EA028362B1 - Устройство для непрерывного контроля сопротивления электрической изоляции кабеля - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Сущность изобретения: устройство содержит источник постоянного напряжения, связанный с измерителем утечки тока, с блоком звуковой и световой сигнализации, высоковольтным генератором напряжения, соединенным через умножитель с контролируемым кабелем, при этом указанный измеритель выполнен с возможностью анализа утечки тока и включения сигнализации при достижении величины сопротивления изоляции заданного уровня. Кроме этого устройство также содержит источник опорного напряжения; блок управления, один выход которого соединен с входом высоковольтного генератора напряжения, а второй выход - с входом блока звуковой и световой сигнализации; блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом умножителя, второй из входов соединен с первым выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с соответствующим входом блока управления; блок разряда кабеля, первый вход которого соединен с выходом умножителя, а второй вход соединен с соответствующим выходом блока управления, при этом источник постоянного напряжения соединен с источником опорного напряжения, блоками управления и сравнения. Первый вход измерителя утечки тока соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, второй вход измерителя соединен с металлической бронёй кабеля и резистором, а выход измерителя соединен с соответствующим входом блока управления. Технический результат заключается в создании устройства, обеспечивающего непрерывный контроль сопротивления электрической изоляции кабеля в процессе выполнения спускоподъёмных операций по замене погружного глубинно-насосного нефтяного оборудования при постоянном контроле целостности измеряемой цепи.

Description

(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Сущность изобретения: устройство содержит источник постоянного напряжения, связанный с измерителем утечки тока, с блоком звуковой и световой сигнализации, высоковольтным генератором напряжения, соединенным через умножитель с контролируемым кабелем, при этом указанный измеритель выполнен с возможностью анализа утечки тока и включения сигнализации при достижении величины сопротивления изоляции заданного уровня. Кроме этого устройство также содержит источник опорного напряжения; блок управления, один выход которого соединен с входом высоковольтного генератора напряжения, а второй выход - с входом блока звуковой и световой сигнализации; блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом умножителя, второй из входов соединен с первым выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с соответствующим входом блока управления; блок разряда кабеля, первый вход которого соединен с выходом умножителя, а второй вход соединен с соответствующим выходом блока управления, при этом источник постоянного напряжения соединен с источником опорного напряжения, блоками управления и сравнения. Первый вход измерителя утечки тока соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, второй вход измерителя соединен с металлической бронёй кабеля и резистором, а выход измерителя соединен с соответствующим входом блока управления. Технический результат заключается в создании устройства, обеспечивающего непрерывный контроль сопротивления электрической изоляции кабеля в процессе выполнения спускоподъёмных операций по замене погружного глубинно-насосного нефтяного оборудования при постоянном контроле целостности измеряемой цепи.

028362 В1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля питания погружного скважинного оборудования при выполнении спускоподъёмных операций, например, двигателей насосных установок, используемых в процессе нефтедобычи.

Известен измеритель электрического сопротивления изоляции [1]. В нём к шине корпуса, по отношению к которой измеряется сопротивление изоляции фидеров, подключают выход усилителя, потенциал которого выше потенциала корпуса на заранее заданную величину. На выходе усилителя связи установлен ограничительный резистор. После установления потенциала корпуса по величине падения напряжения на ограничительном резисторе определяется ток, протекающий через сопротивление утечки, и, можно определить значение сопротивления утечки.

Недостатком данного устройства является невозможность определения подключения измеряемой линии, при этом обрыв измеряемой линии приводит к кажущемуся увеличению величины электрического сопротивления изоляции фидера. Контроль электрической изоляции выполняется однократно.

Известно устройство для измерения электрического сопротивления изоляции цепей [2], находящихся под напряжением постоянного тока. В устройстве параллельно измеряемой цепи подключается конденсатор известного номинала. Устройство измеряет постоянную времени переходного процесса и, с учетом измеренных начального и конечного значений напряжений, в контролируемых точках по приведённым формулам определяются параметры изоляции цепи.

Недостатком вышеуказанного технического решения является то, что измеряемых цепей должно быть не менее двух, при каждом измерении необходимо определять участок цепи, имеющий более высокий потенциал по отношению к корпусу, нет автономного автоматического режима работы.

Известна станция управления погружным электродвигателем [3], в котором для непрерывного контроля сопротивления изоляции используют блок измерения. Постоянное стабилизированное выходное напряжение этого блока подают между нулём вторичных обмоток силового повышающего трансформатора и общей шиной станции. Зная величину своего выходного напряжения и ток, протекающий между нулём вторичных обмоток силового повышающего трансформатора и общей шиной станции по этой цепи, блок вычисляет сопротивление изоляции этой цепи по известным формулам.

Недостатком вышеуказанного технического решения является то, что напряжение блока измерения постоянно приложено к измеряемой цепи, а также то, что обрыв в измеряемой цепи приводит к кажущемуся увеличению величины электрического сопротивления изоляции. Обрыв в измерительной цепи данным блоком не обнаруживается.

Известно устройство для контроля сопротивления изоляции электрических цепей и целостности цепей кабеля [4]. Устройство сравнивает время появления импульса напряжения от тока утечки на входе элемента сравнения со временем появления напряжения на выходе линии задержки, пропорционального длине испытуемого кабеля.

Недостатком вышеуказанного технического решения является то, что устройству требуется наличие измерительной шины и экрана в кабеле, а также линии задержки внутри устройства задерживающий испытательный импульс на время, пропорциональное длине каждого конкретного типа кабеля. Контроль сопротивления изоляции устройством выполняется однократно, только в момент присоединения кабеля к измерительной шине.

Известно устройство для контроля электрической изоляции [5] (прототип), содержащее источник постоянного напряжения, связанный с измерителем утечки тока, с блоком звуковой и световой сигнализации, высоковольтным генератором напряжения, соединенным через умножитель с контролируемым кабелем, при этом указанный измеритель выполнен с возможностью анализа утечки тока и включения сигнализации при достижении величины сопротивления изоляции заданного уровня.

Имеющийся в устройстве измеритель утечки тока имеет средство анализа утечки тока в виде блока сравнения измеряемого тока утечки со стандартным сопротивлением, обеспечивающее сравнение падения напряжения на стандартном сопротивлении от протекающего по нему тока утечки по цепи испытуемые жилы кабеля - экран - стандартное сопротивление с напряжением на эталонном сопротивлении. Уменьшение величины сопротивления изоляции приводит к увеличению протекающего через сопротивление тока и, соответственно, росту напряжения на нём и превышения порога срабатывания. Порог срабатывания сигнализации устанавливается в лабораторных условиях по эталонным сопротивлениям. При снижении сопротивления изоляции ниже минимально допустимых величин включаются световая и звуковая сигнализация.

Недостатком вышеуказанного технического решения является то, что при обрыве измерительной цепи ток по стандартному сопротивлению не протекает и напряжение на нём не может превысить порог срабатывания блока сравнения. Поскольку в устройстве не предусмотрен контроль целостности цепи измерения, обрыв в этой цепи приводит к кажущемуся увеличению величины электрического сопротивления и устройство перестаёт выполнять функции своего назначения.

Известно устройство для непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля [6], предназначенное для использования в качестве технического средства непрерывного контроля сопротивления изоляции и электрической прочности цепи погружной электродвигатель (ПЭД) - трехжильный силовой

- 1 028362 кабель с рабочим напряжением 1-2,5 кВ, применяемого в устройствах электроцентробежного насоса (УЭЦН). В отличие от [5], устройство содержит последовательно соединенные компаратор разряда источника постоянного напряжения и имеет внутренние эталонные сопротивления для проверки порога срабатывания сигнализации на месте работ.

Недостатком данного устройства является то, что обрыв в измерительной цепи приводит к кажущемуся увеличению величины электрического сопротивления изоляции.

При выполнении спускоподъёмных операций по замене погружного глубинно-насосного нефтяного оборудования часто происходят аварийные повреждения электрической изоляции закреплённого на насосно-компрессорных трубах внутренних жил кабеля питания с их замыканием на его наружную металлическую броню или его обрыв. Обнаружение снижения величины сопротивления изоляции или обрыва кабеля происходит по окончании спуска оборудования при выполнении контрольных операций. С целью недопущения этого ремонтные бригады выполняют контроль изоляции периодически, по завершению спуска нескольких секций насосно-компрессорных труб, что приводит к потерям времени. Кроме того, барабан с кабелем размещён на некотором удалении от устья скважины, что в плохую погоду приводит к проблемам с перемещением работников для выполнения контрольных операций и возникновению человеческого фактора в работе. Поскольку барабан с контролируемым кабелем при сматывании кабеля вращается, автономное устройство непрерывного контроля изоляции, например [6], приходится размещать на барабане. Выходящий из барабана свободный конец кабеля и соединительный провод от кабеля к автономному устройству непрерывного контроля изоляции при его вращении хаотически перемещаются, и соединительный провод часто обрывается. Это приводит к тому, что процесс контроля сопротивления изоляции прерывается.

Задачей изобретения является обеспечение непрерывного контроля сопротивления электрической изоляции кабеля в процессе выполнения спускоподъёмных операций по замене погружного глубиннонасосного нефтяного оборудования при постоянном контроле целостности измеряемой цепи и информировании работников бригады при возникновении аварийной ситуации.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для непрерывного контроля сопротивления электрической изоляции кабеля, содержащее источник постоянного напряжения, связанный с измерителем утечки тока, с блоком звуковой и световой сигнализации, высоковольтным генератором напряжения, соединенным через умножитель с контролируемым кабелем, при этом указанный измеритель выполнен с возможностью анализа утечки тока и включения сигнализации при достижении величины сопротивления изоляции заданного уровня, согласно изобретению, содержит источник опорного напряжения, блок управления, один выход которого соединен с входом высоковольтного генератора напряжения, а второй выход с входом блока звуковой и световой сигнализации; блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом умножителя, второй из входов соединен с первым выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с соответствующим входом блока управления; блок разряда кабеля, первый вход которого соединен с выходом умножителя, а второй вход соединен с соответствующим выходом блока управления, при этом источник постоянного напряжения соединен с источником опорного напряжения, блоками управления и сравнения, первый вход измерителя утечки тока соединен со вторым выходом источника опорного напряжения, второй вход измерителя соединен с металлической бронёй кабеля и резистором, а выход измерителя соединен с соответствующим входом блока управления.

В оптимальном случае исполнения, высоковольтный генератор напряжения выполнен с малым выходным током.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для непрерывного контроля сопротивления электрической изоляции кабеля.

Устройство состоит из источника постоянного напряжения 1, обеспечивающего автономную работу устройства, высоковольтного генератора напряжения 2, умножителя 3, блока сравнения 4, блока разряда кабеля 5, измерителя утечки тока 6, блока управления 7, источника опорного напряжения 8, блока звуковой и световой сигнализации 9, резистора 10, при этом источник постоянного напряжения 1 связан с высоковольтным генератором напряжения 2, блоками: сравнения 4, звуковой и световой сигнализации 9, управления 7, измерителем утечки тока 6, а также источником опорного напряжения 8. Выход высоковольтного генератора напряжения 2 непосредственно подключен к входу умножителя 3, выход которого соединен с контролируемым кабелем. Первый выход блока управления 7 соединен с входом высоковольтного генератора напряжения 2, а второй выход - с входом блока звуковой и световой сигнализации 9. Первый вход блока сравнения 4 соединен с выходом умножителя 3, второй вход соединен с первым выходом источника опорного напряжения 8, а выход соединен с соответствующим входом блока управления 7. Первый вход блока разряда кабеля 5 соединен с выходом умножителя 3, а второй вход соединен с соответствующим выходом блока управления 7. Первый вход измерителя утечки тока 6 соединен со вторым выходом источника опорного напряжения 8, второй вход измерителя утечки тока 6 соединен с металлической бронёй кабеля и резистором 10, а выход измерителя утечки тока 6 соединен с соответствующим входом блока управления 7.

Устройство непрерывного контроля сопротивления электрической изоляции кабеля работает следующим образом.

- 2 028362

При первом включении устройства в тестовом режиме без подключения контролируемого кабеля, блок управления 7 запускает внутренний счётчик времени и выдаёт управляющее напряжение включения на вход высоковольтного генератора напряжения 2, начинающий генерацию высокого напряжения на вход умножителя 3, на выходе которого начинается рост напряжения. Умножитель 3 умножает и выпрямляет это напряжение, являющееся измерительным, и заряжает все внутренние электрические ёмкости этой цепи устройства. Скорость роста выходного напряжения умножителя 3 обратнозависима от величины ёмкостной и омической нагрузки, а также выходного сопротивления высоковольтного генератора напряжения 2. Для оптимизации процесса контроля качества изоляции высоковольтный генератор напряжения 2 выполнен с малым выходным током. На первый вход блока сравнения 4 с выхода умножителя 3 приходит измерительное напряжение, сравнивается с напряжением первого выхода источника опорного напряжения 8, приходящего на второй вход блока сравнения 4. При достижении на первом входе блока сравнения 4 номинальной величины измерительного напряжения на его выходе, соединённом с соответствующим входом блока управления 7, появляется управляющее напряжение. За счёт того, что внутренние ёмкости измерительных цепей малы, время от выдачи управляющего напряжения включения на вход высоковольтного генератора напряжения 2 до достижения номинальной величины измерительного напряжения и появления управляющего напряжения на выходе блока сравнения 4 составляет доли секунды. По фронту этого напряжения блок управления 7 останавливает внутренний счётчик времени, запоминает длительность интервала времени достижения номинального измерительного напряжения, снимает со входа высоковольтного генератора напряжения 2 управляющее напряжение включения и подаёт управляющее напряжение включения на второй вход блока разряда кабеля 5. Генератор останавливается, а первый вход блока разряда кабеля 5, соединённый с выходом умножителя 3, открывается и разряжает внутренние электрические ёмкости устройства.

Устройство снова включают после подключения контролируемого кабеля, процесс, описанный выше, повторяется. Величина ёмкости внутренних измерительных цепей устройства много меньше величины распределённой ёмкости кабеля, поэтому время достижения номинальной величины измерительного напряжения на первом входе блока сравнения 4 и контролируемом кабеле будет уже определяться величиной распределённой ёмкости кабеля и составит несколько секунд. При каждом цикле включения устройства блок управления 7 записывает в свою память новое значение счётчика времени, сравнивает его с предыдущим значением, останавливает высоковольтный генератор напряжения 2 и открывает первый вход блока разряда 5 до следующего высоковольтного включения генератора, чтобы полностью снять остаточный заряд с жил контролируемого кабеля. Резкое уменьшение времени достижения номинальной величины измерительного напряжения на первом входе блока сравнения 4 относительно предыдущего измерения позволяет сделать вывод о разрыве в измерительной цепи контролируемого кабеля. Блок управления 7 принимает решение о том, что целостность измерительной цепи нарушена и вырабатывает управляющий сигнал на включение блока звуковой и световой сигнализации 9. Это позволяет контролировать целостность измеряемой цепи при каждом включении устройства.

Контроль сопротивления изоляции спускаемого кабеля происходит следующим образом. Второй вход измерителя утечки тока 6 соединён с металлической бронёй кабеля и измерительным резистором 10, по которому протекает ток утечки по цепи выход умножителя - жилы контролируемого кабеля - сопротивление изоляции - металлическая броня кабеля - измерительный резистор - общий провод устройства. Измеритель утечки тока 6 сравнивает падение напряжения на измерительном резисторе 10 от протекающего по нему тока утечки с опорным напряжением на первом входе измерителя утечки тока 6, соединенного со вторым выходом источника опорного напряжения 8. Падение напряжения на резисторе 10 рассчитывается на ток номинального значения сопротивления изоляции при номинальной величине измерительного напряжения. Если сопротивление изоляции контролируемого кабеля меньше номинального, падение напряжения на измерительном резисторе 10 от протекающего по нему тока утечки становится большим, чем опорное напряжение на первом входе измерителя утечки тока 6 ещё до достижения измерительным напряжением своей номинальной величины. В этом случае измеритель утечки тока 6 вырабатывает управляющее напряжение на вход блока управления 7 ещё во время работы высоковольтного генератора напряжения 2, и блок управления 7 принимает решение о том, что сопротивление изоляции меньше номинальной величины и вырабатывает управляющий сигнал на включение блока звуковой и световой сигнализации 9. Блок управления 7 останавливает высоковольтный генератор напряжения 2, который теперь может включиться только после выключения устройства и его повторного включения, и включает блок разряда кабеля 5, снимающий остаточное напряжение с контролируемого кабеля для обеспечения безопасности рабочих бригады. Приход управляющего напряжения на вход блока управления 7 при остановленном генераторе высокого напряжения 2 блок управления 7 считает ложным. Единичный рабочий цикл контроля сопротивления изоляции спускаемого кабеля и целостности измерительной цепи в процессе выполнения спускоподъёмных операций по замене погружного глубинно-насосного нефтяного оборудования на этом заканчивается.

Рабочий цикл измерения повторяется с заданным временным интервалом, гарантированно меньшим половины времени спуска одной секции насосно-компрессорных труб в скважину, чем обеспечивается критерий непрерывности по теореме Котельникова (теореме Найквиста-Шеннона). Приведённый

- 3 028362 алгоритм работы устройства с периодическим включением-выключением обеспечивает непрерывный контроль сопротивления изоляции и целостности цепи измерения в процессе работы устройства. В паузе устройство переходит в ждущий режим малого энергопотребления, что позволяет существенно экономить энергию источника постоянного напряжения, потому что единичный цикл контроля сопротивления изоляции спускаемого кабеля занимает несколько секунд, а пауза - несколько минут.

Блок управления 7 включает блок звуковой и световой сигнализации 9 в разных режимах. Поскольку световая сигнализация при ярком солнечном свете малозаметна, основной способ предупреждения работников о возникновении аварийной ситуации - звуковой, а световая сигнализация служит для детализации произошедшей ситуации в зависимости от того, какая авария произошла - обрыв измерительной цепи или нарушение изоляции.

Claims (2)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для непрерывного контроля сопротивления электрической изоляции кабеля, содержащее источник постоянного напряжения, связанный с измерителем утечки тока, с блоком звуковой и световой сигнализации, высоковольтным генератором напряжения, соединенным через умножитель с контролируемым кабелем, при этом указанный измеритель выполнен с возможностью анализа утечки тока и включения сигнализации при достижении величины сопротивления изоляции заданного уровня, отличающееся тем, что содержит источник опорного напряжения; блок управления, один выход которого соединен с входом генератора высокого напряжения, а второй выход - с входом блока звуковой и световой сигнализации; блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом умножителя, второй из входов соединен с первым выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с соответствующим входом блока управления; блок разряда кабеля, первый вход которого соединен с выходом умножителя, а второй вход соединен с соответствующим выходом блока управления; при этом источник постоянного напряжения соединен с источником опорного напряжения, блоками управления и сравнения; первый вход измерителя утечки тока соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, второй вход измерителя утечки тока соединен с металлической бронёй кабеля и резистором, а выход измерителя утечки тока соединен с соответствующим входом блока управления.
2. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высоковольтный генератор напряжения выполнен с малым выходным током.