УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ Российский патент 2025 года по МПК G01R27/16 G01R31/58 

Область техники

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для проведения автоматизированного непрерывного контроля параметров электрической изоляции погружного кабеля и погружного электродвигателя (ПЭД) при выполнении спуско-подъёмных операций на нефтегазодобывающих скважинах с целью исключения технологических перерывов, предусмотренных в существующих регламентах для периодического измерения сопротивления изоляции во время спуска установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) для раннего обнаружения повреждения кабеля.

Уровень техники

Известно устройство для контроля качества электрической изоляции (патент RU 11414, МПК Н02К 15/00, H01B 11/00, опубл.16.09.1999), содержащее высоковольтный генератор напряжения, связанный с измерителем утечки тока. Измеритель выполнен с возможностью анализа утечки тока и включения сигнализации при достижении величины сопротивления изоляции заданного уровня, высоковольтный генератор связан с переключателем режимов работы, предназначенным для включения низковольтного взрывобезопасного режима работы.

Недостатком данного технического решения является то, что не осуществляется непрерывной проверки кабеля на электрическую прочность изоляции с рабочим напряжением 1-2,5 кВ при спуске оборудования в скважину.

Известно устройство измерения сопротивления изоляции (патент RU 2289142, МПК G01R 27/16, опубл. 10.12.2006), содержащее первый мультиплексор, пара входов которого подключена к соответствующим проводам сети, а выход к блоку коммутации измерительных конденсаторов, выходы которого присоединены к входам М измерительных конденсаторов и через соответствующие ключи к входам М разрядных резисторов, выходы которых, как и выходы измерительных конденсаторов, соединены с корпусом, второй мультиплексор, одна пара входов которого подключена к соответствующим проводам сети, а другая пара его входов подключена соответственно один вход к объединенным входам пары резисторов делителя, выход каждого из них соединен с соответствующим проводом сети, другой вход к шине корпуса, блок измерения, входы которого соединены с выходами второго мультиплексора, блок управления, узел индикации результатов, шину "Пуск", причем выходы блока управления соединены с соответствующими управляющими входами двух мультиплексоров, узла индикации, блока коммутации измерительных конденсаторов, управляющими входами и выходами блока измерения. В него введены буферный усилитель, первый ключ, второй ключ, компаратор, восстановительный конденсатор, ограничительный резистор, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом буферного усилителя и с первым входом компаратора, второй вход компаратора соединен с шиной корпуса объекта и со вторым контактом второго ключа, восстановительный конденсатор одной обкладкой соединен с первым контактом ограничительного резистора, а другой обкладкой соединен со вторым контактом первого ключа и с первым контактом второго ключа, второй контакт ограничительного резистора соединен с отрицательной шиной, выход буферного усилителя соединен с первым контактом первого ключа, причем выходы блока управления соединены с соответствующими управляющими входами цифроаналогового преобразователя, первого ключа, второго ключа и с выходом компаратора.

Однако причинами, препятствующими получению технического результата, являются высокая погрешность измерения амплитуды скачка потенциала корпуса при емкостях утечки более 100 мкФ, а также даже при ограничении амплитуды скачка потенциала корпуса возможное влияние процесса измерения на показания прецизионной радиоэлектронной аппаратуры.

Известно устройство для непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля (патент RU 2510033, МПК G01R 27/16, опубл. 20.03.2014), включающее источник постоянного напряжения, измеритель утечки тока, блоки световой и звуковой сигнализации, повышающий трансформатор. Устройство также содержит последовательно соединенные компаратор разряда источника постоянного напряжения и микроконтроллер, выход которого соединен с входами блоков световой и звуковой сигнализации; последовательно соединенные источник опорного напряжения, компаратор сброса генератора, генератор опорной частоты и усилитель мощности; включенные параллельно конденсатор и резистивный делитель, выход которого соединен со вторым входом компаратора сброса генератора; выпрямительный диод, анод которого соединен с одним из выходов вторичной обмотки трансформатора, а катод соединен с одними из выводов резистивного делителя и конденсатора и выполнен с возможностью подключения к трем жилам контролируемого кабеля; эталонный резистор, один из выводов которого подключен к тестовой клемме; измерительный шунт, один вывод которого соединен с другими выводами резистивного делителя и конденсатора и подключен к другому выходу вторичной обмотки трансформатора и первому входу измерителя утечки тока, а другой его вывод соединен с другим выводом эталонного резистора и выполнен с возможностью соединения с шиной корпуса и оплеткой контролируемого кабеля; при этом выход измерителя утечки тока соединен со вторым входом микроконтроллера, а второй его вход соединен со вторым выходом источника опорного напряжения, третий выход которого соединен с первым входом компаратора разряда источника опорного напряжения, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения.

Однако, для обеспечения непрерывного контроля сопротивления изоляции необходимо использование в составе устройства подзаряжаемого источника постоянного напряжения. Не имеется возможности определить точное сопротивление погружного кабеля ПЭД в конкретный момент времени.

Раскрытие сущности

Техническая проблема заключается в разработке устройства непрерывного контроля параметров электрической изоляции погружного кабеля и погружного электродвигателя с улучшенными характеристиками.

Техническим результатом изобретения является повышение точности, надежности и оперативности монтажа системы, обеспечивающей непрерывный контроль сопротивления изоляции и электрической прочности цепи, за счет разделении функциональных блоков прибора на две части, стационарную и мобильную.

Техническая проблема решается тем, что устройство непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля, согласно решению, состоит из стационарной и мобильной частей, стационарная часть содержит соединенные между собой приёмный блок и блок питания и преобразования сигналов, выход которого предназначен для соединения с магистральным кабелем, мобильная часть содержит соединенные между собой клеммный блок и передающий блок, при этом вход клеммного блока предназначен для соединения с кабелем погружного электродвигателя, а передающий блок выполнен с возможностью передачи сигнала на приёмный блок.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлена схема заявляемой системы непрерывного контроля изоляции кабеля, на фиг. 2 - показана конструкция клеммного блока, на фиг. 3 - показан разрез провода клеммного блока в защите, на фиг. 4 и 5 - изображены внешний вид передающего блока и его устройство, на фиг. 6 и 7 - изображены внешний вид приёмного блока и его разрез, на фиг. 8 и 9 - изображены внешний вид передающего блока и его разрез.

Позициями на чертежах обозначено:

1. клеммный блок;

2. передающий блок;

3. приёмный блок;

4. блок питания и преобразования сигналов;

5. магистральный кабель;

6. кабель погружного электродвигателя,

7. клемма кабельная,

8. клещи,

9. кабельный ввод,

10. провода клеммного узла в защите,

11. корпус клеммного блока,

12. вилка кабельная,

13. провод клеммного узла,

14. защита провода клеммного узла,

15. розетка передающего блока (розетка блочная),

16. защитный кейс передающего блока,

17. кнопка включения,

18. монтажный комплект,

19. блок аккумуляторов,

20. радиомодуль передающего блока,

21. модуль контроля изоляции,

22. подложка,

23. вилка приёмного блока (вилка блочная),

24. розетка приёмного блока (розетка блочная),

25. корпус приёмного блока,

26. дисплей,

27. радиомодуль приёмного блока,

28. плата дисплея,

29. плата входов контроллера,

30. модуль сопряжения и обработки датчиков,

31. плата питания и связи контроллера датчиков,

32. гермоввод кабельный,

33. светодиоды,

34. основание,

35. вилка блока питания и преобразования сигналов (вилка блочная),

36. регулятор напряжения,

37. преобразователь RS485-USB.

Заявляемое устройство состоит из мобильной и стационарной частей. Мобильная часть представляет собой измерительный комплекс, состоящий из клеммного блока 1 и передающего блока 2, соединенных между собой. Стационарная часть представляет собой соединенные между собой приёмный блок 3 и блок питания и преобразования сигналов 4. Выход блока питания и преобразования сигналов 4 соединен с магистральным кабелем 5 (фиг. 1).

Мобильная часть является автономной, размещается внутри барабана с кабелем погружного электродвигателя, а стационарная часть может быть установлена в непосредственной близости к устью скважины, рабочему месту персонала, либо вынесена в безопасное место за пределы устья скважины вплоть до 50 м, что значительно повышает безопасность эксплуатации устройства.

Клеммный блок 1 предназначен для герметичного закрепления в нем зачищенного конца кабеля погружного электродвигателя 6, состоящего из жил кабеля и брони, при проведении спускоподъёмных операций.

Передающий блок 2 представляет собой датчик с элементами питания в пластиковом корпусе.

Приемный блок 3 представляет собой взрывобезопасный корпус, в котором установлен модуль связи и передачи данных по радиоканалу с выводом данных на дисплей.

Блок питания и преобразования сигналов 4 предназначен для питания приёмного блока 3 от USB и преобразования сигналов для передачи данных через RS485 с использованием Modbus-команд.

Магистральный кабель 5 предназначен для вынесения приёмного блока с целью оперативного выведения информации бригаде КРС (капитального ремонта скважин). По кабелю передается питание приемного блока.

Кабель погружного электродвигателя 6 предназначен для электропитания погружных двигателей.

Клеммный блок 1 является герметичным (фиг. 2 и 3), что исключает попадание внутрь жидкостей, пара и проч. Клеммный блок 1 устанавливается внутри барабана с кабелем погружного электродвигателя 6 и фиксируется, например, с помощью цепи с карабином.

Герметичность клеммного блока 1 обеспечивается его конструкцией. Клеммный блок состоит из трёх кабельных клемм 7, закрепляющихся на жилах кабеля ПЭД (не показаны на фиг.), клещей 8, закрепляющихся на броне кабеля ПЭД (не показана на фиг.); герметичных кабельных вводов 9, проводов клеммного узла в защите 10, корпуса 11, вилки кабельной 12, подключающейся к розетке 15 передающего блока (не показана на фиг.), при этом кабельные вводы расположены на концах клемм 7, клещей 8, а также на входе и выходе корпуса 11.

Все провода 13 клеммного блока имеют защиту 14 (в частном случае защита может быть выполнена из армированного рукава высокого давления).

Передающий блок 2 представляет собой датчики с элементами питания в пластиковом корпусе. Конструкция передающего блока поясняется фиг. 4 и 5.

Передающий блок 2 состоит из розетки блочной 15, подключающейся к вилке 12 клеммного блока (не показана на фиг.), защитного кейса 16, кнопки включения 17, блока аккумуляторов 19, радиомодуля 20, модуля контроля изоляции 21 с расположенными в нём платой контроля изоляции и модулем измерения сопротивления изоляции, а также скрепляющими их конструктивными элементами, подложки 22, на которой крепятся элементы 19-21. На фиг. также отмечен монтажный комплект 18, с помощью которого передающий блок 2 крепится внутри барабана с кабелем погружного электродвигателя (не показан на фиг.). Сигналы, снимаемые клеммным блоком 1 с кабельных клемм 7 и клещей 8, оцифровываются с помощью АЦП платы контроля изоляции 21 передающего блока 2 и преобразуются для дальнейшей передачи. Таким образом, все датчики системы являются цифровыми.

Блок аккумуляторов 19 предназначен для питания компонентов передающего блока, в том числе подачи напряжения накачки в процессе измерения сопротивления кабеля.

Модуль измерения сопротивления предназначен для преобразования напряжения питания до величины, необходимой для измерения сопротивления кабеля (напряжения накачки).

Плата контроля изоляции предназначена для передачи напряжения накачки от модуля измерения сопротивления на клеммный блок и измерения остаточного сопротивления, передачи напряжения питания на остальные компоненты передающего блока, обеспечения опроса датчиков и обработки полученных показаний, осуществления связи с приёмным блоком посредством радиомодуля, а также обеспечения связи с внешними приборами при калибровке датчиков. На плате контроля изоляции расположены АЦП (аналого-цифровой преобразователь), термометр, акселерометр.

Радиомодуль передающего блока служит для приёма и передачи сигналов на радиомодуль приёмного блока.

Передающий блок 2 оснащен расположенной на кнопке включения световой индикацией, сигнализирующей о включении и выключении передающего блока, а также о проведении измерения.

Конструкция приёмного блока 3 поясняется фиг. 6, 7.

Приемный блок состоит из вилки блочной 23, подключающейся к вилке 35 блока питания и преобразования сигналов посредством кабеля (не показаны на фиг.), розеток блочных 24, служащих для подключения удаленных кнопок (не показаны на фиг.), взрывобезопасного корпуса 25, дисплея 26, радиомодуля 27, платы дисплея 28, платы входов контроллера 29, модуля сопряжения и обработки датчиков 30, платы питания и связи контроллера датчиков 31.

Дисплей 26 предназначен для вывода контролируемых параметров.

Плата дисплея 28 предназначена для питания дисплея.

Плата входов контроллера 29 предназначена для обеспечения безопасной работы удалённых кнопок.

Модуль сопряжения и обработки датчиков 30 предназначен для обработки сигналов с удалённых кнопок, вывода данных на дисплей, связи с приёмным блоком 3 посредством радиомодуля 27.

Плата питания и связи контроллера датчиков 31 предназначена для преобразования напряжения питания от блока питания и преобразования, а также искрозащиты.

Радиомодуль приёмного блока 27 служит для приёма и передачи сигналов на радиомодуль передающего блока 20.

Блок питания и преобразования сигналов 4 предназначен для питания приёмного блока 3 от USB и преобразования сигналов для передачи данных через RS485 с использованием Modbus-команд. Конструкция блока питания и преобразования сигналов поясняется фиг. 8 и 9.

Блок питания и преобразования сигналов 4 состоит из гермоввода кабельного 32, в котором закрепляется магистральный кабель 5, светодиодов 33, основания 34, на котором закреплены остальные части блока, вилки блочной 35, подключающейся к розетке приёмного блока 24, регулятора напряжения 36, преобразователя RS485-USB 37.

Светодиоды 33 предназначены для индикации включения блока, приёма и передачи сигналов.

Преобразователь RS485-USB 37 предназначен для преобразования соответствующих сигналов.

Регулятор напряжения 36 предназначен для подачи и контроля напряжения, необходимого для работы преобразователя и приёмного блока.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При монтаже устройства клеммы клеммного блока закрепляют на жилах кабеля ПЭД, а его клещи - на броне кабеля ПЭД. Клеммный блок соединяют с передающим блоком посредством вилки с розеткой (см. фиг. 2, 4 поз. 12, 15). Таким образом, клеммный блок представляет собой безопасный герметичный соединитель для кабеля ПЭД и передающего блока, в котором, в свою очередь, происходит управление замыканием жил кабеля ПЭД и непосредственно измерение, и вычисление искомых параметров.

Приёмный блок и блок питания и преобразования сигналов устанавливают в пределах 50 метров от устья скважины, соединяют между собой с помощью кабеля. Блок питания и преобразования сигналов подключают к компьютеру или устройству связи с объектом через гермоввод кабельный (см. фиг 8, 9 поз. 32).

По умолчанию в режиме сна и в выключенном состоянии передающий блок обеспечивает замыкание всех жил и изоляции кабеля между собой с помощью встроенных механических реле, расположенных на плате контроля изоляции. При получении команды на начало измерения от стационарной части передающий блок размыкает все жилы кабеля ПЭД, прикладывает напряжение между жилой и бронёй, а затем измеряет величину протекающего между ними тока. На основании полученных данных вычисляется сопротивление изоляции кабеля с усреднением. Затем реле возвращаются в исходное состояние (т.е. происходит замыкание всех жил и изоляции, обеспечивается сброс энергии со всех проводников), происходит измерение и вычисление дополнительных параметров (контроль наличия двигателя, окружающей температуры, акселерометра, напряжение питания встроенных батарей) и отправка данных в приёмный блок через канал радиосвязи. При этом контроль наличия двигателя осуществляется путём последовательного замыкания жил кабеля ПЭД и измерения соответствующих омических сопротивлений, которые при наличии двигателя предельно малы, а при утере двигателя стремятся к бесконечности. После проведения измерений передающий блок может перейти в режим сна на заранее заданное время, затем цикл измерений повторится.

На экране приёмного блока выводится информация: сопротивление кабеля (МОм), температура датчика (°С), напряжение батареи (В), количество оборотов барабана с кабелем ПЭД, угловая скорость вращения барабана с кабелем ПЭД, время замера, наличие подключенного ПЭД. При потере связи с передающим устройством отображается знак, сигнализирующий о потере связи. От приёмного блока данные передаются на блок питания и преобразования сигналов, оттуда - на верхний уровень (компьютер или устройство связи с объектом) по RS 485 с использованием Modbus-команд.

Подобный цикл измерения продолжается на протяжении всей спуско-подъёмной операции вплоть до получения команды об окончании измерения от верхнего уровня.

Описываемое устройство обладает следующими особенностями.

Помимо кнопки на самом передающем блоке, размещённом внутри барабана с кабелем ПЭД, для обеспечения повышенной безопасности опционально предусмотрена «удалённая» кнопка на проводе, которая может устанавливаться в необходимом рабочем месте для оперативного отключения всех функций накачки энергии в кабель с одновременным замыканием всех жил и изоляции кабеля между собой. Кнопка подключается к розетке приёмного блока.

Предусмотрена возможность подключения выносной светозвуковой сигнализации, также подключаемой к розетке приёмного блока.

При отсутствии необходимости в частых замерах существует возможность скорректировать период измерений в большую сторону за счёт увеличения режима сна, что существенно экономит заряд блока аккумуляторов. Возможна корректировка и в меньшую сторону, при этом существует предел, обусловленный временем, необходимым для измерения сопротивления изоляции.

Преимуществом данного устройства также является его безопасность и функциональность, использование цифровых датчиков, расширение информации о процессе погружения, герметичность клеммного узла, автоматизация и беспроводная передача данных.

Улучшение точности происходит за счет разделения и разнесения блоков в пространстве, что исключает взаимные наводки. Кроме того, разделение блоков позволяет вынести часть блоков в зону, защищённую от влияния погодных условий (закрытое помещение и проч.). Герметичность клеммного узла способствует защите от эксплуатационных и погодных условий, что также повышает точность показаний.

Надежность устройства обусловлена возможностью вынесения мобильной части в безопасное место за пределы устья скважины вплоть до 50 м, что также значительно повышает безопасность эксплуатации.

Разделение системы на блоки способствует упрощению и ускорению монтажа, а также замены блоков или их составных частей в случае надобности.

Функциональность системы достигается за счет возможности использования при эксплуатации одной или трёх кабельных клемм, при этом при использовании одной клеммы система будет контролировать только сопротивление изоляции погружного кабеля, а при использовании трёх кабельных клемм, каждая из которых подключена к одной из трёх жил обмоток ПЭД, дополнительно контролируется состояние двигателя. Кроме того, разделение системы на блоки позволяет эксплуатировать блоки данной системы с аналогичным по функционалу оборудованием других производителей.

Заявляемое устройство позволяет получать расширенную информацию о процессе погружения, а именно: число оборотов барабана с погружным кабелем за счёт расположения внутри него передающего блока системы с акселерометром, глубину погружения, рассчитываемую с помощью прямой зависимости между угловой скоростью вращения барабана и скоростью погружения насоса внутри скважины, температуру в месте расположения передающего блока.

Заявляемое устройство было реализовано в системе непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля «Кедр СНКСИК» компании ООО «Геофизмаш». При этом минимальное время цикла измерения данной системы составляет 45 секунд, стандартное - 60 секунд, из которых 15 - режим сна. Данная система может быть опционально дополнена удаленными кнопками и удалённой светозвуковой сигнализацией.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для проведения автоматизированного непрерывного контроля параметров электрической изоляции погружного кабеля и погружного электродвигателя (ПЭД) при выполнении спуско-подъемных операций на нефтегазодобывающих скважинах с целью исключения технологических перерывов, предусмотренных в существующих регламентах для периодического измерения сопротивления изоляции во время спуска установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) для раннего обнаружения повреждения кабеля. Техническим результатом изобретения является повышение точности, надежности и оперативности монтажа системы, обеспечивающей непрерывный контроль сопротивления изоляции и электрической прочности цепи, за счет разделения функциональных блоков прибора на две части, стационарную и мобильную. Техническая проблема решается тем, что устройство непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля, согласно решению, состоит из стационарной и мобильной частей, стационарная часть содержит соединенные между собой приемный блок и блок питания и преобразования сигналов, выход которого предназначен для соединения с магистральным кабелем, мобильная часть содержит соединенные между собой клеммный блок и передающий блок, при этом вход клеммного блока предназначен для соединения с кабелем погружного электродвигателя, а передающий блок выполнен с возможностью передачи сигнала на приемный блок. 9 ил.

Устройство непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля, характеризующееся тем, что состоит из части, устанавливаемой внутри барабана с кабелем погружного электродвигателя, и выносной части, причем выносная часть содержит соединенные между собой приемный блок с радиомодулем и блок питания и преобразования сигналов, выход которого предназначен для соединения с магистральным кабелем, а часть, устанавливаемая внутри барабана с кабелем, содержит соединенные между собой клеммный блок и передающий блок, при этом вход клеммного блока предназначен для соединения с кабелем погружного электродвигателя, а передающий блок содержит модуль контроля изоляции с расположенными в нем модулем, предназначенным для преобразования напряжения питания до величины напряжения накачки, необходимой для измерения сопротивления изоляции кабеля, и платой контроля изоляции, предназначенной для передачи напряжения накачки на клеммный блок, измерения сопротивления изоляции и осуществления связи с приемным блоком посредством радиомодуля.