基于互感原理的潛油泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)

劉升虎，王 敏，薛朝霞

(西安石油大學 陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

潛油電泵作為一種重要的石油人工舉升設(shè)備，在采油過程中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，隨著易采原油的日益減少，油井的井況越來越復(fù)雜惡劣，這就對潛油電泵應(yīng)用的可靠性提出了更高的要求[1-7]。然而，潛油電泵的絕緣材料在運行過程中受到電、熱、機械、不良環(huán)境等各種因素的影響會逐漸裂化，造成電流泄漏，引發(fā)相間斷路起火或?qū)Φ芈╇姷任ｋU情況，對潛油電泵設(shè)備造成破壞性傷害。為了保證潛油電泵的安全使用，往往是在下井前對其進行絕緣測試[2]。絕緣測試一般使用2.5～10 kV的兆歐表[2]。但此方法只能保證潛油電泵下井前絕緣性能的可靠性，無法實時監(jiān)測潛油電泵井系統(tǒng)長期工作過程中的絕緣工況。要想知道潛油電泵井長期工作下絕緣性能的好壞，潛油電泵必須全部斷電，停止工作。起出全部油管，既浪費時間又花費資金。另一種方法是檢測機組絕緣泄漏電流的大小，井下二次儀表向井下提供反壓，井下反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，井下電路部分被旁路掉，此時其他部件不能工作[3]。這時系統(tǒng)回路中的電流為機組絕緣泄漏電流。此方法的缺點是，需要頻繁啟停潛油電泵系統(tǒng)，且不能實時監(jiān)測潛油電泵系統(tǒng)的絕緣工況。避雷器在長期運行過程中，由于受到系統(tǒng)電壓的波動以及各種外界環(huán)境因素(如污濁、潮濕等)的影響，會發(fā)生絕緣老化[4]。這與潛油電泵絕緣老化情況類似?，F(xiàn)階段高壓避雷器已有較為成熟的泄漏電流監(jiān)測方案。但避雷器的泄漏電流值較大，且安裝測量裝置需要一定的空間。而潛油電泵井下工作環(huán)境惡劣，且空間狹長，測量裝置密封，無法應(yīng)用此方案。

本文設(shè)計了一種基于互感原理的潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)，與一般絕緣檢測系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)解決了現(xiàn)有潛油電泵絕緣檢測方案不能實時監(jiān)測潛油電泵絕緣工況且操作復(fù)雜的問題，具有良好的應(yīng)用前景。

1 潛油電泵及井下狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

潛油電泵及井下狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。整個系統(tǒng)分為地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)兩部分。地面系統(tǒng)主要由地面人工星點、組合單元、井上控制電路等組成。人工星點由一個與井下電機三相繞組參數(shù)相同的三相電抗器所構(gòu)建，利用星點等勢原理，為井下監(jiān)測電路供電。井下部分主要由潛油電機、金屬鎧裝電纜、井下監(jiān)測電路等構(gòu)成。金屬鎧裝電纜作為供電通道，井上頻率可變的三相動力電源通過金屬鎧裝電纜的三相電源線向井下電機供電，電機負責驅(qū)動潛油電泵整套設(shè)備開始運轉(zhuǎn)[5]。三相電源線外側(cè)包裹了一層絕緣層，以隔離電力，保護電纜。鎧裝電纜的最外層為電纜鎧皮，作為潛油電泵井下監(jiān)測電路的地線。井下監(jiān)測電路將監(jiān)測到的井下溫度、壓力、振動等各個被測參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為4～20 mA標準信號電流，再通過電纜鎧皮傳給井上系統(tǒng)。井上系統(tǒng)經(jīng)過AD采集、處理、顯示，實時監(jiān)測井下工況。

圖1 潛油電泵及井下狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

受井下惡劣環(huán)境影響，潛油電泵的絕緣材料在其運行過程中會逐漸裂化，出現(xiàn)絕緣老化點。三相供電線會通過絕緣老化點與電纜鎧皮構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流泄漏，對潛油電泵的運行形成潛在威脅。由此可以分析得到，潛油電泵的電纜鎧皮上既有代表井下潛油電泵工況的直流信號電流，也有代表潛油電泵系統(tǒng)絕緣工況的交流泄漏電流。如果能將電纜鎧皮上的直流信號電流濾除，提取出交流泄漏電流，就可以實時監(jiān)測潛油電泵系統(tǒng)的絕緣工況。

2 潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測原理

2.1 電流互感器的工作原理

電流互感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流來測量電流的儀器(圖2)，由閉合的鐵心和原副邊兩側(cè)繞組組成。電流互感器一般應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，承擔電流變換和電氣隔離的重要作用[8-10]。

圖2 電流互感器工作原理

如圖2所示,電流互感器的一次側(cè)繞組匝數(shù)N1很少，串在需要測量的電流的線路中。二次繞組的匝數(shù)N2較多，與儀表、繼電器、變送器等電流線圈的二次負荷Z串聯(lián)形成閉合回路[11-13]。

一次負荷電流I1通過一次繞組時，被測電路周圍會產(chǎn)生磁場，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變磁通φ，副邊繞組感應(yīng)產(chǎn)生依匝數(shù)比變化的二次電流I2[14]。電流互感器額定電流比

(1)

潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖3所示，將電流互感器應(yīng)用于潛油電泵系統(tǒng)。電纜鎧皮上既有代表井下潛油電泵工況的直流信號電流，也有代表潛油電泵系統(tǒng)絕緣工況的交流泄漏電流。 將潛油電泵井的電纜鎧皮穿過電流互感器中間的空芯，交流泄漏電流I產(chǎn)生變化的磁場Δφ，再通過匝數(shù)比產(chǎn)生相應(yīng)比例變化的電流I′，借鑒式(1)的原理可得：

圖3 潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

(2)

假設(shè)直流信號通過電流互感器產(chǎn)生的電流為I″。因為直流信號電流不產(chǎn)生變化的磁場，無法通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變磁通，也不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以可得：

I″=0。

(3)

因此，當互感器中只通過交流泄漏電流時，互感器產(chǎn)生的感應(yīng)電流為I′。而當互感器中既通過交流泄漏電流又通過直流信號電流時，將公式(2)、(3)聯(lián)立方程組可得公式(4)、(5)。

I′+I″=I?，

(4)

I′=I。

(5)

由公式(4)、(5)可知，互感器通過交直流信號時產(chǎn)生的感應(yīng)電流I?與I′相等，因此分析可知，電流互感器可以將電纜鎧皮上的代表井下工況的直流信號電流濾除，提取出交流泄漏電流，且電纜鎧皮上的直流信號電流的存在不影響交流泄漏電流的監(jiān)測。

2.2 實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路

基于互感原理的潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，該系統(tǒng)主要包括電流互感傳感器、多通路AD采集模塊、LCD顯示屏、報警電路、啟動按鍵以及上位機等。

圖4 潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)上電以后，按下啟動按鍵整個系統(tǒng)開始工作。主控芯片控制多通路AD采集模塊，使其接收井下與電流互感傳感器傳輸?shù)碾娏餍盘?。多通路AD采集模塊將接收到的電流信號發(fā)送給主控芯片處理后，實時監(jiān)測潛油電泵的絕緣工況，并將其顯示到LCD顯示屏，同時發(fā)送給上位機。當監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到潛油電泵出現(xiàn)絕緣故障時，主控芯片控制報警器鳴響報警。

系統(tǒng)互感變送器標準額定值的選取參照油田技術(shù)公司斯倫貝謝(Schlumberger)的潛油電泵監(jiān)測設(shè)備Phoenix xt150的泄漏電流測量指標，見表1。

表1 Phoenix xt150測量參數(shù)及指標

2.3 基于互感原理的潛油泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)

基于互感原理的潛油泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示。潛油電泵系統(tǒng)正常工作時，在運行過程中其絕緣材料逐漸裂化，出現(xiàn)絕緣老化點。則潛油電泵的三相供電線會通過絕緣老化點與電纜鎧皮構(gòu)成回路，產(chǎn)生交流泄漏電流。將電纜鎧皮穿過電流互感變送器的中心孔，利用互感原理將電纜鎧皮上的直流信號電流濾除，提取出絕緣交流電流。交流泄漏電流通過多通路AD采集模塊傳送給MCU。經(jīng)MCU處理后,再通過LCD顯示屏實時顯示潛油電泵系統(tǒng)的絕緣工況，并在上位機中繪制相應(yīng)絕緣曲線，存儲歷史數(shù)據(jù)，作為評估潛油電泵工況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)

3 井況模擬實驗

井況模擬實驗如圖6所示，構(gòu)造一個由交流電源12.78 V供電，可調(diào)負載組成的交流電路(回路1)，代表潛油電泵絕緣泄漏。由恒流源5 V供電的直流電路(回路2)，代表井下機組工作狀態(tài)的直流回路?；芈?負載為510 Ω，回路電流恒為9.891 mA。通過調(diào)節(jié)回路1的可調(diào)負載阻值可得到多組測量數(shù)據(jù)。

圖6 室內(nèi)實驗平臺結(jié)構(gòu)

將這兩個電路都穿過電流互感器中間的空芯，此時電流互感器的空芯中既有直流電流流過，又有交流電流流過。調(diào)節(jié)交流回路負載得到多組測量值并記錄實驗數(shù)據(jù)。記錄完畢后，將回路2撤除，調(diào)節(jié)交流回路負載得到多組測量值并記錄。

由實驗現(xiàn)象可知，電流互感器的孔芯中穿過交流電流和交直流電流這兩種情況下，變送器輸出電流值幾乎沒有變化。實驗記錄結(jié)果見表2，對表2的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 單回路與雙回路電監(jiān)測值對比圖

表2 雙回路與單回路實驗電流互感器的實驗數(shù)據(jù)

此實驗結(jié)果證明電流互感變送器只能測得交流電流， 且回路中存在直流電不影響測量結(jié)果。故利用電流互感原理可以將電纜鎧皮上的代表井下工況的直流信號電流濾除，提取出絕緣交流電流。

將回路1、2與相關(guān)硬件電路、上位機相連。調(diào)節(jié)回路負載得到多組測量值，記錄精密電流表、多通路AD采集模塊，與上位機顯示數(shù)據(jù)。

從表3中的測量結(jié)果可以看出：潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)的測量平均誤差在0.14%以內(nèi)，可以實時、精確地監(jiān)測潛油電泵系統(tǒng)的絕緣工況。

表3 不同負載下絕緣實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計的潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)只能測得交流電流，可以將電纜鎧皮上的代表井下工況的直流信號電流濾除。回路中存在直流電不影響監(jiān)測結(jié)果。

(2)潛油電泵絕緣工況實時監(jiān)測系統(tǒng)的測量誤差小于0.14%，可以實時、精確地監(jiān)測潛油電泵的絕緣工況。

(3)此系統(tǒng)與現(xiàn)有的潛油電泵絕緣檢測方案相比，解決了現(xiàn)有方案不能實時監(jiān)測、操作復(fù)雜、需要頻繁啟停潛油電泵系統(tǒng)的問題，具有良好的應(yīng)用前景。