УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ КАБЕЛЯ
CABLE CONDITION MONITORING DEVICE

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике, может быть использовано для предотвращения короткого замыкания силового кабеля определением сопротивления его изоляции (например, кабеля питания погружного электродвигателя при эксплуатации, обслуживании и исследовании скважин для добычи флюида).
Известен способ обнаружения однофазного замыкания на землю (патент РФ на изобретение №2438139, опубл. 27.12.2011, Прозоровский Е.Е.), основанный на возбуждении импульсного высокочастотного сигнала в силовом кабеле через проводник заземления его токопроводящей оболочки. Об однофазном замыкании на землю судят по скачку амплитуды этого сигнала.
Известен также способ мониторинга оборудования проводных сетей электросвязи и устройство для его осуществления (патент РФ на изобретение №2331080, опубл. 10.08.2008, ЗАО НПЦ "Компьютерные технологии"), содержащее блок нормализации входных сигналов и мультиплексирования, блок переключения напряжения питания, связанные с блоком питания и микропроцессором. При этом проводят мониторинг состояния нескольких линий, циклически контролируя во времени короткое замыкание или обрыв каждой путем определения тока линии до датчика. Блок нормализации входных сигналов и мультиплексирования выполнен с возможностью определения тока в каждой линии и возможностью защиты входов устройства от высокого напряжения. Блок переключения напряжения питания выполнен в виде двух оптоключей с возможностью одновременного переключения этих оптоключей. Каждая линия снабжена двумя сопротивлениями, установленными на ее конце, одно из которых шунтируется контактами датчика. Несмотря на возможность непрерывного мониторинга состояния каждой из линий, устройство и способ не позволяют отслеживать предаварийные ситуации.
В настоящее время известны устройства, позволяющие проводить непрерывный контроль состояния кабеля питания погружного электродвигателя, дающие показания о предаварийном состоянии кабеля, до возникновения КЗ. Такой мониторинг осуществляют в наземных модулях, входящих в состав станций управления погружными электронасосами производства АО «ЭЛЕКТОН» (Москва), ЗАО «БОРЕЦ» (Москва), АО «ИРЗ» (Ижевск).
Например, модуль наземный (МН) ТМС-Э5 (производитель АО «ИРЗ», РЭ ЭЦВИЯ.468156.117, 2012), являющийся ближайшим аналогом предлагаемого устройства мониторинга состояния кабеля, содержащий устройство управления, подключенный к его первому выходу блок подачи измерительного напряжения, выход которого подключен к многофункциональному входу/выходу МН, к которому подключен вход блока снятия первичной информации, и квантователь (блок измерения изоляции - для оцифровывания остаточного напряжения), выход которого подключен к входу устройства управления, информационный вход/выход которого является информационным входом/выходом МН. МН позволяет в отличие от вышеописанных технических решений диагностировать не короткое замыкание кабеля, а его сопротивление изоляции, замеряя падение уровня постоянного напряжения на тестируемом кабеле. При этом удается обнаружить лишь значительные повреждения изоляции кабеля. Однако, при начальных повреждениях изоляции жил кабеля утечку тока обнаружить не удается, так как так как при высоком сопротивлении изоляции кабеля (для кабелей питания погружных электродвигателей этот диапазон - выше 10 Мом) падение напряжения крайне мало.
Задачей технического решения является создание устройства мониторинга состояния кабеля, позволяющего обеспечить долгосрочное прогнозирование отказа кабеля питания электродвигателя, мониторинг показаний состояния кабеля на всем протяжении его эксплуатации, позволяющий потребителю отслеживать утечку тока на корпус обсадной трубы скважины при незначительных повреждениях изоляции жил кабеля. Обнаружение малых значений на фоне высоковольтных широкополосных помех на линии связи является нетривиальной задачей.
Обнаружение утечки тока на начальных стадиях повреждения изоляции позволит улучшить процедуру прогнозирования деградации кабеля за счет возможности построения долговременных трендов падения сопротивления, начиная с начала пуска его в эксплуатацию. К примеру, при спуске в скважину одной из причин выхода кабельной линии из строя является протечка скважинного флюида к токопроводящей жиле через микротрещины изолирующего слоя кабеля. Процесс падения сопротивления кабеля при такой протечке идет по нисходящей экспоненте и, как следствие, на начальных этапах падение сопротивления во времени крайне мало.
Для решения задачи служит устройство мониторинга состояния кабеля (УМСК), выполненное с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все элементы, требующие питания. УМСК содержит устройство управления (УУ) для сбора, обработки и передачи информации, вход/выход которого является информационным входом/выходом УМСК. К первому выходу УУ подключен вход (первый) устройства подачи измерительного напряжения (УПИН), выход которого подключен к многофункциональному входу/выходу УМСК, к которому подключен вход устройства снятия первичной информации (УСПИ), и квантователь, выход которого подключен к входу УУ. При этом УМСК дополнительно содержит устройство переключения диапазона сопротивлений (УПДС), первый вход которого подключен к выходу УСПИ, выход - к входу квантователя, а второй вход - к второму выходу УУ, а также устройство регулировки измерительного напряжения (УРИН), вход которого подключен к третьему выходу УУ, а выход - к второму (дополнительному) входу УПИН.
Предпочтительно, чтобы к четвертому выходу УУ было подключено калибровочное устройство (УК) с набором калибровочных сопротивлений изоляции, выход которого подключен к многофункциональному входу/выходу УМСК для возможности проведения настройки измерительных трактов (УУ) в ручном режиме на месте установки - при отключении от линии связи.
В предлагаемом техническом решении УУ может быть реализовано на различных программируемых устройствах, удовлетворяющих габаритам УМСК.
УПИН, УПДС, УИИ, УСПИ, УК, УРИН могут быть реализованы аппаратно (электромеханическими устройствами) либо программно-аппаратно для снижения аппаратных требований и алгоритмического упрощения программного обеспечения УУ.
Диапазон работы УРИН 6, набор фильтров в УПДС 4, набор калибровочных сопротивлений изоляции в УК 7 выбирают в соответствии с характеристиками кабеля и необходимой точностью измерений.
Далее состав и работа устройства мониторинга состояния кабеля будут описаны в предпочтительном варианте исполнения.
Фиг. - структурная схема устройства мониторинга состояния кабеля в предпочтительном варианте исполнения.
Представленное на Фиг. устройство мониторинга состояния кабеля (далее - УМСК) содержит устройство управления 1 (УУ), вход/выход которого является информационным входом/выходом УМСК, а также устройство подачи измерительного напряжения 2 (УПИН), первый вход которого подключен к первому выходу УУ 1, а выход - к многофункциональному входу/выходу (далее - МФ Вх/Вых) УМСК. К последнему подключен вход устройства снятия первичной информации 3 (УСПИ), выход которого подключен к первому входу устройства переключения диапазона сопротивлений 4 (УПДС). Выход УПДС 4 через квантователь 5 подключен к входу УУ 1, а второй вход - к второму выходу УУ 1. Третий выход УУ 1 соединен с вторым входом УПИН 2 через устройство регулировки измерительного напряжения 6 (УРИН). Между четвертым выходом УУ 1 и МФ Вх/Вых УМСК подключено калибровочное устройство 7 (УК).
В качестве квантователя 5 в данной реализации технического решения выбран аналого-цифровой преобразоваль (АЦП) напряжения определенного диапазона (обычно это АЦП от 3 до 5В, в редких случаях - до 12В). В других реализациях для дальнейшей обработки УУ 1 могут быть выбраны устройства, преобразующие аналоговый сигнал в длительность, частоту или скважность периодического сигнала.
В УМСК оценивают уровень падения напряжения на его МФ Вх/Вых для оценки состояния изоляции подключенной к нему линии связи с электрическим кабелем (основной рабочий режим) либо при проведении периодической калибровки устройства последовательной подачей калибровочных сопротивлений на МФ Вх/Вых от УК 7 (калибровочный режим). Рассмотрим работу УМСК подключенного линией связи трехфазный трансформатор - кабель питания к погружному электродвигателю (ПЭД). УМСК начинает работу при подаче необходимого напряжения питания на все устройства, требующие питания.
изм1
измерительный
изм
измерительный
изоляции
n
усn
n
n
усn
n
n
усn
n
изм
max
измерительный
изt
усn
изt
В основном режиме УУ через выход 1 передает команду в УПИН на подачу измерительного напряжения U через установленное в нем известное сопротивление R (эталонное измерительное сопротивление) на МФ Вх/Вых и далее - на кабель питания. Падение напряжения (остаточное от U), полученное на резистивном делителе R/R поступает с МФ Вх/Вых УМСК на вход УСПИ 3, выполняющего функции защиты от перенапряжений, фильтрации и усиления поступающего сигнала. Выделенный сигнал остаточного напряжения поступает на первый вход УПДС 4, настроенное на один из набора У (1<n<N) усилителей напряжения, соответствующих различным определенным в УУ 1 коэффициентам усиления К для каждого установленного диапазона падения сопротивления изоляции ΔR. Параметры У, К, ΔR зависят от изначальных параметров изоляции кабеля, измерительного напряжения, а также параметров квантователя 5, требуемой точности измерений. На начальных этапах эксплуатации кабеля, когда падения напряжения во времени еще очень малы, поступающее с МФ Вх/Вых падение напряжения в УПДС 4 оцифровывают в квантователе 5. Пока результирующее значение напряжения с выхода УПДС 4 находится в диапазоне работы квантователя 5, в УУ 1 пересчитывают его в эквивалентное значение сопротивления изоляции. Если результирующее значение напряжения с выхода УПДС 4 не попадет в диапазон работы квантователя 5, в УУ 1 производят переключение диапазона падения сопротивления изоляции ΔR, понижая К, и подают команду на второй вход УПДС 4 для соответствующего изменения У, уменьшая результирующее напряжение на выходе УПДС 4. Процесс повторяют вплоть до получения приемлемого результата, пока результирующее напряжение не попадет в диапазон работы квантователя 5. В случае получения высокого значения сопротивления изоляции по результирующему напряжению УУ 1 через третий выход подает команду на блок регулировки измерительного напряжения для увеличения измерительного напряжения в УПИН 2 через его второй вход. Увеличенное вплоть до максимально возможного измерительное напряжение (U) через то же R через МФ Вх/Вых поступает на кабель. Далее производят процесс замера и вычисления изоляции кабеля вновь, как описано выше - через МФ Вх/Вых, УСПИ 3, УПДС 4, квантователь 5. Вычисляют с заданной точностью итоговое значение сопротивления изоляции в момент времени t (R) по установленным K, ΔRn, измерительному напряжению, а также замеренному значению падения напряжения. R передают через вход/выход УУ 1 на информационный вход/выход УМСК для передачи к внешнему устройству (потребителю). Передачу производят, например, модификацией значений доступных для чтения регистров ModBus RTU.
n
усn
n
изм
изм
m
изм max
изм
М
Таким образом, для корректной оцифровки постепенно увеличивающегося падения напряжения при ухудшении состояния изоляции кабеля на высоких сопротивлениях, постепенно переходят к соответствующим диапазонам измеряемых сопротивлений ΔR в УУ 1, понижая К корректируя соответственно У для уменьшения значения U, которое могут изменять плавно - например, для каждого из определенных ΔRn, либо дискретно - нескольким последовательным ΔRn соответствует U (1<m<M, M<N, U=U).
n
усn
n
измm
При больших падениях напряжения, аналогично переходят к соответствующему диапазону измеряемых сопротивлений ΔR для корректной оцифровки в квантователе 5 и повышения точности измерений. При этом в УУ 1 изменяют увеличивая К для выбора в УПДС 4 У, увеличивая значение остаточного напряжения, далее оцифровывают результирующее напряжение и при необходимости уменьшают U.
измm
После изменения U производят процесс замера и вычисления изоляции кабеля вновь, как описано выше. Итоговые вычисленные с заданной точностью значения сопротивления изоляции передают на информационный вход/выход УМСК для передачи потребителю.
усn
n
Существует возможность калибровки передаточной характеристики измерительных трактов УМСК на месте установки. Такая необходимость возникает, когда с течением времени происходит старение радиоэлементов, ведущих к появлению ошибок в процессе передачи аналогового сигнала до квантователя. Для запуска калибровочного режима МФ Вх/Вых УМСК отключают от линии связи и запускают режим калибровки. В этом режиме по командам УУ 1 через УК 7, в котором установлен набор калибровочных сопротивлений изоляции, производят последовательное подключение этих эталонных значений сопротивлений к МФ Вх/Вых (к блоку подачи измерительного напряжения). Процесс измерения сопротивлений аналогичен процессу замера изоляции кабеля. После завершения процесса УУ 1 производит коррекцию коэффициентов передачи аналогового тракта (калибровочных коэффициентов) К для пересчета изоляции, по которым устанавливают У в УПДС 4 и на различных диапазонах сопротивления изоляции ΔRn.
Несмотря на то, что технические решения показаны и описаны со ссылкой на их конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
Например, Квантователь 5 может быть встроен в УУ 1 либо может быть выполнен в виде отдельного устройства. Скорость оцифровывания сигнала при этом значительно выше, но возрастает и стоимость, что не всегда оправдано и востребовано.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении устройства мониторинга состояния кабеля за счет УПДС 4 и УРИН 6, позволяющих проводить во времени корректировку остаточного напряжения при различных сопротивлениях изоляции и измеряемого напряжения обеспечивают возможность расчета сопротивления изоляции кабеля с заданной точностью и оценки потребителем состояния кабеля на всем протяжении его эксплуатации.