Устройство для тепловой защиты погружного электродвигателя Советский патент 1992 года по МПК H02H7/08 H02H5/04 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты погружных электродвигателей от анормальных режимов, в частности при перегревах статорных обмоток погружных электродвигателей в неф- тяных скважинах, оборудованных электроцентробежными насосами.

Известны устройства для косвенной защиты погружных электродвигателей от перегрева, в которых о тепловом режиме

электродвигателя судят по величине рабочего тока, определяемого на поверхности.

Однако при выводе нефтяной скважины на режим после подземного ремонта погружной электродвигатель неизбежно некоторое время работает с перегрузкой в процессе откачки технологической жидкости, тепловое воздействие которой на изоляцию электрических цепей двигателя трудно оценить по величине тока, Кроме того, не во всех случаях перегрев обмоток связан с превышением рабочим током номинального значения, как например при возникновении дополнительных механических трений в электродвигателе.

Известны также способ защиты трехфазного электродвигателя от аварийных ре- жимов и устройство для защиты погруженного электродвигателя от анормальных режимов работы. В первом случае после выявления наличия возникновения аварийных режимов автоматически производят искусственное замыкание на землю нейтральной точки обмотки статора, фиксируют появившийся при этом ток нулевой последовательности утроенной частоты, по наличию которого производят отключение трехфазного электродвигателя от питающей сети.

Недостатком устройства по этому способу является необходимость введения контактов контактора в цепь силового кабеля электродвигателя от вторичной обмотки питающего трансформатора к электродвигателю. Коммутация токов большой величины (десятки ампер) существенно уменьшает надежность работы устройства. Искусственное замыкание нейтральной точки обмотки статора на землю при наличии неизбежного перекоса фаз вызовет также протекание через коммутационное устройство тока частоты 50 Гц достаточно большой величины, что скажется на надежности его работы. Кроме того, способ применим в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью. Для сетей с изолированной нейтралью, например в нефтяной промышленности, он неприемлем.

В устройстве обеспечивается повышение надежности защиты двигателя путем защиты от недогрузки с помощью контроля давления в полости двигателя, изменяющегося в функции давления жидкости в скважине, введением датчика давления, блока контроля давления в дополнении с некоторыми другими элементами. Но конструктивное исполнение этого устройства достаточно сложно, что может уменьшить надежность его работы.

Наиболее близкой по технической сущности является термоманометрическая система типа ТМС, состоящая из глубинного и наземного устройств, соединенных используемым в качестве линии связи силовым кабелем. Глубинное устройство подключается через конденсатор связи к нулевой точке статорной обмотки электродвигателя, а наземное - к средней точке вторичной обмотки силового трансформатора. Глубинное устройство расположено в герметичном контейнере, который устанавливается в удлиненном отстойнике погружного электродвигателя. Чувствительные элементы - мно- говитковая геликсная пружина на 20 МПа для датчика давления и полупроводниковый

терморезистор для датчика температуры сообщаются с окружающей средой с помощью заполняющего двигатель масла. Результаты косвенного измерения давления и температуры с помощью двойной частотной модуля0 ции по высокочастотному каналу связи через силовой кабель передаются на поверхность в наземное устройство. Но эта система предназначена для исследовательских скважин, обеспечивающих контроль про5 цесса разработки нефтяного месторождения. Применять ее для эксплуатационных скважин ввиду значительной стоимости и технической сложности нецелесообразно. Кроме того, большие габариты скважинного

0 преобразователя давления и температуры приводят к необходимости монтажа его в отстойнике электродвигателя, температурный режим которого отличается от режима статорных обмоток, где происходит выделе5 ние тепла в процессе работы двигателя.

Цель изобретения - повышение эффективности защиты и упрощение конструкции. Анализ работы установок электроцентробежных насосов УЭЦН показывает высо0 кую эффективность применения устройства для тепловой защиты погружного электродвигателя в нефтяной промышленности. Статистика причин подземного ремонта нефтяных скважин свидетельствует , что

5 18,4% от всех ремонтов происходит по причине нарушения электрической изоляции в погружном электродвигателе, а 18,1 % - по причине пробоя сопротивления изоляции силового кабеля.

0 Использование устройства для тепловой защиты позволяет исключить первую часть неисправностей и уменьшить вторую составляющую. Только за счет устранения температурных деформаций обмотки двига5 теля и сохранения ее изоляционной способности разработанное устройство для тепловой защиты, исключает необходимость проведения части подземного ремонта и позволяет добыть дополнительное

0 количество нефти. Эффективность уменьшения частоты выхода из строя силового кабеля погружного электродвигателя трудно оценить расчетным путем, поэтому она может быть определена только в процессе

5 эксплуатации устройства для тепловой защиты.

Поставленная цель достигается тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде термоконтакта, один вывод которого через вновь введенный конденсатор имеет

клемму для подключения к средней точке статорной обмотки погружного электродвигателя, а второй вывод имеет клемму для соединения с корпусом, при этом к входу блока контроля сопротивления изоляции через вновь введенный разделительный конденсатор подключены вновь введенные соединенные последовательно генератор электрических сигналов повышенной частоты и блок контроля тока, выход которого соединен с схемой индикации и другим входом блока управления электродвигателем. Термоконтакт выполнен в виде тороида, выполненного с возможностью схватывания вала ротора, электродвигателя, при этом внутренняя полость тороида заполнена сплавом металлов, имеющим температуру плавления ниже рабочей температуры масла в погружном электродвигателе и служащим чувствительным элементом термоконтакта.

На фиг. 1-3 приведена схема устройства для тепловой защиты погружного электродвигателя.

Вторичные обмотки 1 силового трансформатора 2 через силовой кабель 3 соеди- няются со статорными обмотками 4 погружного электродвигателя. К средней точке статорной обмотки через конденсатор 5 подключен термоконтакт 6, второй конец которого соединен с корпусом электродвигателя.

В состав станции 7 управления помимо других блоков входят блок 8 контроля сопротивления изоляции и блок 9 управления электродвигателем 9, обеспечивающий подачу и отключение питающего напряжения на первичную обмотку трансформатора 2 с помощью контактора 10.

На среднюю точку вторичной обмотки 1 трансформатора 2 из блока 8 подается постоянное напряжение для контроля сопротивления изоляции электрической цепи. В эту же точку через разделительный конденсатор 11 подаются колебания в 1-2 кГц с генератора 12 электрических сигналов повышенной частоты. Величина создаваемого при этом тока в цепи вторичные обмотки трансформатора 1 - силовой кабель 3 - ста- торная обмотка 4 электродвигателя - конденсатор 5 - термоконтакт 6 - земля контролируется блоком 13 контроля тока. При разомкнутом термоконтакте 6 амплитуда тока минимальна и определяется только распределенной емкостью силового кабеля 3. При замыкании термоконтакта амплитуда тока резко увеличивается.

Подключение термонтакта 6 к средней точке статорной обмотки через конденсатор 5 позволяет существенно уменьшить величину проходящего через него тока промышленной частоты. Потенциал средней точки может сильно отличаться от нуля за счет перекоса фаз питающего напряжения. Выбор номинала конденсатора 5 позволяет получить для напряжения частотой в 50 Гц величину ограничивающего тока сопротивления в десять и более килоОм. Для сигнала же частотой в 1-2 кГц сопротивление этого

элемента составляет величину в несколько сот ом и не окажет большого влияния на амплитуду измерительного сигнала. Результирующий ток через термоконтакт находится в пределах нескольких десятков

миллиампер, а не несколько ампер для случая отсутствия конденсатора 5, Это обстоя- тельство обеспечит возможность уменьшения размеров термоконтакта и размещения его в активной зоне выделения

тепла статорной обмоткой.

Устройство работает следующим образом.

В процессе откачки продукции скважины на первичную обмотку трансформатора

2 подано напряжение включением контактора 10, в активной части статорной обмотки погружного электродвигателя устанавливается рабочая температура около 80-90° С Блок контроля сопротивление изоляции 8

измеряет величину этого сопротивления, которая должна быть в пределах 30 кОм± 10%. Колебания в 1-2 кГц с генератора 12 электрических сигналов повышенной частоты через разделительный конденсатор 11

поступают в среднюю точку вторичной обмотки 1 силового трансформатора 2, и так как термоконтакт 6 разомкнут, то в цепи вторичные обмотки 1 - силовой кабель 3 - статорные обмотки 4 - конденсатор 5 - термоконтакт 6 - земля установится электри- ческий ток от этого генератора электрических сигналов повышенной частоты 12 минимальной амплитуды. Блок 12 контроля тока свидетельствует о нормальном

температурном режиме работы двигателя, световая индикация 14 выключена.

Если в процессе работы электродвигателя по каким-либо причинам начнется рост температуры статорной обмотки, то с некоторым запаздыванием повышается и температура находящегося в двигателе масла Масло обеспечит увеличение температуры чувствительного элемента термоконтакта. При достижении температурой некоторого

заданного предела, например 120 ±5° С, замкнется цепь термоконтакта 6, соединяя среднюю точку статорной обмотки с землей через конденсатор 5. Так как блок 8 контроля сопротивления изоляции работает

на постоянном токе, то он не зафиксирует пробой изоляции электрической цепи. Для сигнала частотой 50 Гц сопротивление конденсатора 5 более 10 кОм, поэтому даже при значительном перекосе фаз в десятки вольт величина этой составляющей тока находится в пределах единиц миллиампер. Для напряжения с частотой 1-2 кГц величина сопротивления конденсатора 5 незначительна по сравнению с сопротивлением ос- тальных элементов цепей генератора 12 электрических сигналов повышенной частоты и блока 13 контроля тока. Поэтому амплитуда тока этой частоты резко возрастает до максимального значения, что зафиксиру- ется блоком 13 контроля тока. Сигнал нарушения температурного режима с блока 13 контроля тока подается на лампочку 14 для световой индикации и на второй вход блока 9 управления электродвигателем, который обеспечит отключение питающего напряжения от первичной обмотки трансформатора 2 с помощью контактора 10. Процесс дальнейшего нагрева статорной обмотки электродвигателя прекратится.

При снижении температуры масла в активной части статорной обмотки электродвигателя в процессе его остывания ниже заданного уровня термоконтакт 6 разомкнется, отключая среднюю точку статор- ной обмотки от земли. Амплитуда тока с частотой 1-2 кГц уменьшается до минимального значения, блок 13 контроля тока подает сигнал на блок 9 управления электродвигателем и далее на контактор 14, обеспечивая подключение напряжения к трансформатору 2, Лампочка 14 гаснет, показывая нормализацию температуры в статорной обмотке.

Наличие постоянного фактора дестаби- лизации температурного режима работы погружного электродвигателя, например снижение динамического уровня жидкости в скважине, засорение насоса и т.д., приведут к периодической эксплуатации скважи- ны, в процессе которой блок управления электродвигателя многократно выключает погружной электродвигатель и затем вновь подает на него напряжение при остывании статорной обмотки и снижении температу- ры масла ниже порога срабатывания термоконтакта. Допустимое количество таких циклов работы погружного электродвигателя регулируется и контролируется блоком 13 контроля тока. После выбора их числа блок 13 контроля тока запрещает последующее включение электродвигателя, что потребует выявление обслуживающим персоналом причины нарушения температурного режима.

Если в процессе эксплуатации скважины нарушится сопротивление изоляции цепи электрического тока, то замкнутся через землю цепи прохождения постоянного тока блока 8 контроля сопротивления изоляции и переменного тока генератора 12 электрических сигналов повышенной частоты. Блок 8 контроля сопротивления изоляции и блок 13 контроля тока зафиксируют пробой сопротивления изоляции и нарушение температурного режима двигателя. Их выходные сигналы через блок 9 управления электродвигателем и контактор 10 обеспечат отключение питающего напряжения трансформатора 2, а также индикацию нарушения режима по обоим факторам. Истинная причина отключения скважин может быть выявлена путем измерения сопротивления изоляции мегометром. Так как конденсатор 5 не пропустит постоянную составляющую тока и термоконтакт б разомкнут, то мегометр покажет сопротивление изоляции в пределах нескольких килоОм, что явится свидетельством пробоя изоляции. Подобного рода измерения неизбежно проводятся обслуживающим персоналом и вне связи с работой устройства тепловой защиты.

В случае маловероятного совпадения во времени обоих факторов пробоя изоляции и роста температуры статорной обмотки за допустимый уровень - функционирование блоков происходит аналогичным образом. Конструкция термоконтакта 6 является определяющим фактором в работе устройства тепловой защиты. Жесткие условия его работы - температуры до 130° С, давление до 20 МПа, значительные вибрации, минимальные габариты делают невозможным использование в качестве термоконтакта серийно выпускаемые промышленностью температурные реле. Поэтому на фиг. 2 приведена возможная конструкция термоконтакта, предназначенного для использования в устройстве тепловой защиты. Металлический корпус 1 выполнен в виде тороида, внутренняя полость 2 которого заполнена сплавом металлов с температурой плавления, ниже рабочей температуры масла в двигателе, например, сплав Вуда с inn - 60° С. Втулка 4 из изоляционного материала с регулировочным винтом 5 закреплена в металлическом цилиндре 3, внутренняя полость которого связана с окружающей средой. Нулевая точка статорной обмотки соединяется через конденсатор с винтом 5, который служит одним выводом термоконтакта. В качестве второго вывода используется сплав, находящийся в жидком состоянии в полости 2, и металлический корпус тороида. Такое построение термоконтакта обеспечивает надежное его крепление в корпусе электродвигателя, он не мешает вращению вала двигателя, проходящего через отверстие торой да.

Применяемые сплавы имеют значительный коэффициент линейного расширения. Величина относительного удлинения для низкотемпературных сплавов может доходить до 50%. Поэтому при повышении температуры уровень жидкости в цилиндре 3 поднимается. При регулировке термоконтакта перемещением винта 5 обеспечивают замыкание цепи винт-поверхность жидкого металла при заданной температуре. Затем положение винта 5 фиксируется. При снижении температуры объем жидкого металла в тороиде уменьшается, уровень металла в цилиндре 3 понижается, и электрическая цепь винт-жидкий металл разрывается.

Цилиндр 6 и пробка 7 необходимы для заливки металла в корпус тороида.

Допустимые в пределах ±5° отклонения от вертикали положения корпуса электродвигателя в скважине, а значит, и наклоны тороида термоконтакта не вызовут сильных разбросов верхнего предела срабатывания, так как в капилляре уровень жидкого металла не меняет при этом значительно свое положение, а вытеканию металла из тороида и при больших наклонах препятствует внешнее давление среды и герметичность пробки 7 в цилиндре 6,

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

На нефтепромыслах внедряют комплексные трансформаторные подстанции погружных насосов серии КТППН, низковольтное комплексное устройство (НКУ), в котором контротируют большое число параметров работающего погружного электродвигателя. В состав НКУ входит пульт управления nv-2M УХЛ2 с блоком БРГ01-81УХ2, причем здесь измерение сопротивления изоляции обеспечивается с помощью прибора контроля изоляции Ф4106, выходное реле типа РЭС-9 которого срабатывает при снижении контролируемого параметра ниже установленного значения. Контролируемая цепь включается в плечо мостовой схемы,сигнал разбаланса с которой через делитель и фильтр подается на компаратор, на выходе которого включено реле прибора РЭС-9. При сопротивлении изоляции большем, чем сопротивление уставки, реле РЭС-9 находится под током и нормально разомкнутые контакты его обеспечивают через промежуточное реле KL подачу напряжения на обмотку контактора

КМ, т.е. подключение напряжения 380 Вт к погружному электродвигателю.

При снижении сопротивления изоляции до величины сопротивления уставки сигнал

на входе компаратора становится достаточным для его переключения и реле РЭС-9 отключается. Его нормально разомкнутые контакты разрывают цепь питания обмотки промежуточного реле KL, которое Б свою

очередь отключает питающее напряжение от обмотки контактора КМ и снимается напряжение с погружного электродвигателя.

На фиг. 3 приведен фрагмент схемы принципиальной электрической на пульт управления ПУ-2М УХЛ2 (СС0182УХЛ2), Пунктиром изображено подключение устройства для тепловой защиты к пульту управления Клеммы 15, 15 разъема прибора PQ (прибор Ф4106) выводят во внешнюю цепь нормально разомкнутый контакт реле РЭС-9. Напряжение +29 В через нормально замкнутый контакт реле блока 13 устройства для тепловой защиты, через клеммы 15, 16 прибора PQ , замкнутый контакт К4, резистор Р12

подается на обмотку реле KL. Оно срабатывает и замыкает цепь питания обмотки контактора КМ, включающего напряжение 380 Вт на погружной электродвигатель. В случае нарушения или сопротивления изоляции электрической цепи, или температурного режима статорных обмоток двигателя разомкнутся контакты реле прибора PQ (на клеммах 15, 16) или контакты реле блока 13. обесточивая обмотку реле KL

и отключая контактор КМ.

Формула изобретения 1. Устройство для тепловой защиты погружного электродвигателя, содержащее глубинный термочувствительный элемент и

расположенные на поверхности в составе станции управления установки электроцентробежного насоса блок контроля сопротивления изоляции и блок управления электродвигателем, при этом вход блока

контроля сопротивления изоляции имеет клемму для подключения к средней точке вторичной обмотки силового трансформатора, а выход соединен с входом блока управления электродвигателем, выход которого

имеет клеммы для включения в цепь управления контактором, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности защиты и упрощения конструкции, термочувствительный элемент выполнен в виде

термоконтакта, один вывод которого через вновь введенный конденсатор имеет клемму для подключения к средней точке стаюр- ной обмотки погружного электродвигателя, а второй вывод имеет клемму для соединения с корпусом, при этом к входу блока контроля сопротивления изоляции через вновь введенный разделительный конденсатор подключены вновь введенные соеди- ненные последовательно генератор электрических сигналов повышенной частоты и блок контроля тока, выход которого соединен со схемой индикации и с другим входом блока управления электродвигателем.

Ш/Л

0

2.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что термоконтакт выполнен в виде тороида, выполненного с возможностью схватывания вала ротора электродвигателя, при этом внутренняя полость тороида заполнена сплавом металлов, имеющим температуру плавления ниже рабочей температуры масла в погружном электродвигателе и служит чувствительным элементом термоконтакта.

Изобретение относится к защите электродвигателей при возникновении аварийных режимов в их работе, в частности, при перегревах статорных оЬмоток, и может быть использовано в нефтяной промышленности для тепловой защиты погружных электродвигателей в скважинах, оборудованных электроцентробежными насосами. Цель изобретения - повышение эффективности защиты и упрощение конструкции. Для уменьшения величины проходящего через термоконтакт 6 тока промышленной частоты и обеспечения большей независимости определения причины срабатывания термоконтакта 6 от состояния сопротивления изоляции электрической цепи конденсатор 5 включен между средней точкой статорной обмотки 4 и термоконтактором 6. К средней точке вторичной обмотки силового трансформатора 2 через конденсатор 11 подключены генератор электрических сигналов 12 повышенной частоты и блок контроля 13 электрического тока этой частоты. Выходной сигнал его также подан на вход блока управления 9 включением электродвигателя. Термоконтакт 6 выполнен в виде тороида, охватывающего вал ротора электродвигателя, причем внутренняя полость тороида заполнена сплавом металлов, имеющим температуру плавления ниже рабочей температуры масла в погружном электродвигателе и служащим чувствительным элементом термоконтакта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. (Л -А ho

/

фиг 2

r SF1

/5

Zt

Фиг.З