Способ тепловой защиты погружного электродвигателя глубиннонасосной установки нефтяной скважины Советский патент 1993 года по МПК H02H5/04 H02H7/08 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты погружных электродвигателей глубиннонасосной установки нефтяной скважины, особенно в период вывода скважины на режим.

Цель изобретения состоит в повышении эффективности защиты и в предупреждении снижения изоляционных свойств статорной обмотки при выводе нефтяной скважины на режим в процессе откачки технологической жидкости после подземного ремонта.

На фиг.1 изображена структурная схема, поясняющая реализацию предлагаемого способа тепловой защиты; на фиг.2 - схема устройства, обеспечивающего тепловую защиту погружного электродвигателя по этому способу.

Термореле 1 (фиг.1) имеет две температурные уставки ti и t2, причем, например, , a t2 110°C. В зависимости от температуры статорной обмотки термореле управляет положением движка переключателя 2, имеющего три различных положения. Нулевое положение соответствует температуре статорной обмотки от нуля до ti. первое положение соответствует температуре ti и выше до t2, второе положение соответствует температуре обмотки t2 и выше. Термореле расположено в непосредственной близости от статорной обмотки 3 погружного электродвигателя, связанной через силопой кабель

00

Ј

СО Ю

4 с вторичной обмоткой 5 силового трансформатора 6.

Контроль за работой погружного электродвигателя обеспечивается с помощью станции 7 управления, например комплект- ной трансформаторной подстанцией по- гружных насосов типа КТП ПН, в состав которой помимо другой аппаратуры входят блок 8 управления электродвигателем (блок управления БРГ01-81УХЛ2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИН5Ю 656131,010 ТО) и блок 9 контроля сопротивления изоляции на базе прибора Ф4106. Последний .обеспечивает постоянный контроль за состоянием изоляции элек- трической цепи погружного электродвигателя подачей отрицательного потенциала на среднюю точку вторичной обмотки 5 и в случае уменьшения его величины до некоторого значения подает сигнал аварии на блок 8 управления электродвигателем, который с помощью контактора 10 отключает питающее напряжение.

Прибор Ф4.106 в составе блока контроля сопротивления изоляции в общем случае имеет три переключаемые уставки сопротивления (набор уставок): 12, 20 и 60 кОм или 30, 50 и 500 кОм. По согласованию с заводом изготовителем допускается по- Ътавка приборов с другими наборами уста- вок из ряда 12, 20, аО, 50, 60, 100, 200, 300, 400, 500- кОм. Из этого набора уставок сопротивлений выбираются два значения, например 30 и 50 кОм, причем меньшее из них больше или равно минимально допустимо- му значению сопротивления электрической цепи погружного электродвигателя. Тогда при выводе скважины на режим в приборе Ф4106 блока 9 контроля сопротивления изоляции переключатель 11 устэвки ставит- ся в положение I, подключая к схеме резистор 12 номиналом в 50 кОм, а после вывода скважины на режим для контроля температуры в процессе ее дальнейшей эксплуатации переключатель 11 уставки ставится в положение И, подключая к схеме резистор

13 номиналом в 30 кОм.

В погружном электродвигателе при нулевом положении переключателя 2 средняя точка статорной обмотки отсоединена от корпуса; при первом положении средняя точка статорной обмотки подсоединяется к корпусу электродвигателя через резистор

14 сопротивлением 50 кОм; при втором средняя точка статорной обмотки подсоеди- няется к корпусу электродвигателя через резистор 15 сопротивлением 30 кОм.

Таким образом, сопротивления резисторов, подключаемых к средней точке статорной обмотки по достижении ее

температуры значений температурных уставок, равны значениям уставок по сопротивлению в приборе Ф4106 блока контроля сопротивления изоляции для различных режимов работы скважины. Меньшей температурной уставке в термореле () соответствует большее значение уставки по сопротивлению в приборе Ф4106 ( кОм), а большему значению температурной уставки (t2 110°C) соответствует меньшее значение сопротивления уставки Ф4106 ( кОм).

Тепловая защита погружного электродвигателя осуществляется следующим образом. Перед началом вывода скважины на режим оператор ставит переключатель 11 прибора Ф4106 в блоке 9 контроля сопротивления изоляции в положение I, определяя тем самым величину уставки по сопротивлению в 50 кОм. После этого включается погружной электродвигатель и начинается процесс откачки технологической жидкости из скважины. Ввиду значительной плотности этой жидкости и большого давления ее столба на приеме насоса погружной электродвигатель работает с перегрузкой. В результате начинает повышаться температура статорной обмотки 3. Когда она достигнет значения , термореле 1 срабатывает по первой температурной уставке и подключает к средней точке статорной обмотки 3 с помощью переключателя 2 резистор 14 номиналом в 50 кОм. Так как сопротивление резистора 14 равняется сопротивлению уставки в Ф4106 блока 9 контроля сопротивления изоляции, то последний выдает сигнал нарушения сопротивления изоляции электрической цепи погружного электродвигателя и блок 8 управления электродвигателем с помощью контактора 10 отключает питающее напряжение.

Начинается процесс охлаждения двигателя. При снижении температуры статорной обмотки 3 ниже уровня термореле срабатывает и возвращает переключатель 2 в исходное положение, отсоединив от средней точки статорной обмотки резистор 14. Сопротивление цепи на входе блока 9 контроля сопротивления изоляции возрастает до первоначального значения, и последний через блок 8 и контактор 10 вновь подает напряжение питания на электродвигатель. Начинается следующий цикл откачки очередной порции технологической жидкости из скважины.

После удаления всей технологической жидкости в результате нескольких таких циклов работы двигателя при уставке оператор в процессе откачки в приборе Ф4106 ставит переключатель 11 в положение И, определяя тем самым значение устэвки по сопротивлению в 30 кОм. Этим начинается период нормальной эксплуатации, которому соответствует температурная уставкаta-110°C.

Если в процессе дальнейшей эксплуатации возникает анормальная ситуация и начинается рост температуры статорной обмотки, то вначале она достигает значения первой уставки по температуре . Термореле срабатывает и подключает к средней точке статорной обмотки резистор 14 с сопротивлением 50 кОм. Но это не ведет к отключению электродвигателя, так как величина сопротивления резистора 14 больше величины сопротивления уставки для этого режима, задаваемой номиналом резистора 13 в 30 кОм. Тем самым рост температуры статорной обмотки продолжается. По достижении ею уровня второй уставки t2 110°C термореле переводит переключатель 2 в положение II, подсоединив к средней точке статорной обмотки 3 резистор 15 с номиналом в 30 кОм. Это вызывает появление сигнала с блока 9 контроля сопротивления изоляции на блок 8 управления электродвигателем и далее на контактор 10, обеспечивающего .отключение питающего напряжения, Дальнейший рост температуры прекращается и статор- ная обмотка начинает остывать. При снижении температуры ниже отметки второй уставки t2 110°C термореле переключает переключатель 2 в положение I, подсоединив к средней точке резистор 14 в 50 кОм. Так как величина сопротивления в цепи жила силового кабеля 4 - земля становится больше сопротивления уставки в 30 кОм, то блок 9 контроля сопротивления изоляции дает команду на включение двигателя.

Следовательно, использование двух температурных уставок в термореле, обеспечивающем контроль теплового режима статорной обмотки, позволяет создать щадящий режим работы погружного электродвигателя на стадии пуска и вывода скважины на режим. Применяемая в настоящее время защита двигателя только по одной уставке температуры именно на этой стадии его работы приводит к значительному ухудшению качества изоляции и досрочному выходу двигателя из строя.

Сохранение КПД погружного электродвигателя достаточно большим в процессе дальнейшей эксплуатации обеспечивается большим значением температурнойуставки в термореле для этого второго режима.

Ня фиг.2 приведена схема устройства. реализующего предлагаемый способ тепловой защиты погружного электродвигателя. Термореле 1 расположено в погружном 5 электродвигателе в непосредственной близости от статорной обмотки 3 и выполнено в виде ферромагнитного металлического тела 16, расположенного в катушке 17 и удерживаемого от падения с помощью двух

0 термочувствительных элементов 18 и 19, например биметаллических пластин, настроенных на разные уровни температуры срабатывания. По ходу движения тела 16 при падении вниз расположены контактный

5 вывод средней точки 0 и контактные выводы 20, 21, соединенные с резисторами 14 и 15, другие выводы которых через резистор 22 подключены к корпусу электродвигателя, Параллельно резистору 22 включены диод

0 23 и конденсатор 24, шунтируемый цепочкой из порогового элемента 25, например динистора, и катушки 17.

На поверхности к имеющейся уже аппаратуре в составе комплектной трансформа5 торной подстанции погружных насосов типа КТП ПН добавляются некоторые устройства,

К полюсам источника 26 постоянного напряжения подключено электромагнитное

0 реле 27 через аналоговый ключ 28. Контакты этого реле выполняют все необходимые переключения в процессе работы устройства тепловой защиты. Нормально замкнутый контакт 27.1 подает напряжение отрица5 тельной полярности с блока 9 контроля сопротивления изоляции на среднюю точку вторичной обмотки 5 силового трансформатора 6. Напряжение положительности полярности источника 26 через нормально

0 разомкнутый контакт 27,2 подключено к той же средней точке вторичной обмотки 5. 1а пряжение отрицательной полярности источника 26 через разомкнутый контакт 27.3 подсоединено к диоду 29, резистору 30 и

5 далее на землю, причем сигнал с резистора 30 подсоединяется к усилителю 31, нагрузкой которого является второе электромагнитное реле 32.

Реле 33 времени, включаемое в работу

0 нормально замкнутым контактом 8.1 блока 8 управления электродвигателем, своим выходом подсоединено к первому входу логического элемента 34 функции И. Счетчик 35, включаемый в работу нормально разомкну5 тым контактом 8.2 блока 8 управления элек- . тродви.гатёлем, выходом подключен к второму входу логического элемента 34. Выходе последнего подан на вход аналогового ключа 28. Кнопка 36, лампочки 37 и 38 обеспечивают местную индикацию. Второе реле

39 времени включено между выходом блока 9 контроля сопротивления изоляции и входом блока 8 управления электродвигателем.

Устройство работает следующим обра-. зрм,

Перед включением погружного электродвигателя в работу после проведенного подземного ремонта скважины переключатель 11 в приборе Ф4106 блока 9 контроля сопротивления изоляции ставится в положение I, определяя тем самым величину устарей прибора CD4106 в 50 кОм. Затем включается двигатель и начинается процесс откачка -хнологической жидкости. В активной части статорной обмотки первоначально устанавливается температура около 70-80°С. Блок 9 контроля сопротивления изоляции измеряет сопротивление изоляции всей электрической цепи электродвигателе, подавая на нулевую точку статорной обмотки 5. трансформатора 6 напряжение отрицагельной полярности. .Ферромагнитное металлическое тело 16 поднято-введх и удерживается двумя термочувствительными элементами 18 и 19, в качестве которых можно использовать, например, биметаллические пластины, настроенные на разные уровни срабатывания по температуре.

Ввиду перегрузки электродвигателя на этой стадии работы температура статорной обмотки 3 начинаетловышаться. Нагревающееся масло внутри электродвигателя обеспечивает рост температуры термочув тви- тельных элементов. По достижении ek) значения первой температурной уставай, например , термочувствительный элемент 18, отклоняясь с ростом температуры, выходит из зацепления с ферромагнитным металлическим телом 16, и последнее падает на расстояние, определяемое длиной канавки 40, до зацепления ее края с термочувствительным элементом 19. При этом тело 16 перемыкает контакты 0 и 20, подсоединяя среднюю точку статорной обмотки через резисторы 14 и 22 к корпусу электродвигателя. Сумма номиналов резисторов 14 и 22 равняется значению сопротивления уставки, т.е. 50 кОм. Поэтому блок

9 контроля сопротивления изоляций фиксирует уменьшение сопротивления внешней цепи до величины уставки и управляющим сигналом через реле 39 времени на блок 8 управления электродвигателем и контактор

10 отключает питающее напряжение от си- ловог трансформатора 6. Начнется процесс остыаания электродвигателя.

Контакт 8.1 блока 8 управления электродвигателем при этом замыкает цепь питания реле 33 времени. Последнее начинает . вырабатывать электрические сигналы, поступающие на первый вход логического элемента 34 функции И через определенные интервалы времени, например в 30 мин. На втором входе логического элемента 34 в это

время поддерживается высокий потенциал с выхода счетчика 35. Поэтому импульс с реле 33 через элемент 34 поступает на вход аналогового ключа 28, вызывая резкое уменьшение его переходного сопротивле-.

0 ния. Включается реле 27. Контакт 27.1 при этом отключает блок 9 контроля сопротивления изоляции от средней точки вторичной обмотки. Контакт 27.2 подключает выходную клемму источника 26 питания - клемму

5 положительной полярности к средней точке вторичной обмотки 5, а контакт27.3 подключает выходную клемму источника 26 отрицательной полярности через катод диода 29 и резистор 30 к земле. Возникает следую0 щая цепь прохождения электрического тока источника 26: положительный вывод - контакт 27.2 - обмотка 5 - силовой кабель 4 - статорная обмотка 3 - клемма 0 - ферромагнитное металлическое тело 16 - клемма 20 5 резисторы 14 и 22 - земля - резистор 30 - диод 29 - контакт 27.3 - отрицательный вывод источника 26. Протекающий по резистору 22 электрический ток создает падение напряжения, которое через диод 23 начина0 ет заряжать конденсатор 24. Когда потенциал на конденсаторе 24 достигнет напряжения включения порогового элемента 25, по катушке 17 потечет ток, который втягивает в катушку подвижный элемент 16.

5 Соединение средней точки статорной обмотки 3 с землей будет отключено, сопро- тивление на входе блока 9 контроля сопротивления изоляции восстанавливается до прежней величины, большей величины

0 уставки в 50 кОм. Поэтому блок 9 подает на второе реле 39 времени сигнал о включении через блок 8 контактора 10. Реле 39 времени работает с выдержкой в 2-3 мин.

Если до первого импульса с реле 33 вре5 мени на включение реле 27 электродвигатель, остывая, не достиг еще температуры, меньшей первой уставки в , то поднятое ферромагнитное металлическое тело 16 не удерживается в верхнем положении

0 термочувствительным элементом 18, и по окончании импульса с реле 33 аналоговый ключ 28 закрывается, реле 27 отключается, контакты 27.2 и 27.3 разрывают цепь прохождения тока, катушка 17 обесточивается

5 и ферромагнитное металлическое тело падает, вновь перемыкая клеммы 0 и 20. При этом блок 9 контроля сопротивления изоляции снимает сигнал с второго реле 39 времени на включение контактора 10 и ложного включения двигателя не происходит.

Местная индикация температурного режима погружного электродвигателя реализуется следующим образом. В моменты срабатывания реле 27 или от включения аналогового ключа 28, или от нажатия кнопки 36 включения выделяющийся на резисторе 30 сигнал усиливается усилителем 31 и вызывает срабатывание второго электромагнитного реле 32. При этом кратковременно загорается лампочка 37 индикации. Но так как под действием тока в катушке 17 ферромагнитное металлическое тело 16 поднимается и разрывает цепь контакта 0 - контакт 20, то кратковременное горение лампочки 37 сменяется длительным горением лампочки 38. Такое сочетание их горения указывает ка нарушение температурного режима. Если происходит нарушение изоляции электрической цепи погружного электродвигателя, то длительное свечение лампочки 37 в течение всего времени включения реле 27 идентифицирует эту неисправность.

Таким образом, последовательность импульсов с первого реле 33 времени через каждые полчаса проверяет степень охлаждения статорной обмотки электродвигателя. Если ее температура опустится ниже значения уставки , то биметаллическая пластина 18 при очередном подъеме катушкой 17 ферромагнитного металлического тела 16 входит с ним в зацепление и удерживает его в верхнем положении при прекращении импульса с первого реле 33 времени. Блок 9 контроля сопротивления изоляции выдает сигнал на второе реле времени, и с задержкой в 2-3 мин он поступает на блок 8 управления электродвигателем, который сигналом на контактор 10 включает погружной электродвигатель в работу.

В результате нескольких таких циклов работы погружного электродвигателя при температурной уставке вся технологическая жидкость из скважины будет удалена. На этом заканчивается режим авода скважины в работу. Количество циклов фиксируется счетчиком 35.

Перед началом нормальной эксплуатации при работающем погружном электродвигателе переключатель 11 прибора Ф4106 в блоке контроля 9 сопротивления изоляции ставится в положение II. Сопротивление уставки становится меньше, равно, например, 30 кОм. Если теперь в процессе работы погружного электродвигателя возникает анормальная ситуация, сопровождаемая ростом температуры статорной обмотки, то отклонение биметаллической пластины 18 и выход ее из зацепления с ферромагнитным металлическим

телом 16 ведут к опусканию последнего на длину канавки 40 и замыканию контактов 0-20. Дальнейшему падению тела 16 препятствует зацепление ее с пластиной 19. При 5 этом средняя точка статорной обмотки 3 оказывается соединенной с землей через резисторы 14 и 22, суммарное сопротивление которых равно 50 кОм. Так как эта величина больше сопротивления уставки в (

0 Ф4106, то блок 9 контроля сопротивления изоляции не реагирует на реакцию термореле на первую температурную уставку. Рост температуры статорной обмоток продолжается, (огда она достигнет второй уставки

5 t2 110°C, то биметаллическая пластина 19, отклонившись, выходит из зацепления с ферромагнитным металлическим телом 16. Последнее падает ниже и замыкает клеммы 0-21. Теперь средняя точка оказывается со-1

0 единенной с землей через резисторы 15 и 22, суммарное сопротивление которых равно 30 кОм, т.е. равно сопротивлению уставки в Ф4106. Это ведет к срабатыванию блока 9 контроля сопротивления изоляции.

5 Через некоторое время, определяемое задержкой в реле 39 времени, этот сигнал по- ступает в блок 8 управления электродвигателем, который с помощью контактора 10 отключает погружной элект0 родвигатель.

Начинается процесс остывания электродвигателя. В ходе его по аналогии с процессом остывания, рассмотренным выше; включенное контактом 8.1 реле 33 времени

5 каждые полчаса проверяет степень охлаждения электродвигателя, включая аналоговый ключ 28 и реле 27. Если его температура остается равной или больше отметки t2 110°C, то биметаллическая пластина 19

0 не входит в зацепление с ферромагнитным металлическим телом 16 в моменты подъема последнего в верхнее положение при прохождении тока источника 26 по катушке 17, Происходит периодическое размыкание и

5 замыкание связи средней точки статорной обмотки с землей по цепи контакт 0 - . .. ферромагнитное металлическое тело 16 - земля. Все это сопровождается посылкой блоком 9 контроля сопротивления изоляции

0 сигналов на блок 8 управления электродвигателем, подтверждающими отключение электродвигателя. Наконец, при снижении текущей температуры статорной обмотки 3 . до значения очередной импульс с ре-

5 ле 33 времени приводит к фиксации ферромагнитного металлического тела в верхнем положении с помощью биметаллической пластины 19. Сопротивление в цепи прохождения электрического тока блока 9 контроля сопротивления изоляции становится

равным 50 кОм, так как зафиксированное только с помощью биметаллической пластины 19 ферромагнитное металлическое тело 16 соединяет контакты 0-20. Но это сопротивление больше сопротивления уставки в Ф4106, поэтому блок 9 контроля сопротивления изоляции через блок 8 управления электродвигателем и контактор 10 включает питание погружного электродвигателя.

Местная индикация причины отключе- ния погружного электродвигателя то ли из- за нарушения температурного режима, то ли вследствие пробоя изоляции проводится аналогично рассмотренному выше.

Каждое включение электродвигателя фиксируется счетчиком 35. Если количество импульсов превысит допустимое значение, то счетчик 35 выдает нулевой потенциал на второй вход логического элемента 34, который запрещает все дальнейшие пуски погружного электродвигателя до выявления обслуживающим персоналом причины частых включений. Для последующей работы погружного электродвигателя необходимо сбросить в ноль показания счетчика 35.

Анализ работы установок электроцентробежных насосов УЭЦН показывает высокую эффективность применения устройств . для тепловой защиты погружного электродвигателя в нефтяной промышленности.

Ф о р м улаизобретения

Способ тепловой защиты погружного электродвигателя глубиннонасосной установки нефтяной скважины, при котором контролируют температуру статорной об- мотки и сопротивления изоляции электрической цепи погружного электродвигателя и отключают питающее напряжение при достижении этими параметрами предельно допустимых значений, отличающийся

тем, что, с целью повышения эффективности защиты и предупреждения снижения изоляционных свойств статорной обмотки при выводе нефтяной скважины на режим в процессе откачки технологической жидкости после подземного ремонта, контролируют температуру статорной обмотки в зависимости от режима работы нефтяной скважины по одной из двух уставок - меньшей - для периода вывода нефтяной скважины на режим после подземного ремонта и большей - для периода эксплуатации скважины, при этом при возникновении анормального состояния и росте температуры статорной обмотки за величину уставки производят подключение между средней точкой статорной обмотки и корпусом электродвигателя одного из резисторов, число которых определяют количеством температурных уставок, номиналы которых соответственно равны номиналам уставок контролируемых резисторов блока контроля сопротивления изоляции на поверхности и больше или равны минимально допустимому значению сопротивления изоляции электрической цепи погружного электродвигателя, сопротивление для меньшей температурной уставки выбирают по большей величине номинала резистора уставки блока контроля сопротивления изоляции, при достижении которой отключают электродвигатель, а при снижении температуры , статорной обмотки отключенного электродвигателя в процессе остывания ниже уровня выбранной уставки, которую задают на поверхности подбором номинала сопротивления из имеющегося ряда уставок резисторов блока контроля сопротивления изоляции, автоматически включают питающее электродвигатель напряжение.

Использование: область защиты по- гружных электродвигателей в нефтяной промышленности для тепловой защиты установок ЭЦН. Сущность изобретения: введение двух температурных уставок для различных режимов работы двигателя, устанавливаемых переключателем в электронной аппаратуре на поверхности. Для режима пуска скважины после подземного ремонта определяется меньшая величина температурной уставки. Термореле в по- гружном электродвигателе, содержащее два термочувствительных элемента на разные пределы срабатывания, по достижении температурой окружающей среды значений уставок подключает к средней точке статорной обмотки сопротивления различных номиналов. Эти изменения фиксируются аппаратурой на поверхности, определяя тем самым температурный режим работающего электродвигателя. 2 ил. ел С