Устройство для тепловой защиты погружного электродвигателя Советский патент 1993 года по МПК H02H5/04 H02H7/08 F04B47/08 

катушку, Подвижный элемент 8термореле 1 поднят вверх и.зафиксирован термочувствительным элементом 9. Контакты 10 термореле 1 разомкнуты. Если в процессе работы электродвигателя по каким-либо причинам начнется рост температуры ста- торной обмотки, то с некотором запаздыванием будет повышаться и температура масла в двигателе. Масло обеспечит увеличение температуры термочувствительного элемента 9 термореле 1. При достижении температурой некоторого заданного предела, например 120 ± 5°С, термочувствительный элемент 9, отклонившись, освободит подвижный элемент 8, который упадет вниз и перемкнет неподвижные контакты 10 термореле. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. . . - . .

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты погружных электродвигателей от анормальных режимов , в; частности при перегревах статорных обмоток погружных электродвигателей в нефтяных 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 подзем.юго ремонта погруж- ной электродвигатель неизбежно некоторое время работает с перегрузкой в процессе откачки технологичес ой жидкости, тепловое воздействие которой на изоляцию электрических цепей двиг чтеля трудно оценить по величине тока. Кроме того,; не во всех случаях перегрев обмоток связан с превышением рабочим тбксм номинального значения, как, например, при возникновении дополнительных механических трений в электродвигателе.

Известны также способ защиты трехфазного электродвигателя от аварийных режимов и устройство Для защиты погруж- його электродвигателя от анормальных режимов. В первом случяе после выявления возникновения аварийных режимов авто- . матйчески производят искусственное замыкание на землю нейтральной точки обмотки статора, фиксируют появившийся при этом ток нулевой последовательности утроенной частоты, ric наличию которого производят отключение трехфазного электродвигателя от питающей сети. Недостатком устройства по способу является необходимость введения контактов контактора в цепь силового кабеля электродвигателя от вторичной оПмотки питающего трансформатора. Коммутация токов большой величины (десятки с мпер) существенно уменьшает надежность работы устройства,

0

5

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, этот способ применим в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью. Для сетей с изолированной нейтралью, например в нефтяной промышленное™, он не применим. ....,

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 конст0 рукТивное исполнение этого устройства недостаточно сложно, что может уменьшить надежность его работы.

Известна также термоманометрическая систёма ТМС, предназначенная для контро5 ля давления и температуры в погружном электродвигателе. Но эта система предназначена для исследовательских скважин, обеспечивающих контроль процесса разработки нефтяного месторождения. Приме0 нять ее для эксплуатационных скважин ввиду значительной стоимости и технической сложности нецелесообразно. Кроме того, большие габариты скважинного преобразователя давления и температуры при5 водят к необходимости монтажа его в отстойнике электродвигателя, температурный режим которого отличается от режима статорных обмоток, где и происходит выде- ление тепла в процессе работы двигателя.

0 Наиболее близким по технической сущности является устройство для тепловой защиты погружного электродвигателя. В нем .с целью повышения эффективности защиты и упрощения конструкции термочувстви тельный 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 соединенно 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 со схемой индикации и с другим входом блока управления электродвигателем.

Размещаемая в погружном электродвигателе глубинная часть этого устройства отличается простотой, что положительно сказывается на надежности защиты электродвигателя. При этом термоконтэкт монтируется в нижней части статорной обмотки, а конденсатор выносится в зону отстойника, так как габариты его оказываются достаточно большими ввиду необходимости обеспечения защиты от внешнего давления.

Недостатками устройства являются:

Цель изобретения - повышение эффективности защиты и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что термореле выполнено в виде ферромагнитного металлического тела, размещенного во вновь введенной катушке и удерживаемого от падения зацеплением с термочувствительным элементом, дополнительно введены диоды, конденсатор, пороговый элемент, источник постоянного напряжения, усилитель, электромагнитные реле, резистор, кнопка включения, лампочки индикации, при этом первый диод анодом подсоединен ко второму выводу резистора,

катодом подключен к аноду порогового элемента, катод которого соединен с одним концом катушки термореле, другой конец которой соединен с первым выводом резистора, а конденсатор одним выводом соединен с катодом диода, а другим - с общей точкой резистора, катушки и клеммы вывода; термореле, при этом обмотка первого электромагнитного реле через кнопку включения подключена к выводам источника

постоянного напряжения, который первым выводом через первый замыкающий контакт первого электромагнитного реле подсоединен к клемме для подключения к нулевой точке силового трансформатора в

противоположной по отношению к блоку контроля изоляции полярности электрического напряжения, между клеммой для подключения к нулевой точке силового трансформатора и блоком контроля изоляции включен размыкающий контакт первого электромагнитного реле, один вывод резистора предназначен для подключения к за- землению, а другой, соединенный с анодом второго диода, катод которого через второй

замыкающий контакт первого электромагнитного реле подключен к второму выводу источника постоянного напряжения, подключен к входу усилителя, к выходу которого включено второе электромагнитное реле,

при этом к второму выводу источника постоянного напряжения последовательно подключены, третий замыкающий контакт первого электромагнитного реле и переключающий контакт второго электромагнитного

реле, клеммы которого подсоединены к одним выводам лампочек индикации и вторые выводы которых предназначены для подключения к заземлению. Неподвижные контакты термореле выполнены в виде двух

неэлектропроводных сосудов, заполненных сплавом металлов, имеющим температуру плавления ниже рабочей температуры масла в погружном электродвигателе.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 изображена конструкция термореле.

Устройство для тепловой защиты погружного электродвигателя содержит термореле 1, установленное на статорной обмотке 2 погружного маслонаполненного ч электродвигателя. Термореле 1 через резистор 3 подключено к нулевой точке статорной обмотки 2, а второй вывод термореле соединен с корпусом электродвигателя, Параллельно резистору 3 образована цепочка из диода 4, порогового элемента 5, например, динистора, конденсатора 6 и катушки 7, внутри которой расположен подвижный элемент 8 термореле 1. Фиксация подвижного элемента 8 в верхнем положении обеспечивается с помощью термочувствительного элемента 9, например, биметаллической пластины. С остальными элементами схемы термореле 1 соединено с помощью неподвижных контактов 10.

В составе используемой в настоящее время на нефтепромыслах комплектной трансформаторной подстанции 11 типа КТП ПН для контроля за работой погружных насосов в нефтяных скважинах помимо другой аппаратуры имеются блок контроля изоляции на базе прибора Ф4106 и блок управления электродвигателя 13 (блок управления БРГ01-В1УХЛ2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИНБЮ 656131.010 ТО), который отключает напряжение от силового трансформатора 14 с помощью контактора 15 при снижении сопротивления изоляции электрической цепи ниже 30 кОм. Контроль сопротивления изоляции обеспечивается подачей на среднюю точку вторичной обмотки 16 постоянного напряжения, например, отрицательной полярности через размыкающий контакт 17.1 электромагнитного реле 17 и измерении тока утечки по цепи металлическая жила силового кабеля 18 - изоляция кабеля 18 - земля. Электромагнитное реле 17 включается кнопкой включения 19.

К средней точке вторичной обмотки 16 через замыкающий контакт 17.2 электромагнитного реле 17 подключено напряжение от источника постоянного напряжения 20 противоположной по отношению к электрическому напряжению с блока контроля изоляции 12 полярности.

Электрический ток от источника постоянного напряжения 20, проходя через землю , резистор 21, второй диод 22 и замыкающий контакт 17.3 на минусовую клемму источника, создает на резисторе 21 падение напряжения, которое усиливается усилителем 23 и подается на второе электромагнитное реле 24.

К минусовой клемме источника постоянного напряжения 20 подключены последовательно соединенные замыкающий контакт 17.4 и переключающий контакт 24.1, выводы последнего соединены с клеммами лампочек индикации 25 и 26, свидетельствующих о пробое сопротивления изоляции электрической цепи погружного электродвигателя и нарушении теплового режима

статорных обмоток. Вторые клеммы лампочек 25 и 26 заземлены.

Устройство работает следующим образом. В процессе откачки продукции нефтя5 ной скважины на первичную обмотку трансформатора 14 подано напряжение включением контактора 15. В активной части статорной обмотки 2 устанавливается рабочая температура около 80-90°С. Блок

0 контроля изоляции 12 измеряет сопротивление изоляции всей электрической цепи электродвигателя, подавая на нулевую точку вторичной обмотки 16 трансформатора 14 напряжение отрицательной полярности.

5 Диод 4 и пороговый элемент 5 не пропустят это напряжение на катушку 7. Подвижный элемент 8 терм ореле поднят вверх и зафиксирован термочувствительным элементов 9. Контакты 10 термореле 1 разомкнуты.

0 Если в процессе работы электродвигателя по каким-либо причинам начнется рост .температуры статорной обмотки, то с некоторым запаздыванием будет повышаться и температура масла в двигателе. Масло обес5 лечит увеличение температуры термочувствительного элемента 9 термореле 1. При достижении температурой некоторого заданного предела, например в 120 ± 5°С, термочувствительный элемент 9, откло0 нившись, освободит подвижный элемент 8, который упадет внизи перемкнет неподвижные контакты 10 термореле.

Срабатывание термореле 1 приведет к резкомууменьшению сопротивления изоля5 ции электрической цепи установки УЭЦН. Блок контроля изоляции 12 командой на блок управления электродвигателем 13 и контактор 15 отключит напряжение от трансформатора 14, предохраняя тем са0 мым погружной электродвигатель от перегрева. По линии телемеханики на диспетчерский пункт поступит сигнал отключения скважины. .В процессе остывания масла в нерабо5 тающем электродвигателе термочувствительный элемент 9 возвратится в исходное состояние. Поэтому, когда дежурный оператор придет на установку для выяснения причины отключения скважины, то при нажатии

0 кнопки 19 сработает электромагнитное реле 17. Контакт 17.1 отключит блок контроля изоляции 12, а контакт 17,2 подаст на среднюю точку вторичной обмотки 16 трансформатора 14 напряжение положительной

5 полярности от источника постоянного напряжения 20. По цепи силовой кабель 18 - резистор 3 - термореле 1 - земля - резистор 21 - диод 22 - замкнутый контакт 17.3 -клемма отрицательного полюса источника постоянного напряжения 20 потечет электрический ток. Падение напряжения на резисторе 21 усиливается усилителем 23, что приведет к срабатыванию электромагнитного реле 24. Замкнувшиеся контакты 17:4 и 24.1 подадут напряжение на лампочку 25, горение которой свидетельствуете нарушении сопротивления изоляции.

Протекающий по резистору 3 электрический ток через диод 4 начнет заряжать, конденсатор 6. Когда напряжение на конденсаторе 6 достигнет напряжения включения порогового элемента 5, начнется разряд конденсатора через катушку 7. Возникшая электромагнитная сила поднимет вверх подвижный элемент 8 термореле 1. Соединение электрической схемы электродвигателя с землей будет отключено. Электромагнитное реле 24 обесточится, переключающийся контакт 24.1 вернется в исходное положение и загорится лампочка 26. Совокупность кратковременного горения лампочки 25 и постоянного горения лампочки 26 свидетельствует о нарушении температурного режима в работе электродвигателя. .-

После отпускания кнопки 19 электромагнитное реле 17 обесточится и восстановит первоначальное состояние- отсоединит источник постоянного напряжения 20 от средней точки обмотки 16 и земли и подключит блок контроля изоляции 12 к средней точке вторичной обмотки 16. Так как сопротивление изоляции электрической цепи восстановлено до нормальной величины, то по команде блока контроля изоляции 12 блок управления электродвигателем 13 через контактор 15 подаст напряжение на силовой трансформатор.

В случае нарушения сопротивления изоляции электрической цепи без отклоне- . ния температурного режима погружного электродвигателя блок контроля изоляции 12 через блок управления электродвигателем 13 и контактор 15 отключит питающее напряжение. При нажатии оператором- кнопки 19 аналогично.сработают электромагнитные реле 17 и 24, загорится лампочка 25. Но ввиду того, что термореле не сработало, лампочка 25 будет гореть постоянно при нажатой кнопке 19, идентифицируя в качестве причины отключения двигателя именно нарушение сопротивления изоляции.

При совпадении во времени этих двух дестабилизирующих факторов - снижения сопротивления изоляции и нарушения температурного режима произойдет отключение питающего напряжения электродвигателя, Но идентифицировать причину отключения скважины только нажатием

кнопки 19 в этом случае не удастся. Подача напряжения положительной полярности на среднюю точку вторичной обмотки 16 после остывания электродвигателя приведет к возврату подвижного элемента 8 термореле

1 в исходное состояние, но реле 24 при этом

не отключится, так как через резистор 21

продолжает протекать электрический ток за

счет нарушения сопротивления изоляции.

Поэтому для такого случая надо провести

измерение сопротивления изоляции мегомметром. При малой величине этого сопротивления (около 1 кОм) можно утверждать о нарушении температурного режима в электродвигателе. Большая же величина этого

сопротивления (20-30 кОм) укажет на пробой изоляции. Причем величина этого сопротивления после нажатия кнопки 19 резко увеличится с 1 кОм до 20-30 кОм. Подобного рода измерения неизбежно проводятся обслуживающим нефтяную скважину персоналом и вне связи с работой устройства для тепловой защиты.

Специфика работы термореле в масло- наполненном погруженном электродвигателе предъявляет к нему определенные требования. Главное из них - надежность электрического контакта цепей при срабатывании термореле. Большое статическое, давление в двигателе и наличие маслянрй

пленки на соприкасающихся поверхностях усложняют обеспечение достаточно малого переходного сопротивления при срабатывании.

На фиг. 2 приведена схема термореле, которая; на наш взгляд, решает проблему получения хорошего электрического соединения. При превышении температуры масла в двигателе заданного предела термочувствительный элемент 9 отгибается в сторону и подвижный элемент 8 падает вниз. Металлические выступы 27 попадают на неподвижные контакты 10, которые выполнены в виде двух неэлектропроводных сосудов, заполненных сплавом металлов, имеющим температуру плавления ниже рабочей температуры масла в двигателе, например, сплав Вуда. За счет веса подвижного элемента 8 выводы 27 погружаются в жидкий

металл, обеспечивая хороший электрический контакт.

Ф о рмул;а изо бретен и я 1. Устройство для тепловой защиты по- гружного электродвигателя, содержащее терморелё, предназначенное для установки в непосредственной близости от статорной обмотки электродвигателя и подключенное первым выводом контакта к резистору, вывод которого предназначен для подключения к средней точке обмотки, второй вывод. контакта предназначен для подключения к корпусу электродвигателя, блок контроля изоляции, предназначенный для установки на поверхности, блок управления электродвигателем, выходные контакты которого включены а цепь отключения электродвигателя, от л и чаю щ ее с я тем, что, с целью повышения надежности защиты и упрощения конструкции, термореле выполнено в виде ферромагнитного металлического тела, размещенного во вновь введенной катушке HI удерживаемого от падения зацеплением :с термочувствительным элементом, дополнительно введены диоды, конденсатор, пороговый элемент, источн ик постоянного напряжения, усилитель, электромагнитные реле, резистор, кнопка включения, лампочки индикации, при этом первый диод анодом подсоединен к второму выводу резистора, катодом подключен к аноду порогового элемента, катод которого соединен с одним концом катушки терморе- яе, другой конец которой соединен с первым выводом резистора, а конденсатор одним выводом соединен с катодом диода, а другим - с общей точкой резистора, катушки и клеммы вывода термореле, при этом обмотка первого электромагнитного реле

через кнопку включения подключена к выводам источника постоянного напряжения, который первым выводом через первый замыкающий контакт первого электромагнитного реле подсоединен к клемме для подключения к нулевой точке силового трансформатора в противоположной по отношению к блоку контроля изоляции полярности электрического напряжения, между клеммой для подключения к нулевой точке силового трансформатора и блоком контроля изоляции включен размыкающий контакт первого электромагнитного реле, один вывод резистора предназначен для подключения к заземлению, а другой, соединенный с анодом второго диода, катод которого через второй замыкающий контакт первого электромагнитного реле подключен к второму выводу источника постоянного напряжения, подключен к входу усилителя, к выходу которого включено второе электромагнитное реле, при этом к второму выводу источника постоянного напряжения последовательно подключены третий замыкающий контакт первого электромагнитного реле и.переклю- чающий контакт второго электромагнитного реле, клеммы которого подсоединены к одним выводам лампочек индикации и вторые .выводы которых предназначены для подключения к заземлению,

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что неподвижные контакты терморелё выполнены в виде двух неэлектропроводных сосудов, заполненных сплавом металлов, имеющим температуру плавления ниже рабочей температуры масла в по- гружном электродвигателе.