CN106797118A - 用于提高矿物绝缘电缆的可靠性的系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

实施例包括一种用于提高用于石油和天然气工业应用的矿物绝缘电缆的可靠性的系统、控制过程和方法。所述实施例可以包括：具有经优化的操作频率的PWM变速驱动；连接至所述驱动的输出端并且被设计成用于减轻来自所述驱动的PWM电压脉冲的反射电压波尖峰的正弦波滤波器；连接至所述滤波器的矿物绝缘电加热器电缆；以及用于接收电压、电流和温度反馈以便创建所述驱动进行操作的电压设定点的外部控制器。所述实施例可以：(i)减轻在中压水平上以及在从200℃到700℃的温度范围内进行操作的矿物绝缘电缆的常见故障机制；(ii)扩展矿物绝缘电缆的应用范围；以及(iii)防止高压尖峰对加热器电缆的绝缘材料造成损害。

Description

用于提高矿物绝缘电缆的可靠性的系统和控制方法
背景技术
本文中的实施例总体上涉及矿物绝缘电缆，并且更具体地涉及一种用于扩展中压矿物绝缘电缆在高温环境下的操作寿命和范围的方法。
由于一个或两个成因，当在从大约200℃到大约700℃的温度范围内操作时，超过2000英尺长的矿物绝缘电缆趋于发生故障(除了制造或安装缺陷之外)。氧化镁是当今所使用的矿物绝缘电缆中最流行的电缆绝缘物质。文献很好地记载着氧化镁绝缘电缆的阻抗随着不断增加的温度而下降。通过欧姆定律，针对给定的操作电压，通过绝缘物质来自电缆导体的泄漏电流将与阻抗下降成比例地增加；这一随时间的推移增加的泄漏电流可导致电缆故障。为了实现在高温环境中的可靠操作，应用典型地基于大约为矿物绝缘电缆的额定电介质的2到3倍的安全系数来限制操作电压。这一降额电压限制应用长度或者需要更高代价的更厚绝缘电缆；其中的任一者影响应用的经济可行性，尤其是在石油工业井下加热器应用中。
另一种典型的矿物绝缘电缆故障是当电缆暴露于超过电缆绝缘材料的额定电介质的过压情况下时的瞬时电压击穿故障。过压可以是由于外部原因，诸如从加热器电源到电缆的切换操作或照明脉冲传播。过压情况还可以是通过由变速驱动的PWM电压脉冲造成的反射电压波产生的，这与长馈送电缆的电机应用所共有。即使利用典型的驱动输出滤波器，反射电压波仍可达到为正常操作电压的好几倍的振幅，尤其是利用长度超过2000英尺的线缆，典型地在作为井下加热器的矿物绝缘电缆的石油工业应用中。
因此，需要一种用于提高高温环境下的矿物绝缘电缆的可靠性和使用范围。
发明内容
本公开的一些实施例包括一种用于提高矿物绝缘电缆在除电机应用之外的应用(诸如石油和天然气工业井下加热应用)的可靠性和使用范围的系统和方法。所述系统和方法可以包括：电压源；具有经优化的操作频率的脉宽调制(PWM)变速驱动，所述操作频率通过控制过程被优化；操作性地连接至所述变速驱动的输出端的正弦波滤波器，所述正弦波滤波器具有针对所述变速驱动的载波频率而被优化的设计；操作性地连接至所述正弦波滤波器的矿物绝缘电加热器电缆；以及外部控制器，所述外部控制器被配置成用于从所述正弦波滤波器接收电压和电流反馈并从所述加热器电缆接收温度反馈并且用于创建所述变速驱动进行操作所处的电压设定点。所述系统和方法可以被配置成用于：(i)减轻在大约1000伏与大约10000伏之间的中压范围以及在从大约200℃到大约700℃的操作环境范围内进行操作的超过2000英尺长的矿物绝缘电缆的故障机制；(ii)通过以与可靠操作的本技术所需的降额操作电压水平相对的接近实际额定电介质的电压来使能操作从而扩展用作井下加热器的矿物绝缘电缆的应用范围，从而最大化石油和天然气工业就地石油恢复项目的经济可行性；以及(iii)防止由所述驱动或电源的PWM电压脉冲导致的反射波电压尖峰对当被应用为矿物绝缘电加热器电缆的电源的矿物绝缘电加热器电缆的绝缘材料造成损害或故障。
附图说明
以下参考附图作出了对本发明的一些实施例的详细描述，其中，相同的标号表示附图的对应部分。
附图是本发明的一个实施例的流程图。
具体实施方式
在本发明的以下详细描述中，描述了本发明的多个细节、示例和实施例。然而，对本领域技术人员将清楚且明显的是，本发明不限于所阐释的实施例并且本发明可适用于若干应用中的任一应用。
本公开的方法可以用于提高在中压范围内进行操作的、在高温环境中使用的长矿物绝缘电缆的可靠性和操作范围，并且可以包括以下元素。可能的构成元素的列表旨在仅是示例性的，并且不旨在此列表用于将本申请的设备限制于这些元件。与本公开相关的本领域普通技术人员可以理解，在不改变设备的必要功能或操作的情况下具有在本公开内可以被替代的等效元件。
1.电源变压器
2.变速驱动
3.正弦波滤波器
4.电缆
5.外部控制器
可以以下示例性方式对用于提高本公开的矿物绝缘电缆的可靠性和操作范围的控制方法的各元素进行相关。不旨在限制各元素之间的关系的范围或本质，并且以下示例仅作为说明性示例被呈现。
通过示例的方式并且参考附图，用于提高本公开的矿物绝缘电缆16的可靠性和操作范围的控制方法和系统的一些实施例包括：针对矿物绝缘电缆16，对电源(诸如电压源脉宽调制(PWM)变速驱动)的操作频率的设定进行优化的控制过程；以及在电源12的输出端上应用正弦滤波器14或谐波滤波器。基于来自正弦滤波器14和电缆16的被提供给外部控制器18的电压、电流、和温度反馈，外部控制器18可以创建变速驱动可以进行操作所处的电压设定点。在实施例中，驱动或电源12可以具有以下最小特征：(i)三相电压源逆变器使用许多可用的PWM控制算法之一来生成三相交流电；(ii)全铭牌额定电压和额定安培的最小连续操作频率可以至少大约为1.5Hz；(iii)逆变器或驱动或电源可以能够针对永久固定的大约为1.5Hz操作频率进行配置；(iv)逆变器或驱动或电源可以能够针对永久固定的载波频率进行配置；以及(v)所选择的载波频率可能不会导致逆变器或驱动或电源的铭牌额定输出电压和额定安培的降额。在一些实施例中，在逆变器、驱动或电源之前可能需要变压器10以便将可用地点电压转换成逆变器、驱动或电源的额定电压。例如，可以在正弦滤波器与矿物绝缘电缆之间添加升压变压器(未示出)以便提高在中压范围内矿物绝缘电缆的应用电压范围。
优化操作频率的控制过程可以包括：(i)选择具有至少大约为所述矿物绝缘电缆的应用所需的110％的连续额定电压和额定电流的PWM变速驱动12；(2)针对V/f操作模式来配置所述驱动12，并且通过定制配置的方式，将电压从频率解耦以便使得能够将操作频率设定为固定值，从而使得所述驱动12输出电压可以根据所述驱动设定点而独立地改变；(3)禁用不可应用于所述矿物绝缘电缆的应用的电机特征；(4)针对固定载波频率来配置所述驱动12；(5)以最低水平针对固定操作频率来配置所述驱动12，因为所述驱动12可连续地传递全铭牌电压和安培，诸如在大约1.5Hz或更低。以及(6)将所述驱动12设定点/命令变量设定为所述矿物绝缘电缆的所需驱动电压输出以便传递期望的耗热率。由于以下这些步骤，典型地用于电机应用的变速驱动可以适用于在应用中使用的矿物绝缘电缆的功率和控制，诸如石油和天然气工业中的电加热、石油生产和生产流程保证、输送管线流程保证、以及各种加工工业应用。
控制过程可以通过对矿物绝缘电缆的电源的操作频率的设定进行优化来起作用，正常情况下为大约1.5Hz的典型PWM变速驱动。以下是推导出的为在此控制过程中建立的频率设定的基础的矿物绝缘电缆的电阻抗公式：|Z|＝√R2+(-1/2πfεrεoA/L)2，其中，Z为阻抗，R为电阻，f为频率，εr为氧化镁(MgO)的相对介电常数，εo为自由空间的介电常数，A为电缆的面积，并且L为电缆的长度。注意的是，矿物绝缘电缆的电感与其电容比较是不重要的，并且同样，在阻抗公式的无功分量中忽略了电感。降低驱动的操作频率可以增加电容电抗，从而直接增加了整体阻抗，并且因此引起更可靠的矿物绝缘电缆，特别是在从大约200℃到大约700℃或更高的操作温度范围内。具体地，MgO是在矿物绝缘电缆中使用的最常见的绝缘物质。随着MgO的相对介电常数随温度的增加，电容电抗降低，阻抗也一样。虽然电阻也受到温度的影响，但是对整体阻抗的温度效应由电容电抗变化主导。频率(如果其可被降低)可以向增加的介电常数影响提供直接偏移，从而增加了整体阻抗。例如，参考阻抗公式，如果操作频率从60Hz降低至1.5Hz(其中，所有其他因数保持恒定)，则阻抗的电抗分量增加40倍。与现有技术设计操作相比，所述结果在大约50Hz频率或60Hz频率处可以是更为可靠的矿物绝缘电缆，例如在从大约200℃到700℃或更高的操作温度范围内。此外，通过使能在更高电压上进行可靠操作，所述结果可以扩展矿物绝缘电缆的操作范围，从而增加电缆应用的可行长度，尤其是针对石油和天然气工业井下加热应用。
所述正弦波滤波器应用可以包括：(1)；指定在所述电源12的所述输出端上的所述正弦波滤波器14；(2)针对所述电源12的载波频率范围指定所述正弦波滤波器14；以及(3)针对所述电源12的铭牌额定电压和额定安培来设置所述正弦波滤波器14的大小。通过在变速驱动或电源的输出端上正确指定正弦波滤波器，可以保护矿物绝缘电缆免受由驱动或电源的PWM电压脉冲造成的反射波电压尖峰的伤害。在实施例中，所述正弦波滤波器可以具有以下最小特征：(i)可以针对驱动或电源的载波频率范围来指定所述正弦波滤波器；以及(ii)可以针对驱动或电源的铭牌额定电压和额定安培来设置所述正弦波滤波器的大小。所述方法还可以包括：根据需要使用电源变压器10以便对PWM驱动12的电压进行匹配。
本公开还包括一种用于提高用于除电机应用之外的应用(诸如用于石油和天然气工业井下加热器应用)的矿物绝缘电缆16的可靠性和应用范围的系统，所述系统包括：脉宽调制变速驱动12；操作性地连接至所述变速驱动的输出端的正弦波滤波器14，所述正弦波滤波器被配置成用于对来自所述变速驱动12的PWM脉冲进行滤波；矿物绝缘电加热器电缆16，所述矿物绝缘电加热器电缆操作性地连接至所述正弦波滤波器14；以及外部控制器18，所述外部控制器被配置成用于从所述正弦波滤波器接收电压和电流反馈并从所述加热器电缆接收温度反馈并且用于创建所述变速驱动进行操作所处的电压设定点。在一些实施例中，矿物绝缘电加热器电缆16具有至少大约2000英尺的长度并且在从大约1000伏到大约10000伏的中压范围内进行操作。
在实施例中，外部控制器18可以包括任何合适的外部控制器，诸如可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)、或加热器电缆控制器，其中的任一者可以针对矿物绝缘(MI)加热器电缆而被定制编程。可以基于应用、偏好、以及应用地点的基础设施来选择外部控制器18。
本发明的系统和方法可以：(i)解决或减轻在从大约200℃到大约700℃或更高的操作温度范围内且在从大约1000伏到大约10000伏的中压操作范围内的矿物绝缘电缆的只要故障机制；以及(ii)防止由于变速驱动的PWM电压脉冲引起的反射波电压尖峰对当被应用为矿物绝缘电加热器电缆的电源的矿物绝缘电加热器电缆的绝缘材料造成损害或故障。
本领域普通技术人员可以认识到，多种设计配置对于享受本发明控制过程和系统的功能益处是可能的。因此，考虑到本发明的实施例的各种配置和安排，本发明的范围由以下权利要求书的广度来反映，而不是由以上所描述的实施例来缩小。

Claims (10)

1.一种用于提高用于除电机应用之外的应用的矿物绝缘电缆的可靠性和应用范围的方法，所述方法包括：
使用控制过程来优化矿物绝缘电缆的电源的操作频率设定；以及
在所述电源的输出端上应用正弦波滤波器，其中，所述正弦波滤波器操作性地连接至矿物绝缘电加热器电缆，
其中，
所述方法被配置成减轻在从大约200℃到大约700℃的操作温度范围内在中压水平上进行操作的矿物绝缘电缆的故障机制；并且
所述方法被配置成防止由于变速驱动的脉宽调制(PWM)电压脉冲引起的反射波电压尖峰对当被应用为矿物绝缘电加热器电缆的电源的矿物绝缘电加热器电缆的绝缘材料造成损害或故障。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于优化所述操作频率的所述控制过程包括：
选择具有为所述矿物绝缘电缆的期望应用所需的至少大约110％的连续额定电压和额定电流的脉宽调制变速驱动；
针对V/f操作模式来配置所述变速驱动；
配置所述变速驱动以便将所述电压从所述频率解耦，从而使得所述驱动可以根据独立于驱动输出频率的设定点/命令变量来输出电压；
禁用不能应用于所述矿物绝缘电缆的所述期望应用的电机特征；
针对经优化的固定载波频率来配置所述变速驱动；
以最低水平针对固定操作频率来配置所述变速驱动，针对所述最低水平所述变速驱动可连续地传递全铭牌电压和安培；以及
将所述变速驱动设定点/命令变量设定为所述矿物绝缘电缆为了传递期望的耗热率所需的驱动电压输出。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述固定操作频率为大约1.5Hz或者更低；
所述期望的耗热率将所述矿物绝缘电缆暴露于从大约200℃到大约700℃的温度环境；并且
取决于所述期望的耗热率以及所述电缆的物理特性，所述矿物绝缘电缆的所述操作电压为从大约1000伏到大约10,000伏。
4.如权利要求1所述的方法，其中，应用所述正弦波滤波器包括：
在所述电源的所述输出端上指定所述正弦波滤波器；
针对所述电源的载波频率范围指定所述正弦波滤波器；以及
针对所述电源的铭牌额定电压和额定安培来设置所述正弦波滤波器的大小。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述加热器电缆为至少大约2000英尺长。
6.一种用于提高用于除电机应用之外的应用的矿物绝缘电缆的可靠性和操作范围的系统，所述系统包括：
脉宽调制变速驱动，所述脉宽调制变速驱动具有经优化的操作频率；
正弦波滤波器，所述正弦波滤波器操作性地连接至所述变速驱动的输出端，所述正弦波滤波器被设计成对来自所述变速驱动的脉宽调制(PWM)电压脉冲进行滤波；
矿物绝缘电加热器电缆，所述矿物绝缘电加热器电缆操作性地连接至所述正弦波滤波器；以及
外部控制器，所述外部控制器被配置成从所述正弦波滤波器接收电压和电流反馈并从所述加热器电缆接收温度反馈，并且创建所述变速驱动进行操作所处的电压设定点，
其中，
所述系统被配置成减轻在从大约200℃到大约700℃的操作温度范围内的矿物绝缘电缆的故障机制；并且所述系统被配置成防止变速驱动的反射波电压尖峰对当被应用为矿物绝缘电加热器电缆的电源的矿物绝缘电加热器电缆的绝缘材料造成损害或故障。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述矿物绝缘电加热器电缆具有至少大约2000英尺的长度。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过控制过程来优化所述脉宽调制变速驱动的所述操作频率，包括：
选择具有为所述矿物绝缘电缆的期望应用所需的至少大约110％的连续额定电压和额定电流的脉宽调制变速驱动；
针对V/f操作模式来配置所述变速驱动；
配置所述变速驱动以便将所述电压从所述频率解耦，从而使得所述驱动根据独立于驱动输出频率的设定点/命令变量来输出电压；
禁用不能应用于所述矿物绝缘电缆的所述期望应用的电机特征；
针对经优化的固定载波频率来配置所述变速驱动；
以最低水平针对固定操作频率来配置所述变速驱动，针对所述最低水平所述变速驱动可连续地传递全铭牌电压和安培；以及
将所述变速驱动设定点/命令变量设定为所述矿物绝缘电缆为了传递期望的耗热率所需的驱动电压输出。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，针对所述变速驱动的载波频率范围来设计所述正弦波滤波器，并且针对所述变速驱动的铭牌额定电压和额定安培来设置所述正弦波滤波器的大小。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过使能在更高电压上进行可靠操作来扩展所述矿物绝缘电缆的应用范围，从而增加电缆应用的可行长度。
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