Устройство для защиты погружного электродвигателя от анормальных режимов работы

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к релейной защите . Цель изобретения - повышение надежности защиты двигателя путем защиты от недогрузки с помощью контроля давления в полости двигателя« изменяющегося в функции давления жидкости в скважине. При подключении установки ДЛЯ; добычи жирдсости из скважины электронасосом к силовой сети получают питание оперативные источники питания 18 и 22, а включение с помощью линейного контактора 16 Q Ф 3 (Л С .г

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (ц 4 Н 02 Н 7/08

13 ., „131

ВСРГР!".154 й

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СОИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3897929/24-07 (22) 20.05.85 (46) 23.02.87. Бюл. Ф 7. (71 ) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро по погружному электрооборудованию для бурения скважин и добычи нефти Всесоюзного научно-производственного объединения "Потенциал" (72) Н.Н. Гринченко,. А.М. Гребень и В.А. Шевелев (53) 621.925.316 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 680103, кл. Н 02 Н 7/08, 1977.

Авторское свидетельство СССР

У 982139, кл. Н 02 Н 7/08, 1981.

„„SU, 1292098 А 1 (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ АНОРМАЛЬНЫХ

РЕЖИМОВ РАБОТЫ (57) Изобр".тение относитея к электротехнике, в частности к релейной saщите. Цель изобретения — повышение надежности защиты двигателя путем защиты от недогрузки с помощью контроля давления в полости двигателя, изменяющегося в функции давления жидкости в скважине. При подключении установки для добычи жидкости из скважины электронасосом к силовой се ти получают питание оперативные источники питания 18 и 22, а включение с помощью линейного контактора 16

1292098 погружного электродвигателя производится после проведения блоком 14 кон- троля изоляции, блоком 24 контроля температуры и блоком 26 контроля давления проверки соответствия контролируемых параметров заданным значениям. При большом давлении в полости маслонаполненного электродвигателя стабилизированные по величине отрицательные импульсы тока в цепи кон троля давления проходят через сопро1

Изобретение относится к электро, технике, в частности к устройствам для защиты от анормальных режимов погружных электродвигателей, работающих в приводе насосов для добычи жидкости (нефти и воды) из скважин.

Целью изобретения является повыдение надежности защиты электродвигателя путем защиты от недогрузки с, помощью контроля давления в полости двигателя, изменяющегося в функции давления жидкости в скважине.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема, предлагаемого устройства; на фиг. 2 — встроенного в погружной маслонаполненный электродвигатель датчик давления устройства, общий вид; на фиг. 3 — временная диаграмма работы устройства, где

0 „ — напряжения, I — токи на соот1 ветствующих- элементах.

Устройство для защиты погружно,го электродвигателя от анормальных режимов работы содержит датчик I температур, установленный на лобовых частях обмотки 2 статора погружного маслонаполненного электродвигателя.

Датчик 1 температуры через диод 3 подключен к нулевой точке обмотки 2 и заземлен через разъем 4, подвижный контакт которого соединен с пробкой устанавливаемой в корпусе электродвигателя.

Датчик 1 температуры может быть выполнен в виде термосопротивления или термореле, контакты которого замыкаются при темйературе обмотки 2 статора выше допустимого значения. тивление 29 блока 26 контроля дав— ления, открывается четвертый управляемый ключ 30, срабатывает формирователь 31 и запускается счетчик импульсов 28, . сигнал с которого поступает на узел индикации и дешифратор, к которому подключено исполнительное реле, контакты которого включены в цепь IS отключения электродвигателя. 3 з, и. ф -лы, 3 ил.

К обмотке 2 через диод 3 и через пороговый элемент 5, который выполнен, например, на тиристоре, управляющий электрод которого через стабилитрон соединен с его анодом, подключен датчик 6 давления, установленный внутри маслонаполненного электродвигателя и соединенный с заземленным его корпусом через разь-!

О ем 4. Датчик 6 давления выполнен в виде двух маслонанолненных гидроцилиндров 7 и 8, на поршнях которых установлены толкатели 9 и 10 соответственно. На подпоршневой части гидроцилиндра 8 размещен нагреватель

11. В датчике 6 давления пружина !2 прижимает к толкателю 10 корпус, а к толкателю 9 - кнопку кнопочного нажимного с самовозвратом выключателя 13. Нагреватель 11 через разъем

4 соединен с заземленным корпусом электродвигателя и через выключатель 13 — с пороговым элементом 5.

Цепь контроля иволяции содержит блок 14 контроля изоляции, выходные контакты которого включены в цепь 15

1отключения электродвигателя с помощью линейного контактора 16, обмотЗО ка 17 которого через контакты цепи отключения подключена к первому оперативному источнику 18 питания.

Блок 14 контроля изоляции присоединен одним выводом через фильтр 19 к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора 20, а вторым выводом через первый ключ 21, выполненный, например, в виде диода, при1292098 соединен к первому выходу второго оперативного источника 22 питания, содержащего стабилизатор 23 тока, выход которого служит вторым стабилизированным по току выходом второго 5 оперативного источника 22 питания.

Блок 14 контроля изоляции содержит измерительный прибор (мегаомметр) и исполнительное реле для отключения погружного электродвигателя при понижении сопротивления изоляции до установленного значения (не показано).

Цепь контроля температуры содержит блок 24 контроля температуры, который подключен к общей точке фильтра 19 и блока 14 контроля изоляции, а также через второй управляемый ключ 25, представляющий собой, например, тиристор, — к общей точ — 20 ке ключа 21 и первого выхода второго оперативного источника 22. Блок

24 контроля температуры содержит исполнительное реле для отключения погружного электродвигателя при повьппении температуры его обмотки 2 статора до предельно допустимого значения (не показано). Контакты этого реле являются выходными контактами блока 24 контроля температуры и включены в цепь 15 отключения электродвигателя.

Цепь контроля давления содержит . блок 26 контроля давления, который одним выводом через третий управляемый ключ 27, например .тиристор, подключен к общей точке фильтра 19 и блока 14 контроля изоляции, а вторым выводом подключен к второму стабилизированному по току выходу второго оперативного источника 22. Стабилизатор 23 тока подключен к одному выводу вторичной обмотки трансформатора второго оперативного источника 22 : 45 питания, другой вывод которой заземлен, а ее промежуточный вывод является первым выходом второго оперативного источника 22 питания.

Блок 26 контроля давления содержит счетчик 28 электрической энергии, снабженный узлом индикации и дешифратором для подключения исполнительного реле (не показано), контакты которого являются выходными контактами блока 26 и включены в цепи 15 отключения электродвигателя. При минимальном значении давления в полости погружного маслонаполненного электродвигателя выходные контакты блока 26 контроля давления обеспечивают отключение электродвигателя и включают

его при достижении заданного значения давления. Блок 26 контроля давления содержит также чувствительный элемент 29 тока, например сопротив\ ление, выводы которого служат выводами блока контроля давления, и к которому через четвертый управляемый ключ 30, например тиристор, и формирователь 31 импульсов подключен счетный вход счетчика 28, имеющий также установочный вход.

Блок 32 управления ключами содержит введенные пятый управляемый (ти- . ристорный) ключ 33 и шестой, аналогичный пятому, ключ 34, одни выводы которых являются выходами блока 32 управления, а вторые выводы подключены к заземленному выводу второго оперативного источника 22 питания, а также содержит мультивнбратор 35, вход которого служит входом блока 32 управления и подключен к первому оперативному источнику 18 питания. Управляющий вход шестого управляемого ключа 34 соединен с пятым управлемым ключом 33, управляющий вход которого соединен с выходом мультивибратора

35, к которому подключен также установочный вход счетчика 28 блока 26 контроля давления.

Второй ключ 25 в цепи блока 24 контроля температуры и третий ключ

27 в цепи блока 26 контроля давления включены согласно с диодом 3, к которому подсоединены цепи датчика 1 температуры, и через пороговый элемент S — цепи датчика 6 давления.

Первый ключ 21 в цепи блока 14 контроля изоляции включен встречно с диодом 3 и согласно вторым 25 и третьим 27 управляемыми ключами.

Такое включение диода 3 и первого ключа 21, а также управляемых второго 25 и третьего 27 ключей обеспечивает гальваническую развязку в цепях контроля изоляции и температуры с давлением. Включение цепей контроля температуры и давления раздельно во времени обеспечивается поочередным включением управляемых ключей 25 и

27 сигналами с выходов блока 32 управления. При контроле температуры измерительное напряжение имеет ту же полярность, что и при контроле давлением, однако величина этого наппя1?92098

25

55 жения недостаточна для срабатывания порогового элемента 5. Таким образом при контроле изоляции и температуры датчик 6 давления остается отключенным с помощью порогового элемента 5, который срабатывает только при отрицательном (фиг.1) измерительном напряжении, величина которого превьш(ает установленное значение.

Устройство работает следующим образом.

При подключении установки для добычи жидкости (нефти, воды) иэ скважины электронасосом к силовой сети первыми получают питание первый 18 и второй 22 оперативные источники питания, а включение с помощью линейного контактора 1б погружного электродвигателя производится после проведения блоком 14 контроля изоляции, блоком 24 контроля температуры и блоком 26 контроля давления проверки соответствия контролируемых параметров заданным значениям. Контроль сопротивления изоляции погружного электродвигателя осуществляется при положительной полярности напряжения на первом выходе второго оперативного источника 22. При этом измеритель- ный ток для контроля изоляции проходит по цепи: второй выход второго оперативного источника 22 питания— первый ключ 21 — рабочая рамка мегаомметра и обмотка исполнительного реле блока 14 контроля изоляции— фильтр 19 — нулевая. точка силового трансформатора 20 — сопротивление изоляции вторичной обмотки трансформатора 20, токоподвода и обмотки 2 погружного электродвигателя — разъем

4 — заземленный корпус электродвигателя и заземленный вывод второго оперативного источника 22 питания.

Через датчик 1 температуры и датчик

6 давления ток при этом не идет, так как диод 3 включен встречно положительной полярности измерительного тока в цепи контроля изоляции.

В цепи блоков 1 и 6 соответственно контроля температуры и давления ток . также не идет, так как полярные управляемые второй 25 и третий 27 ключи оказываются запертыми положительным напряжением с второго выхода второго оперативного источйика 22 питания.

При изменении полярности напряжения на выходе второго оперативного источника 22 питания на протинопо— ложную создается цепь для прохождения измерительного тока через блок

24 контроля температуры либо через блок 26 контроля давления в зависимости от того, какой иэ управляемых ключей 25 и 27 открыт в данный момент времени. Управляемые ключи 25 и 27 поочерецно открываются и пропускают измерительный ток отрицательной полярности при поступлении на соответствующий ключ управляющего сигнала с выхода блока 32 управления ключами. Необходимым условием рабо- . ты управляемых ключей 25 и 27 является совпадение во времени поступающих на эти ключи отрицательной полярности напряжения с выхода оперативного источника 22 питания и сигнала управления с выхода блока 32 управления ключами.

Этим достигается синхронизация воздействия на измерительные цепи устройства частоты управляющих сигналов с блока 32 управления ключами с частотой изменения полярности напряжения с выхода второго оперативного источника 22 питания. Частота изменения полярности напряжения на выходе источника 22 может быть соизмеримой (равной или несколько меньшей) или значительно меньшей (в ,сотни раэ) промышленной частоты силовой еети и определяется из условия минимального влияния силовой сети на измерительные цепи при заданной точности измерения, а также из условия простоты аппаратурной реализации устройства.

Исходя из этих условий, частота изменения полярности напряжения на выходе источника 22 питания устройства выбрана равной или несколько меньшей промышленной частоты силовой сети, а частота управляющих сигналов с блока 32 управления ключами в сотни раз меньшей. В блоке 32 управления ключами изменение частоты управляющих сигналов осуществляется с помощью несимметричного мультивибратора 35, который подключен к первому оперативному источнику 18 питания и генерирует импульсы, например, длительностью «0,5 мин с периодом повторения " 5 мин. Частота импульсов мультивибратора 35 устанавливается с учетом конкретных условий эксплуатации скважины. Сигнал с выхода ин1292098 франизкочастотного несимметричного л мультивибратора 35 открывает на л

5 мин пятый транзисторный ключ 33, Ф выход которого является одним из т двух выходов блока 32 управления клю- 5 р чами и в открытом состоянии разреша- ч ет прохождение измерительного тока з через второй управляемый ключ 25 в з блок 24 контроля температуры от пер- н вого выхода второго оперативного источника 22 питания при отрицатель- и ной полярности напряжения на этом ж выходе. При этом открытый пятый тран- п зисторный ключ 33 закорачивает цепь и управления шестого транзисторного р ключа 34, поддерживая его в закрытом . ц состоянии. Закрытый транзисторный в ключ 34, выход которого является п вторым выходом блока 32 управления т ключами, обеспечивает запертое сос- т тояние третьего управляемого ключа 1

27 на 5 мин, т.е. на время контро- м ля температуры. Положительный корот- т кий импульс с выхода мультивибрато- э ра 35 закрывает на 0,5 мин пятый в транзисторный ключ 33 и соответствен- е но закрывается на это же время вто- д рой управляемый ключ 25 в цепи кон- г троля температуры. Одновременно с П закрытием пятого транзисторного клю- в

Зо ча 33 открывается íà - 0 5 мин шес- н той транзисторный ключ 34 блока 32 к управления ключами, который в откры- н том состоянии разрешает прохождение . с измерительного тока через третий -З5 в управляемый ключ 27 и блок 26 конка троля давления, подключенный к второ- ег му стабилизированному по току выходу второго оперативного источника ме

22 питания при отрицательной поляр- из

40 ности напряжения на этом выходе. c

Хаким образом, блок 32 управления ключами открывает для прохождения измерительного тока от второго оперативного источника 22 питания при отрицательной полярности напряжения на его выходе поочередно втордй управляемый ключ 25 на 5 мин для контроля температуры и третий ключ управляемый 27 на "0,5 мин для контроля давления. Если открыт второй управляемый ключ 25, то при отрицательной полярности напряжения на выходе второго оперативного источника

22 питания протекает измерительный ток контроля температуры по цепи: ,первый выход второго оперативного источника 22 питания — второй управ.

8 яемый ключ 25 — исполнительное рее блока 24 контроля температуры— ильтр 19 — нулевая точка силового рансформатора 20 — обмотка 2 статоа электродвигателя — диод 3 — датик температуры — разъем 4 — заемленный корпус электродвигателя и аземленный вывод второго оператив-. ого источника 22 питания.

Если открыт третий ключ 27, то ри отрицательной полярности напряения на втором стабилизированном о току выходе второго оперативного сточника 22 питания протекает измеительный ток контроля давления по епи: второй стабилизированный выход торого оперативного источника 22 итания — чувствительный элемент 29 ока блока 26 контроля давления— ретий управляемый ключ 27 — фильтр

9 — нулевая точка силового трансфоратора 20 — обмотка 2 статора элекродвигателя — диод 3 — пороговый лемент 5 — выключатель 13 и нагреатель ll датчика 6 давления — разьм 4 — раземленный корпус электровигателя и заземленный вывод второо оперативного источника 22 питания. ороговый элемент 5 при этом открыается эа счет подачи на него сравительно большего значения, чем при онтроле температуры измерительного апряжения отрицательной полярности второго стабилизированного по току

ыхода второго оперативного источни22 питания при открывании треть-; о управляемого ключа 27, После включения порогового элента 5 напряжение, подаваемое на мерительную цепь контроля давления второго стабилизированного по току выхода второго оперативного источни-. ка 22 питания, скачкообразно уменьша4 ются до заданной величины которая

45 определяется заданным значением тока стабилизации источника 22 питания и величиной сопротивления нагревателя ,1l датчика 6 давления.

Сопротивление нагревателя 11 датчика 6 давления значительно меньше сопротивления датчика 1 температуры, а также значительно меньше минималь- но допустимого значения сопротивле55 ния изоляции электроустановки.

Стабилизированные по величине от,рицательные импульсы тока, проходя по цепи измерения давления, обеспе,чивают нагрев и увеличение объема

9 12 масла в гидроцилиндре 8, на котором установлен нагреватель 11 датчика б давления. В результате этого нагрева перемещается поршень гидроцилиндра 8 и через толкатель 10, сжимая пружину 12, удаляет выключатель

13 от толкателя 9, освобождая от нажатия этим толкателем 9 кнопку выключателя 13. При освобождении. кнопки выключателя 13 от нажатия толкателями контакты выключателя 13 размыкаются, прерывая ток в цепи контроля давления. При большем давлении в полости маслонаполненного электродвигателя требуется соответственно большее количество электроэнергии на перегрев относительно начальной температуры с помощью нагревателя

11 масла в гидроцилиндре 8 для пере мещения поршня с толкателем 10 до размыкания .контактов выключателя 13.

Стабилизированные по величине отрицательные импульсы тока в цепи кон.

1 троля давления проходят через чувствительный элемент 29 тока блока 26 контроля давления, создавая на нем импульсное падение напряжения, достатоное для открывания четвертого управляемого ключа 30, а также необходимое для срабатывания формирователя 31 и запуска по счетному входу счетчика 28 импульсов.

Число импульсов, пришедшее в счет чик 28 за время измерения давления, поступает в узел индикации для отображения результата измерения в цифровой форме, а также на дешифратор предельно допустимогî значения дав— ,,ления, к котОрому подключено испол"нительное реле, контакты которого .являются выходными контактами блока

26 контроля давления и которые включены в цепь 15 отключения электродвигателя.

При снижении давления в полости электродвигателя до минимально допустимого значения выходные контакты блока 26 контроля давления через цепь 15 отключают линейный контак— тор 16 и силовой трансформатор 20 с электродвигателем от силовой сети.

Устройство продолжает функционировать, поскольку оба оперативных источника 18 и 22 питания остаюгся включенными, осуществляя периодический контроль давления, температуры и сопротивления изоляции.

92098

По мере при ока пластовой жидкости в скважину давление в скважине, а значит и в полости маслонаполненного электродвигателя, увеличивается. При увеличении давления в полости электродвигателя до заданного значения выходные контакты блока 26 контроля давления через цепь 15 подключают к силовой сети с помощью контактора 17 электродвигатель насосной установки. Максимально возможное время, котGpQe- отводится для измерения давления и в течение которого может быть включен нагреватель датчика 6 давления, определяется временем 0,5 мин и соответствует

=200 атм.

При меньшем давлении в электродвигателе выключатель 13 .датчика 6 давления выключается раньше и в счетчик 28 электрической энергии поступает соответственно меньшее число импульсов. Период измерения. давления в устройстве равен -.5 мин и выбран из условия охлаждения гидроцилиндра

8 после окончания его нагрева нагревателем 11 во время измерения давления датчиком 6.

Условием полного охлаждения гидроцилиндра 8 являются выравнивание температуры масла в обоих гидроцилиндрах 7 и 8 и замыкание контактов выключателя 13 датчика 6 давления.

Перед каждым измерением давления счетчик 28 и узел индикации блока

26 контроля давления устанавливаются в исходное состояние по установочному входу счетчика 28 передним фронтом импульса с выхода мультивибратора 35, разрешающего начало измерения давления в течение примерно 0,5 мин.

Температура окружающей среды одинаково воздействует на оба маслонаполненные -.ù ðoöèëèíäðà 7 и 8 и, несмотря на перемещение поршней под воздействием этой температуры, взаимное положение поршней и толкате- . лей 9 и 10 остается неизменным, что обеспечивает удержание выключателя в замкнутом положении и готовность дат-.ика 6 давления к очередному измерению.

Осуществление в устройстве с помощью указанных блоков и связей между ними дополнительной возможности контроля давления в полости маслонаполненного электродвигателя, изменяющегося в функции изменения давления жидкости в скважине, при одновременном контроле изоляции и температуры обмотки с последующим отключением электродвигателя по достижении контролируемыми параметрами критических значений позволяет повысить надежность защиты электродвигателя за счет обеспечения защиты его от недогрузки, что повышает эффективность работы установки механизированной добычи нефти.

Формула из обретения

1. Устройство для защиты погружного электродвигателя от анормальных режимов работы, содержащее датчик температуры, установленный в непосредственной близости от обмотки электродвигателя и подключенный последовательно с диОдом между нулевой точкой обмотки электродвигателя и

его заземленным корпусом, первый оперативный источник питания, блок контроля изоляции и блок контроля температуры, которые присоединены одними выводами через фильтр к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора, а вторыми выводами через соответственно первый и второй ключи присоединены к первому выходу второго оперативного источника питания, выходные. контакты упомяну-. тых блоков контроля включены в цепь отключения электродвигателя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности защиты двигателя путем защиты от недогрузки с помощью контроля давления в полости двигателя, изменяющегося в функции давления жидкости в скважине, второй ключ в цепи блока контроля температуры выполнен управляемым, дополнительно введены пороговый элемент, датчик давления, блок контроля дав; ления, третий управляемый ключ, блок управления ключами, при этом соединенные последовательно пороговый ,элемент и датчик давления подключены параллельно датчику температуры, блок контроля давления последовательно с ,.третьим управляемым ключом .подключены между фильтром и вторым выхо292098

5

12 дом второго оперативного источника питания, выполненного стабилизированным, вход блока управления ключами, подключен к первому оперативному источнику питания, выходы блока управления ключами подключены к управляющим входам второго и третьего управляемых ключей.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что датчик давления выполнен в виде двух гидроцилиндров, на толкателе одного из которых установлен выключатель, кнопка которого соединена с толкателем второго гидроцилиндра, на одном из гидроцилиндров установлен нагреватель, который вместе с последовательно включенным выключателем образуют измерительную цепь датчика,давления.

3. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок контроля давления, выходные контакты которого включены в цепь отключения электродвигателя, выполнены в виде счетчика импульсов с установочным входом, счетный вход счетчика. через последовательно включенные формирователь импульсов и четвертый управляемый ключ подсоединен к чувствительному элементу тока, выводы которого служат выводами блока контроля цавления.

4. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок управления ключами выполнен в виде пятого и шестого управляемых ключей, Одни выводы которых являются выходами блока управления ключами, а вторые выводы подключены к заземленному выводу второго оперативного источника питания, управляющий вход шестого управляемого ключа соединен с выходом пятого управляемого ключа, управляющий вход которого соединен с выходом мультивибратора, к которому подключен также установочный вход. счетчика блока контроля давления, вход мультивибратора служит входом блока управления ключами и подключен к первому оперативному источнику питания.

l292098

1292098 8 ZZ Вам РФ

Огыхг7

13 884.

25,23

Om_#_.

ФиаЗ

Составитель Л. Куликова

Те>ред Л.Сердюкова-, Корректор. Л. Пилипенко

Редактор О. Головач

Тираж 619

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35 Раушская наб. д. 4/5

Заказ 280/54

Подписное

Э У Ф У

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4