нулевой точкой соединения обмоток погружного электродвигателя и землей меньше сопротивления срабатывания устройства контроля изоляции кабеля. В этом случае функцию защитного отключения погружного электродвигателя выполняет устройство контроля изоляции кабеля, воспринимающее резульат исполнения команды, поступившей на вход электронного прерывателя, как недопустимое снижение сопротивления изоляции.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства защиты погружного электродвигателя. Устройство состоит из погружного электродвигателя 1, блока управления 2, прерывателя 3 силового питания погружного электродвигателя 1, трансформатора питания 4, силового кабеля 5 с экраном 6, устройства 7 контроля изоляции кабеля 5. Блок управления 2 связан электрически с прерывателем 3 силового питания, который в свою очередь включен между первичной 3-х фазной обмоткой трансформатора 4 и линией подводки электропитания 8. Вторичная обмотка трансформатора питания 4 связана посредством экранированного силового кабеля 5, экран 6 которого заземлен, с погружным электродвигателем 1. Общая точка вторичной обмотки трансформатора 3 (изолированная нейтраль) соединена с устройством 7 контроля изоляции кабеля, связанным по цепи управления прерыванием силового питания с блоком управления 2. В погружном устройстве управления могут быть применены вариант (фиг.2) с литиевым источником питания 9 погружного устройства управления и вариант (фиг.3) с блоком питания 10. При этом блок питания 10 по входу подключен к энергосберегающему элементу, например, конденсатору 11, незаземленный вывод которого подключен к нулевой точке соединения обмоток погружного электродвигателя через высокоомный резистор 12. В обоих вариантах источник питания 9 (или блок питания 10) обеспечивает питанием микропроцессорное устройство 15 с аналогоцифровым преобразователем (на схеме не показано), а также датчик (или группу датчиков) 13 контролируемых параметров. Причем питание датчика (датчиков) 13 осуществляется через управляемый ключевой элемент 14, вход управления которого связан с выходом одного из портов процессора 15 погружного устройства. Другой выходной порт процессора 15 подключен к входу управления электронного прерывателя 16, включенного через резистор 17 между нулевой точкой соединения обмоток погружного электродвигателя 1 и землей. В варианте питания фиг.2 может быть применен дополнительно стабилизатор напряжения (на схеме не показан), подключенный по входу к литиевому элементу питания в случае несоответствия номинальных значений напряжения питания микропроцессорного устройства и датчика (датчиков). В наземном комплексе к цепи нулевой точки вторичной обмотки трансформатора питания 4 подключен вход приемного устройства 18. Выход приемного устройства 18 подключен к блоку управления 2 по цепи команды отключения погружного электродвигателя 1.
Устройство работает следующим образом. При включении станции управления погружным электродвигателем (наземный комплекс) в цепи изолированной нейтрали (нулевая точка соединения обмоток погружного электродвигателя) относительно заземленного экрана 6 кабеля 5 с помощью устройства 7 контроля изоляции кабеля формируется постоянное напряжение. Эта цепь имеет высокое сопротивление, которое контролируется устройством 7 контроля изоляции кабеля. При снижении сопротивления изоляции (менее 30 кОм) устройство 7 контроля изоляции кабеля формирует на входе блока управления 2 команду отключения погружного электродвигателя посредством прерывателя 3 силового питания, подключенного к линии подводки электропитания 8. Микророцессорное устройство 15 периодически подключает к источнику питания (литиевому 9, или блоку питания 10) с помощью ключевого элемента 14 цепь питания датчика (или группы датчиков) на время, необходимое для съема данных с датчика (датчиков) 13 и ввода этих данных в микропроцессорное устройство 15. Далее программное обеспечение микропроцессорного устройства 15 выполняет преобразование данных в сигналы телеметрии в виде кодированной последовательности управляющих импульсов на входе электронного прерывателя 16. Импульсы тока с выхода электронного прерывателя 16 поступают на вход приемного устройства 18. Приемное устройство 18 выполняет распознавание сообщений от микропроцессорного устройства 15 о контролируемых текущих параметрах насоса, сравнение принятых данных с установленными критическими значениями и при достижении принятых данных до критических значений - формирование на выходе приемного устройства 18, подключенного к блоку управления 2, команды отключения погружного электродвигателя. Ограничения импульсов на выходе электронного прерывателя 14 по току (определяется величиной резистора 17) и по времени (определяется верхней границей полосы пропускания силового кабеля 5) делают работу системы телеметрической передачи информации незаметной для устройства 7 контроля изоляции кабеля и не оказывает влияния на его работу. Также не сказывается на работе устройства 7 контроля и измерения сопротивления изоляции кабеля и подключение к цепи изолированной нейтрали блока питания 10 погружного устройства в варианте фиг.3. Это обусловлено высоким значением сопротивления резистора 12, через который происходит заряд энергонакопительного элемента 11 и питание процессора 15, имеющего сверхмалое потребление энергии в режиме ожидания. При этом емкость энергонакопительного элемента 15 позволяет обеспечить энергией погружное устройство управления на период измерения и считывания данных с датчика (датчиков), а также формирования и передачи кодового сообщения. Благодаря большой постоянной времени RC-цепи (конденсатор 11 и резистор 12) отсутствует необходимость применения громоздкого дросселя для подавления энергии переменного напряжения, имеющего место при перекосе фаз в цепи изолированной нейтрали погружного электродвигателя. В варианте исполнения погружного устройства фиг.2 программное обеспечение процессора с помощью дополнительных разрядных цепей (на схеме не показано) выполняет специфические для литиевых элементов функции управления разрядом, необходимые для поддержания максимальной долговечности элемента питания.
При применении полезной модели в автономном исполнении, без использования приемного устройства 18, величина резистора 17 устанавливается меньше сопротивления срабатывания устройства контроля 7 изоляции кабеля, а программное обеспечение микропроцессора 15 выполняет сравнение измеряемых величин, например, давления, с установленными критическими значениями и при достижении предельных значений - подачу на управляющий вход электронного прерывателя команды включения. Аварийное отключение погружного электродвигателя в этом случае осуществляет устройство 7 контроля изоляции кабеля. Последующая наземная диагностика причины срабатывания устройства 7 контроля изоляции кабеля может быть осуществлена, например, подачей от микропроцессора 15 периодического токового сигнала с установленными для данной причины отключения временными параметрами и другими способами, которые здесь не рассматриваются.
Введение в устройство для защиты погружного электродвигателя данных технических решений позволяет по сравнению с аналогами существенно снизить потребляемую устройством мощность и токовую нагрузку на цепь «изолированная нейтраль погружного электродвигателя - земля» и, как следствие, значительно повысить надежность защиты электродвигателя, упростить конструкцию и снизить стоимость погружного и наземного оборудования.
Полезная модель может быть использована в нефтедобывающей промышленности как обладающее высокой надежностью недорогое устройство для мониторинга текущих параметров погружного электродвигателя, работающего в приводе насоса для добычи нефти или откачки воды из скважин и защиты насоса от работы в условиях угрожающих работоспособности его систем.
1. Устройство для защиты погружного электродвигателя, включающее погружной электродвигатель, погружное устройство управления с, по меньшей мере, одним датчиком, например, давления, с микропроцессорным устройством, имеющим встроенный или внешний аналого-цифровой преобразователь, и с электронным прерывателем, наземный комплекс с прерывателем силового питания и блоком управления, с трансформатором питания, связанным посредством экранированного силового кабеля с погружным электродвигателем, с приемным устройством для распознавания сигналов телеметрии и формирования команды аварийного отключения погружного электродвигателя или без приемного устройства, а также устройством контроля изоляции кабеля, связанным по исполнительной цепи с блоком управления и по входной цепи - с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора питания, отличающееся тем, что погружное устройство управления снабжено литиевым источником питания или блоком питания с энергонакопительным элементом, например конденсатором на входе, причем вход блока питания подключен через резистор к нулевой точке соединения обмоток погружного электродвигателя, при этом цепь питания, по меньшей мере, одного датчика подключена к источнику питания через управляемый ключевой элемент, вход управления которого связан с выходом одного из портов микропроцессорного устройства, другой выходной порт микропроцессорного устройства подключен к входу управления электронного прерывателя, включенного между землей и нулевой точкой соединения обмоток погружного электродвигателя через резистор.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в микропроцессорном устройстве установлено программное обеспечение, выполняющее с помощью аналого-цифрового преобразователя измерение данных от, по меньшей мере, одного датчика и преобразование данных в сигналы телеметрии для их последующей передачи на вход приемного устройства в виде последовательности токовых импульсов на выходе электронного прерывателя.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в автономном применении полезной модели без приемного устройства в составе наземного комплекса в микропроцессорном устройстве установлено программное обеспечение, выполняющее с помощью аналого-цифрового преобразователя измерение и сравнение измеряемых величин, например давления, с установленными критическими значениями и при достижении предельных значений - подачу на управляющий вход электронного прерывателя команды включения, при этом сопротивление резистора, включенного последовательно с электронным прерывателем между нулевой точкой соединения обмоток погружного электродвигателя и землей, меньше сопротивления срабатывания устройства контроля изоляции кабеля.
