Устройство для тепловой защиты погружного электродвигателя

 

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6ЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ flATEHTHOE

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.1 (21) 4878594/07 (22) 29.10.90 (46) 07.02,93. Бюл. М 5 (71) Самарский политехнический институт им. В.В.Куйбышева и Самарский архитектурно-строительный институт (72) В.О. Кричке, B,Ï. Золотов и B,С. Семенов (56) 1. Кричке В.О. Глубинный стационарнйй манометр-термометр для установки ЭЦН.

Известия вузов "Нефть и газ", М 2, 1988.

2, Авторское свидетельство СССР

N 1292098, кл. Н 02 Н 7/08, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР

N. 1741219, кл. Н 02 Н 7/08. 1990. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

1 f. П 1793509 А1

<я)з Н 02 Н 5/04, 7/08. F 04 В 47/08

2 (57) Использование: электротехника, для . защиты погружных электродвигателей от аномальных режимов, а частности, при пе- " регревах статорных 06M0T0k погружных . электродвигателей в нефтяных скважинах., Сущность изобретения: в ripo4ecce откачки продукции нефтяной скважины на первичную обмотку трансформатора 14 подано напряжение включением контактора 15. В активной части статорной обмотки 2 уста: навливается рабочая температура около 8090 С. Блок 12 контроля изоляции измеряет сопротиеление изоляции всей электрической цепй электродвигателя, подавая на ну:левую точку вторичной обмотки 16 трансформатора 14 напряжение отрица- ф тельной полярности; Диод 4 и пороговый элемент 5 не пропустят это напряжение йа

Г 7) 1793509 чение 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. катушку 7, Подвижный элемент 8 термореле

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 статорной обмотки, то с некоторым запаздыванием будет повышаться и температура масла в двигателе. Масло обеспечит увелиИзобретенйе относится к электротехни- Искусственное замыкание нейтральной точке и предназначено для защиты погружных ки обмотки статора на землю при наличии

" электродвигателей от анормальных режи- неизбежного перекоса фаз вызовет .также мов; в частности при перегревах статорных: - протекание через коммутационное устройобмоток погружных электродвигателей в 5 ство тока частоты 50 Гц достаточно большой нефтяных скважинах, оборудованных элек.- величины, что скажется на надежности его троцентробежными насосами. работы. Кроме того, этот способ применим

Известны устро ства для косвенной за= в электрических сетях с глухозаземленной щиты погру>кных электродвигателей от пе- нейтралью. Для сетей с изолированной нейрегрева, в которых ci тепловом режиме 10 тралью, например в нефтяной промышленэлектродвигателя судят по величине рабо- ности, он не применим. чего тока, определяемого на поверхности. : В устройстве обеспечивается повышеОднако при выводе,ефтяной скважины на ниенадежности защиты двигателя путемза режим после подземного ремонта погруж- . щиты от недогрузки с помощью контроля ной электродвигатель неизбежно некоторое 15 давления в полости двигателя, изменяющевремя работает с перегрузкой в процессе гося в функции давления жидкости в скваоткачки технологичес. ой жидкости, тепло- жине, введенйем датчика давления, блока вое воздействие кото1 ой йа изоляцию алек- . контроля давления в дополнении с некотрических цепей двигателя трудно оценить торыми другими элементами. Но констпо величине тока, Кроме того, не во всех 20 руктивное исполнение этого устройства случаях перегрев обмоток связан с превы- недостаточно сложно, что может уменьшить шением рабочим тбксм номинального зна- надежность его работы. чения, как, например, при возникновении Известна такжетермоманометрическая дополнительйых механических трений в система ТМС, предназначенная для контроэлектродвигателе. 25 ля давления и температуры в погружном

Известны также с1особ защить1 трех- электродвигателе. Но эта система предназфазного электродвигателя от аварийных начена для исследовательских скважин, режимов и устройство,цля защиты погруж- обеспечивающих контроль процесса разра— ногозлектродвигателяотанормальных ре- ботки нефтяного месторождения. Примежимов. В йервом случ-е после выявления 30 нять ее для эксплуатационных скважин возникновения авари >ных режимов авто- ввиду значительной стоимости и техничематически производят искусственное за- ской сложности нецелесообразно. Кроме мыкание на землю ейтральной точки того,большиегабаритыскважинногопреобобмотки статора, фиксируют появившийся рэзователя давления и температуры припри этом ток нулевой последовательности 35 водят к необходимости монтажа его в утроенной частотьг; пс налйчию которого отстойнике электродвигателя, температур: производят отключени трехфазного элект- ный режим которого отличается от режима родвигателя от питающей сети, Недостат- статорных обмоток, где и происходит выдеком устройства по этоь::у способу является ление тепла в процессе работы двигателя. необходимость введения контактов контак- 40 Наиболее близким по технической сущтора в цепь силового к, беля электродвига- ности является устройство для тепловой зателя от вторичной о iMQTKH питающего щиты погружного электродвигателя. В нем трансформатора. Комм тация токов боль-, с целью повышения эффективности защиты шой величины (десятки чпер) существенно и упрощения конструкции термочувствиуменьшает надежность;1аботы устройства, 4! тельный элемент выполнен в виде термо 1793509 контакта, 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 5 корпусом, при этом к входу блока контроля сопротивления изоляции через вновь введенный разделительный конденсатор подключены вновь введенные соединенные последовательно генератор электрических 10 сигналов повышенной частоты и блок контл роля тока, выход которого соединен со схемой индикации и с другим входом блока управления электродвигателем.

Размещаемая в погружном электро- 15 двигателе глубинная часть этого устройства отличается простотой, что положительно сказывается на надежности защиты электродвигателя. При этом термоконтакт монтируется в нижней части статорной обмотки, а 20 конденсатор выносится в зону отстойника, так как габариты его оказываются достаточно большими ввиду необходимости обеспечения защиты от внешнего давления.

Недостатками устройства являются: 25

1. Ограничения на глубину погружения электродвигателя, так как это сопровождается ростом паразитной емкости силового кабеля гю отношению к "земле", значительно уменьшающей чувствительность. ЗО

2-, Ухудшение работы устройства при перекосах фаз питающего электродвигатель напряжения ввиду неравенства при этом нулю потенциала средней точки вторичной обмотки силового трансформатора. 35

3. Необходимость тщательной защиты генератора повышенной частоты и блока контроля тока от неизбежных на промыслах промышленных помех работающего электрооборудования, 40

4. Ограничения на уменьшение длины зазора между контактами термореле, что затрудняет проверку изоляции статорной обмотки погружного электродвигателя после капремонта испытательным напряже- 45 нием в 3000 В и последующие проверки состояния изоляции системы вторичная обмотка силового трансформатора — силовой кабель — статорная обмотка электродвигателя напряжением мегомметра в 2500 В. 50

Цель изобретения — повышение эффективности защиты и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что термореле выполнено в виде ферромагнитного металлического тела, размещенного во 5 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 электродвигателя. Термореле 1 через резистор 3 подключено к нулевой точке статорной обмотки 2, а второй вывод термореле соединен с корпусом электродвигателя, Па1793509

25

55 раллельно 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 нефтяйых скважинах помимо другой аппаратуры имеются блок контроля изоляции на базе прибора Ф4106 и блок управления электродвигателя 13 (блок управления БРГ01-В1ЧХЛ2. Гехническое 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 напряжеНМе от источнйка постоянного напряжения

20 противоположной по отношению к электрическому напряжению с блока контроля изоляции 12 полярности.

Электрическйй ток от источника посто янного напряжения 20, проходя через "землю", резистор 21, второй диод 22 и замыкающий контакт 173 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 нефтяной 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 контроля изоляции 12 измеряет сопротивление изоляции всей электрической цепи электродвигателя, подавая на нулевую точку вторичной обмотки 16 трансформатора

14 напряжение отрицательной полярности.

Диод 4 и пороговый элемент 5 не пропустят это напряжение на катушку 7. Подвижный элемент 8 термореле поднят вверх и зафиксирован термочувствительн ым элементов 9.

Контакты 10 термореле 1 разомкнуты.

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 обеспечит увеличение температуры термочувствительного элемента 9 термореле 1. При достижении температурой некоторого заданного предела, например в 120 + 5ОС, термочувствитепьный элемент 9, отклонившись, освободит подвижный элемент

8, который упадет вниз и перемкнет неподвижные контакты 10 терморепе.

Срабатывание термореле 1 приведет к резкомууменьшению сопротивления изоляции электрической цепи установки УЭЦН

Блок контроля изоляции 12 командой на блок управления электродвигателем 13 и контактор 15 отключит напряжение от трансформатора 14, предохраняя тем самым погружной электродвигатель от пере- - грева, По линии " телемеханики на диспетчерский пункт поступит сигнал отключения скважины.

В процессе остывания масла в неработающем электродвигателе термочувствительный элемент 9 возвратится в исходное состояние, Поэтому, когда дежурный оператор придет на установку для выяснения причины отключения скважины, то при нажатии 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 полярности от источника постоянного напряжения 20. По цепи силовой кабель 18— резистор 3 — терморепе 1 — "земля" — резистор 21 — диод 22 — замкнутый контакт 17.3 — клемма отрицательного полюса источника постоянного напряжения 20 потечет элект1793509

10 рический 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 свидетельствует о 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, Соединеwe 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 под. ключит 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 че. рез контактор 15 подаст напряжение на силовой трансформатор.

В случае нарушения сопротивления изоляции электрической цепи без отклонения 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 тем20

30

45 вижные контакты 10, которые выполнены в виде двух неэлектропроводных сосудов, за50 полненных сплавом металлов, имеющим

15 пературного 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 маслонаполненном погруженном электродвигателе предъявляет к нему определенные требования. Главное из них — надежность электрического контакта цепей при срабатывании термореле. Большое статическое давление в двигателе и наличие масляной 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 соеди- нения. 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 неподтемпературу плавления ниже рабочей температуры масла в двигателе, например, сплав Вуда. 3а счет веса подвижного элемента 8 выводы 27 погружаются в жидкий металл, обеспечивая хороший электрический контакт, 1Т93509

9 7

Составител В. Золотов

Редактор Л. Волкова Техред M. Моргентал Корректор E. Папп

Заказ 508 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

11 п"" ""-сква, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, yn,Гагарина, 101

Формула изобретения

1. Устройство для тепловой защиты погружного электродвигателя, содержащее термореле, 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 которбто включены в цепь отключения электродвигателя, отл и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения надежности защиты и упрощенйя конструкции, термореле выполйено в аиде ферромагнитного металлического тела. размещенного во вновь введенной катушке и удерживаемого от падения зацеплением с термочувствительным элементом, дополнительно введены диоды, конденсатор; порбговый элемент, источник постоянного напряжения, усилитель, электромагнитные реле, резистор, кнбпка вклю чения, лампочки индикации, прй этом первый диод айодом подсоединен к второму вывбду резистора, катодом подключен к аноду порогового элемента, катод которого соединен с одним концом катушки термореле, другой конец которой соединен с пер вым 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

1 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 ко-торого включено второе электромагнитное реле, при этбм 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 котбрых предназначены для подключения к заземлению, 2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что неподвижные контакты термореле выполнены в виде двух неэлектропроводных сосудов, заполненных сплавом металлов, имеющим температуру плавления ниже рабочей температуры масла в погружном электродвигателе.