УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ
DEVICE FOR CONTINUOUS MONITORING OF CABLE INSULATION RESISTANCE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к контрольно-измерительной технике, и предназначено для использования в качестве технического средства непрерывного контроля сопротивления изоляции и электрической прочности цепи «погружной электродвигатель (ПЭД) - трехжильный силовой кабель» с рабочим напряжением 1-2,5 кВ, применяемого в устройствах электроцентробежного насоса (УЭЦН).
Известно устройство для контроля качества электрической изоляции [1], содержащее импульсный генератор, который вырабатывает электрические импульсы с наперед заданной большой энергией, трансформатор, переключатель режимов работы. Импульсный генератор используется для создания импульсов контроля изоляции катушек. Устройство содержит также мостовые схемы, конденсаторы, микроамперметр и микровольтметр. Однако данное устройство за счет использования генераторов высоких энергий небезопасны для применения в нефтяной промышленности.
Известно также устройство для измерения электрического сопротивления изоляции в электрических жгутах и кабелях сетей, находящихся под напряжением постоянного тока [2], работа которого заключается в том, что перед началом воздействия на измеряемую цепь конденсатора известного номинала потенциал шины корпуса оцифровывается и запоминается. По окончании оценки переходного процесса к шине корпуса подключается заряженный восстановительный конденсатор, который восстанавливает потенциал шины корпуса до запомненного значения. Технический результат - минимальное время между циклами измерения - достигается за счет применения восстановительного конденсатора, ЦАП и компаратора в качестве элемента сравнения, изменяющегося в процессе восстановления потенциала корпуса и запомненного первоначального потенциала корпуса.
Однако данное устройство обладает тем недостатком, что в техническом решении измерения сопротивления изоляции существуют циклы измерения по оценке переходного процесса и время реакции устройства на включение сигнализации при снижении сопротивления изоляции будет значительным по сравнению с заявляемым изобретением.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для контроля качества электрической изоляции [3], включающее источник постоянного напряжения, соединенный с измерителем утечки тока, блоки звуковой и/или световой сигнализации, трансформатор.
Недостатком данного технического решения является то, что не осуществляется непрерывной проверки кабеля на электрическую прочность изоляции с рабочим напряжением 1-2,5 кВ при спуске оборудования в скважину, а проверка порога срабатывания осуществляется в лабораторных условиях, а не непосредственно перед началом работы, как при использовании заявляемого изобретения.
Задачей изобретения является определение снижения контролируемого параметра ниже предельно допустимого значения и оперативного информирования об этом технического персонала в процессе выполнения подземного ремонта скважины, а также исключение настроек и регулировок перед началом работы и, как следствие, простота в эксплуатации. Перед началом работы работоспособность изделия может быть проверена подключением зажима для фиксации трехжильного кабеля к тестовой клемме. Наряду с наличием автономного источника питания, встроенного в устройство, осуществляется возможность установки изделия непосредственно на ребре металлического барабана, на который смотан трехжильный кабель, при этом осуществляется непрерывный контроль сопротивления изоляции кабеля и, как следствие, сокращение трудоемкости и временных затрат технического персонала на измерение контролируемого параметра «вручную».
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля, включающее источник постоянного напряжения, измеритель утечки тока, блоки световой и звуковой сигнализации, повышающий трансформатор, согласно изобретению содержит последовательно соединенные компаратор разряда источника постоянного напряжения и микроконтроллер, выход которого соединен с входами блоков световой и звуковой сигнализации; последовательно соединенные источник опорного напряжения, компаратор сброса генератора, генератор опорной частоты и усилитель мощности; включенные параллельно конденсатор и резистивный делитель, выход которого соединен со вторым входом компаратора сброса генератора; выпрямительный диод, анод которого соединен с одним из выходов вторичной обмотки трансформатора, а катод соединен с одними из выводов резистивного делителя и конденсатора и выполнен с возможностью подключения к трем жилам контролируемого кабеля; эталонный резистор, один из выводов которого подключен к тестовой клемме; измерительный шунт, один вывод которого соединен с другими выводами резистивного делителя и конденсатора и подключен к другому выходу вторичной обмотки трансформатора и первому входу измерителя утечки тока, а другой его вывод соединен с другим выводом эталонного резистора и выполнен с возможностью соединения с шиной корпуса и оплеткой контролируемого кабеля; при этом выход измерителя утечки тока соединен со вторым входом микроконтроллера, а второй его вход соединен со вторым выходом источника опорного напряжения, третий выход которого соединен с первым входом компаратора разряда источника опорного напряжения, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения.
Заявляемое устройство поясняется блок-схемой и включает следующие элементы:
1 - блок световой сигнализации;
2 - микроконтроллер;
3 - источник постоянного напряжения;
4 - блок звуковой сигнализации;
5 - компаратор разряда источника постоянного напряжения;
6 - источник опорного напряжения;
7- измеритель утечки тока;
8 - компаратор сброса генератора;
9 - генератор опорной частоты;
10 - усилитель мощности;
11- повышающий трансформатор;
12 - выпрямительный диод;
13 - резистивный делитель;
14 - конденсатор;
15 - измерительный шунт;
16 - тестовая клемма;
17 - эталонный резистор;
18 - зажим;
19 - шина корпуса.
В устройстве для непрерывного контроля сопротивления изоляции кабеля (на фигуре не показан) компаратор разряда источника постоянного напряжения 5 и микроконтроллер 2 соединены последовательно, при этом выход микроконтроллера соединен с входами блоков световой 1 и звуковой 4 сигнализации. Источник опорного напряжения 6, компаратор сброса генератора 8, генератор опорной частоты 9 и усилитель мощности 10 также соединены последовательно. Кроме этого, устройство содержит включенные параллельно конденсатор 14 и резистивный делитель 13, выход которого соединен со вторым входом компаратора сброса генератора 8, а также высоковольтный выпрямительный диод 12, анод которого соединен с одним из выходов вторичной обмотки трансформатора 11, а катод соединен с одними из выводов резистивного делителя 13 и конденсатора 14 и выполнен с возможностью подключения к трем жилам контролируемого кабеля через зажим 18. Устройство одним из выходов присоединяется к шине 19 корпуса и к оплетке контролируемого кабеля через измерительный шунт 15, другой выход которого соединен с другими выводами резистивного делителя 13 и конденсатора 14 и подключен к другому выходу вторичной обмотки трансформатора 11 и первому входу измерителя утечки тока 7. Выход измерителя утечки тока 7 соединен со вторым входом микроконтроллера 2, а второй его вход соединен со вторым выходом источника опорного напряжения 6, третий выход которого соединен с первым входом компаратора разряда источника опорного напряжения 5, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения 3.
Устройство представляет собой автономный электронный измерительный блок и размещается в герметичном металлическом контейнере, закрепляемом на ребре рабочего барабана с кабелем, спускаемым в скважину совместно с ПЭД. Имеет особо конструктивно выполненные коммутационные элементы для обеспечения быстрого и надежного подключения к контролируемой электрической цепи.
Электропитание устройства осуществляется от внутреннего источника постоянного напряжения (аккумулятора) 3 напряжением 12 В, размещенного в специальном изолированном отсеке контейнера.
Заряд аккумулятора по мере необходимости осуществляется от электрической сети переменного тока напряжением 220 В 50 Гц посредством стандартного зарядного блока типа сетевого адаптера, входящего в комплект поставки устройства.
Устройство непрерывного контроля сопротивления изоляции электрической цепи «погружной электродвигатель (ПЭД) - трехжильный силовой кабель» работает следующим образом.
Для оперативного контроля работоспособности устройства перед началом работы зажим 18 подключается к тестовой клемме 16, имитируя ситуацию по снижению сопротивления изоляции ниже допустимого предела (100 Мом) за счет эталонного резистора 17, при этом устройство считается работоспособным, если срабатывают блоки световой 1 и звуковой 4 сигнализации.
Устройство своим выходом подключается клеммой 18 «зажим» к 3-м жилам силового кабеля, а корпус устройства, конструктивно сопряженный с клеммой 19 «шина корпуса», монтируется на ребре рабочего барабана с силовым кабелем специальной струбциной, осуществляющей надежный электрический контакт. Напряжение высокой частоты, поступающее с генератора опорной частоты 9 на вход усилителя мощности 10, к которому подключен повышающий трансформатор 11, преобразуется на выходе повышающего трансформатора 11 в импульсы напряжения высокой полярности. Затем детектируются выпрямительным диодом 12 и сглаживаются конденсатором 14 до уровня напряжения, необходимого для проведения измерения сопротивления изоляции между клеммами «зажим» 18 и «шина корпуса» 19. Напряжение обратной связи из общей точки резистивного делителя 13 поступает на вход блока 8 компаратора сброса генератора, где сравнивается с опорным напряжением блока 6 источника опорного напряжения. При достижении заданной величины измерительного напряжения на клемме 18 «зажим» с выхода блока 8 компаратора сброса поступает сигнал запрета генерации на блок 9 генератора опорной частоты, осуществляя старт/стопный режим последнего, тем самым снижая ток потребления устройства в целом для осуществления продолжительного режима работы и поддержания заданной величины измерительного напряжения.
При снижении сопротивления изоляции в контролируемой цепи увеличивается падение напряжения на измерительном шунте 15, которое поступает на блок 7 измерителя утечки тока, где сравнивается с опорным напряжением, поступающим с блока 6 источника опорного напряжения. При снижении сопротивления изоляции в измеряемой цепи ниже допустимого предела с выхода блока 7 измерителя утечки тока поступает сигнал на блок 2 микроконтроллера, который включает блок 1 световой и звуковой 4 сигнализации.
При снижении уровня напряжения, поступающего от источника постоянного напряжения 3, ниже уровня, необходимого для нормальной работы всех блоков устройства, после сравнения с опорным напряжением, поступающим с блока 6 источника опорного напряжения, срабатывает компаратор разряда источника постоянного напряжения 5 и передает на блок 2 микроконтроллера сигнал, запрещающий работу устройства. С выхода блока 2 микроконтроллера совокупность управляющих сигналов в заданной последовательности включают блоки световой 1 и звуковой 4 сигнализации, что говорит о необходимости заряда источника постоянного напряжения 3.
Таким образом, за счет использования в составе устройства подзаряжаемого источника постоянного напряжения обеспечивается непрерывный контроль сопротивления изоляции, а за счет наличия в устройстве и других элементов, являющихся существенными признаками заявляемого устройства и вошедших в отличительную часть формулы изобретения, обеспечивается оперативное определение снижения контролируемого параметра - сопротивления изоляции трехжильного кабеля - ниже предельно допустимого значения.
Источники информации
1. DE 1927302, МПК Н02К 15/00, опубл. 12.02.1970 г.
2. RU 2289142 C1, МПК G01R 27/16, опубл. 10.12.2006 г.
3. RU 11414 U1, МПК Н02К 15/00, H01B 11/00, опубл.16.09.1999. г.