ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ ЗАЩИТЫ И УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02H5/04 H02H7/08 H02H3/26 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к погружным электродвигателям с системами защиты от температурного перегрева, работающим в приводе насосов для добычи жидкости из нефтяных скважин.

Известно устройство для защиты погружных электродвигателей от анормальных режимов [1] обеспечивающее возможность одновременно вести контроль и температуры, и изоляции электрической цепи погружного электродвигателя. Оно содержит датчик температуры, установленный на лобовых частях обмотки электродвигателя и подключенный последовательно с диодом между нулевой точкой обмотки электродвигателя и его корпусом, блок контроля изоляции с источником питания и выпрямителем, подключенный на поверхности к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора, и блок контроля температуры с последовательно соединенным с ним диодом, которые подключены параллельно блоку контроля изоляции, причем диод в цепи блока контроля температуры включен согласно с диодом в цепи датчика температуры и встречно с выпрямителем источника питания блока контроля изоляции.

Известно также устройство для защиты погружного электродвигателя от анормальных режимов работы [2] в котором подключение питающего напряжения к электродвигателю осуществляется после проверки соответствующими блоками состояния изоляции электрической цепи, уровня температуры статорной обмотки и величины давления внешнего столба жидкости с оценкой соответствия контролируемых параметров заданным значениям. Датчик температуры, в качестве которого может быть использовано термосопротивление или термореле, через диод подключен одним выводом к средней точке статорной обмотки, а другой его вывод заземлен. К статорной обмотке через тот же диод и пороговый элемент подключен датчик давления, установленный внутри маслонаполненного электродвигателя. Блок контроля изоляции присоединен одним выводом через фильтр к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора, а другим выводом через ключ и второй оперативный источник питания соединен с корпусом.

Контроль температуры или давления обеспечивается при отрицательной полярности напряжения на первом выходе второго оперативного источника в зависимости от того, какой из управляемых ключей открыт в данный момент времени. Эти ключи поочередно открываются и пропускают измерительный ток отрицательной полярности при поступлении на соответствующий ключ сигнала с выхода блока управления ключами.

Контроль сопротивления изоляции погружного электродвигателя осуществляется при положительной полярности напряжения на первом выходе второго оперативного источника. Через датчик температуры и датчик давления ток при этом не идет благодаря встречно включенному по отношению к положительной полярности измерительного тока диоду в цепи контроля сопротивления изоляции.

Общим недостатком известных устройств является необходимость использования средней точки статорной обмотки в канале связи для передачи информации о необходимых параметрах. Преимущество такого способа подключения информационных каналов вытекает из равенства нулю электрического потенциала средней точки при условии симметричной нагрузки. Но это обстоятельство не исключает необходимость подбора подключенных к ней электрорадиоэлементов, исходя из большой их электрической прочности, ввиду неизбежной периодической проверки состояния изоляции электрической цепи погружного электродвигателя с помощью мегоометра на напряжение 1000 В и более.

Но нарушение изоляции статорной обмотки в средней точке для подключения информационных каналов отрицательно сказывается на электрической прочности двигателя. Даже небольшая примесь воды в заполняющем электродвигатель масле может вывести его из строя именно за счет этого дефекта. Температурные перепады в большей степени влияют на качество изоляционного покрытия именно в месте его нарушения. Все это обеспечивает преждевременный выход из строя погружного электродвигателя.

Кроме того, расположение средней точки статорной обмотки в нижней части электродвигателя предопределяет возможность контроля интересующих параметров, например температуры, именно в этой части, предопределяет размещение здесь или в отстойнике необходимых элементов и устройств. Но при всем том данная зона не является критичной в отношении температуры. Существенно большую опасность представляет неконтролируемый рост температуры в верхней части статорной обмотки, ухудшающий еще при этом и условия работы кабельной муфты, так как при температуре 120^оС начинает плавиться заполняющий ее полиэтилен. Определение корреляционной связи между замеренным значением температуры в нижней части статорной обмотки и возможным ее значением в верхней части двигателя весьма затруднительно.

Монтаж глубинной части устройства для защиты погружного электродвигателя связан с необходимостью выполнения большого объема технологических работ. Поскольку не осуществляется серийная установка этих устройств на заводе в процессе изготовления погружного электродвигателя, то пользователь вынужден производить разборку нового двигателя, нахождение средней точки статорной обмотки и последующее подключение к ней аппаратуры с неизбежным нарушением целостности изоляционного покрытия. Затем обратная сборка, гидрозащитна, заполнение двигателя маслом. Работа сложная, трудоемкая, требует высокой квалификации.

Целью изобретения является обеспечение контроля температуры в наиболее опасной зоне, устранение влияния нарушения изоляции статорной обмотки на надежность работы двигателя за счет исключения необходимости использования ее средней точки в канале передачи информационного сигнала на поверхность и обеспечение независимости монтажа глубинной части устройства от существующей технологии сборки двигателя.

Цель достигается тем, что термодатчик установлен в головной части двигателя и выполнен в виде термовыключателя, введена искусственная средняя точка, образованная из первых выводов трех введенных и включенных в звезду резисторов одного номинала, вторые выводы которых соединены с входными клеммами питания статорной обмотки погружного электродвигателя, при этом термовыключатель первой клеммой подключен к искусственной средней точке, вторым выводом соединен с корпусом, а сопротивление каждого резистора в звезде равно не более чем утроенному значению сопротивления установки в блоке контроля изоляции.

На чертеже приведена структурная электрическая схема предлагаемого погружного электродвигателя с системой защиты и управления.

Электродвигатель содержит термовыключатель 1, размещенный в его головной части. Первая клемма термовыключателя соединена с общей точкой резисторов 2, 3, 4 одинакового номинала, другие выводы которых соединены с входными клеммами питания погружного электродвигателя. Вторая клемма термовыключателя соединена с корпусом.

Статорная обмотка 5 погружного электродвигателя через силовой кабель 6 запитывается от вторичной обмотки 7 силового трансформатора 8. Первичная обмотка 9 его подключается к трехфазной сети с помощью контактора 10.

В составе используемой в настоящее время на промыслах комплектной трансформаторной подстанции 11 типа КТП ПН для контроля за работой погружных насосов в нефтяных скважинах помимо другой аппаратуры используется блок 12 контроля изоляции на базе прибора Ф4106 и блок 13 управления электродвигателем (блок управления БРГО1-81УХЛ2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИНБЮ 656131.010 ТО), который отключает напряжение от силового трансформатора 8 с помощью контактора 10 при снижении сопротивления изоляции 14 электрической цепи погружного электродвигателя ниже значения сопротивления уставки. В приборе Ф4106 согласно техническим характеристикам имеются три переключаемые уставки сопротивления: 12, 20 и 60 или 30, 50 и 500 кОм. Контроль сопротивления изоляции обеспечивается подачей на среднюю точку вторичной обмотки 7 постоянного напряжения с одного вывода блока 12 контроля изоляции. Другой вывод блока 12 заземлен.

Погружной электродвигатель с системой защиты и управления работает следующим образом.

В процессе откачки продукции нефтяной скважины на первичную обмотку 9 силового трансформатора 8 подано напряжение включением контактора 10 с помощью сигнала из блока 13 управления электродвигателем. В активной части статорной обмотки 5 устанавливается рабочая температура около 80-90^оС. Контакты термовыключателя 1 разомкнуты, так как он настроен на предельный уровень по температуре, например в 100^оС. Величина сопротивления изоляции 14 больше сопротивления уставки в приборе Ф4106 блока 12 контроля изоляции, поэтому последний не препятствует работе погружного электродвигателя.

Если по каким-либо причинам начинается рост температуры статорной обмотки, то с некоторым запозданием повышается температура масла в двигателе. Температура термовыключателя также растет. По достижении ею установленного предела 100оС цепь термовыключателя 1 замыкается. Это ведет к тому, что резисторы 2, 3, 4 оказываются соединенными с корпусом электродвигателя, т.е. с "землей". Следовательно, сопротивление между проводящей жилой электрической цепи погружного электродвигателя и "землей" скачкообразно уменьшается за счет параллельного подключения к резистору 14 трех резисторов 2, 3, 4. Номинал каждого из этих резисторов выбирается равным утроенному значению сопротивления уставки в приборе Ф4106 блока 12 контроля изоляции. Поэтому при замыкании цепи термовыключателя 1 результирующее сопротивление изоляции электрической цепи погружного электродвигателя становится меньше сопротивления уставки. Это вызывает срабатывание блока 12 контроля изоляции, сигнал с которого через блок 13 управления электродвигателем ведет к отключению контактора 10 и к снятию питающего напряжения с первичной обмотки 9 силового трансформатора 8.

Начнется процесс остывания статорной обмотки погружного электродвигателя. По достижении температурой заполняющего двигатель масла значения, меньшего 100^оС, цепь термовыключателя 1 разрывается, сопротивление изоляции электрической цепи скачком возрастает до значения, определяемого величиной резистора 14, которое больше сопротивления уставки в приборе Ф4106. Поэтому блок контроля изоляции отключает аварийный сигнал и дает команду в блок управления электродвигателем на включение электродвигателя в работу. Срабатывает контактор 10 и подает напряжение на силовой трансформатор 8. Эти обеспечивается автоматическое включение двигателя в работу при нормализации температурного состояния статорной обмотки.

Пробой сопротивления изоляции в системе силовой трансформатор кабель погружной электродвигатель при эксплуатации погружного электродвигателя приводит к резкому уменьшению сопротивления резистора 14. Механизм отключения погружного электродвигателя аналогичен рассмотренному выше при нарушении температурного режима. Но для этого случая выдержка времени уже не поможет последующему включению двигателя в работу, так как при этом пробое возникает постоянное электрическое соединение металлической проводящей жилы изолированного провода с "землей". Попытки включения погружного двигателя в работу ведут к срабатыванию системы защиты и снятию питающего напряжения с силового трансформатора. Поэтому здесь необходимо проводить ремонтные работы.

Это обстоятельство обеспечивает возможность идентификации причины анормальности при отключении погружного электродвигателя. Если через время, достаточное для остывания статорной обмотки, электродвигатель вновь включается в работу, то это указывает на прошедшее нарушение температурного режима. Безрезультатность попыток запустить его в работу будет веским свидетельством нарушения изоляции электрической цепи системы вторичная обмотка силового трансформатора силовой кабель статорная обмотка, указывает на необходимость проведения подземного ремонта. Аналогичные результаты дает и измерение сопротивления изоляции электродвигателя мегоомметром, проводимые через 1-2 ч после отключения.

Предложенное устройство отличается значительной простотой. Использование в приборе Ф4106 уставки сопротивления на 50 кОм позволяет применять в качестве резисторов 2, 3, 4 обычные резисторы, например, типа МТ. Но так как по техническим характеристикам на каждом резисторе не должно падать более 700 В, то вместо резисторов 2, 3, 4 необходимо включить цепочки из нескольких резисторов этого типа с тем, чтобы сопротивление каждой цепочки равнялось 1500 кОм. Тогда параллельное соединение трех цепочек из этих резисторов дает результирующее сопротивление 50 кОм, равное сопротивлению уставки прибора Ф4106. Габариты таких резисторов достаточно малы. Использование в качестве чувствительного к температуре элемента термовыключателя достаточно малых размеров позволяет обеспечить монтаж всего устройства защиты через кабельный ввод погружного электродвигателя или при снятой головной его части. Тем самым исключается необходимость полной разборки погружного электродвигателя, практикуемой для установки всех других устройств защиты.

Анализ эффективности применения погружного электродвигателя с предложенной системой защиты и управления подтверждает целесообразность их использования.

Таким образом, применение погружного электродвигателя с системой защиты и управления обеспечивает в отличие от прототипа возможность контроля температуры в самой критичной для двигателя области в его голове, обеспечивает существенно лучшие надежностные характеристики, так как отпадает необходимость использования средней точки статорной обмотки для подсоединения информационного канала к линии связи с неизбежным нарушением целостности изоляционного покрытия. Создание искусственной средней точки в голове двигателя из соединенных звездой резисторов снимает все эти проблемы. Использование выпускаемых промышленностью термовыключателей достаточно малых габаритов позволяет существенно уменьшить объем необходимых работ при монтаже защиты. Огромным преимуществом предложенного погружного электродвигателя является тот факт, что на поверхности ничто не добавляется к уже имеющейся аппаратуре. Находящийся в составе станции управления блок контроля изоляции выполняет и функции контроля температуры. Поэтому изобретение обеспечивает длительную и эффективную работу погружного электродвигателя в процессе откачки продукции нефтяной скважины.

Использование: для защиты погружных электродвигателей при аварийных ситуациях, обеспечения защиты от нарушений изоляции и превышений температуры статорной обмотки установленного уровня. Сущность: в предлагаемом электродвигателе в голове двигателя создается искусственная средняя точка из соединенных звездой трех резисторов, сопротивление которых равно утроенному значению сопротивления уставки в блоке контроля изоляции на поверхности в станции управления. Термовыключатель, размещенный в голове двигателя, одной клеммой соединен с корпусом. Нарушения температурного режима приводят к срабатыванию термовыключателя, в результате чего сопротивление цепи на входе блока контроля изоляции становится меньше сопротивления уставки. Блок контроля изоляции дает команду на отключение погружного электродвигателя. Нормализация температуры статорной обмотки приводит к автоматическому включению двигателя в работу. 1 ил.

ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ ЗАЩИТЫ И УПРАВЛЕНИЯ, содержащий глубинный термодатчик, станцию управления с блоками контроля изоляции и управления электродвигателем, силовой трансформатор и силовой кабель, при этом вход блока контроля изоляции подключен к средней точке вторичной обмотки силового трансформатора, а выход соединен с входом блока управления электродвигателем, выход которого предназначен для включения в цепь управления контактором станции управления первичной обмотки силового трансформатора, отличающийся тем, что с целью обеспечения контроля температуры в наиболее опасной зоне, устранения влияния нарушения изоляции статорной обмотки на надежность работы двигателя за счет исключения необходимости использования ее средней точки в канале передачи информационного сигнала на поверхность и обеспечения независимости монтажа глубинной части устройства от существующей технологии сборки двигателя, термодатчик установлен в головной части двигателя и выполнен в виде термовыключателя, введена искусственная средняя точка, образованная из первых выводов трех введенных и включенных в звезду резисторов одного номинала, вторые выводы которых соединены с входными клеммами питания статорной обмотки погружного электродвигателя, при этом термовыключатель первой клеммой подключен к искусственной средней точке, вторым выводом соединен с корпусом, а сопротивление каждого резистора в звезде равно не более утроенному значению сопротивления уставки в блоке контроля изоляции.