電機絕緣監測技術在石油鉆機中的應用

牛媛媛

（天水天傳電氣工程有限責任公司，甘肅 天水 741020）

在石油鉆井開采過程中，電機需要連續不間斷的運行，加之惡劣的運行環境，使得電機的故障發生率相對較高。常見的交流電機故障包括：接線及接觸不良引發的故障、軸承故障、轉子故障和定子故障，而定子的絕緣故障占比很高。在以往的鉆機系統中，為保證電機安全工作，運行前需采用兆歐表（搖表）對電機進行絕緣程度的測量。處于運行中的電機，當發生絕緣故障時，控制主電機的變頻器報警，熱繼保護器斷開輔助電機的供電主回路，然后停機去檢修，這種方法效率較低，并且不能實時監測處于運行狀態下的電機，導致電機中潛在的故障和隱患問題不能及時被發現。當電機出現嚴重故障時，還可能造成打鉆過程中斷，給企業帶來經濟損失。對鉆機系統中交流電機的絕緣狀態進行實時在線監測，根據監測到的相關數據提前綜合分析預判絕緣故障，繼而可以確定電機是繼續運行還是停機維護檢修，這樣可以防止重大電機事故的發生。因此，電機絕緣監測技術有著重要的應用價值。

本系統將絕緣監測技術應用到石油鉆井行業中，通過對電機在運行前絕緣阻值的檢測和對運行中零序電流的檢測來提前預判電機絕緣故障，提前預警，并和觸摸屏構成監控系統，保證設備的可靠運行及安全性。

1 工作原理

絕緣監測原理接線圖如圖1所示。將電機繞組絕緣綜合監控設備安裝在電氣柜內與電機相連的出線電纜側，通過按鍵操作，對報警值、超限閾值進行設置，相應繼電器輸出信號與PLC通過硬件連接；在電機未上電運行前，監控系統的控制器對電機的繞組對地施加連續DC1000V電壓，時間為1-300秒，測量其靜態絕緣電阻值，然后將測試絕緣值與預設目標值進行對比，從而判斷電機定子繞組的絕緣介質水平，提前發現繞組絕緣降低故障，當靜態絕緣電阻值小于電機絕緣等級要求的設定值時，顯示器閃爍，電氣維護人員對電機進行絕緣檢修，待檢修完成后，控制器再次對電機進行絕緣檢測，當靜態絕緣電阻值大于電機絕緣等級要求的設定值時，絕緣監測設備輸出無源信號，表明電機啟動必要條件具備；電機供電斷路器合閘后，向絕緣監控設備發出停止檢測的信號，控制器施加連續電壓的動作停止；當電機投入運行后，監控設備能自動檢測零序電流，當檢測到的零序電流值大于設定值時，顯示器閃爍，說明發生了電機內部濕度增加或進水、對地絕緣下降、進入絕緣損壞過渡前期、或電機三相電壓不平衡，缺相等故障；當檢測到的零序電流值小于設定值時，說明電機處于正常運行狀態。在顯示器閃爍的同時，監測設備將繼電器狀態傳送給PLC,經過程序處理后，驅動鉆機電控系統蜂鳴器報警。監控器帶有RS485輸出接口，通過PN-GMODBUS與本地PLC使用以太網來實現通訊，將數據傳送給觸摸屏和工控機，觸摸屏、工控機監控畫面會顯示實時監測數據和報警畫面。

圖1 絕緣監測原理接線圖

2 系統組成

本系統主要包括絕緣綜合監控設備、硬件組態和監控平臺。

2．1 絕緣綜合監控設備

絕緣綜合監控設備包括數據采集單元、控制器、運行顯示單元、RS485串行通信接口。控制器采用單片機設計，傳感器輸入端具有強抗電壓沖擊能力；運行顯示單元采用兩路4位數碼管顯示窗口，分別顯示對應位置的零序電流值和絕緣電阻值。

2．2 硬件組態

系統采用的是S7-1500緊湊型PLC系統，是西門子公司專門為中高端設備和工廠自動化設計的新一代PLC,集成了運動控制，工業信息安全和故障安全功能，并提供基于以太網的PROFINET作為主要的通訊網絡，極短的系統響應時間可大大提高生產效率，與全集成自動化Portal軟件可實現無縫集成。系統硬件組態圖如圖2所示。

圖2 系統硬件組態圖

2．3 監控平臺

如圖3所示，本系統的監控平臺主要由觸摸屏和工控機組成,工控機安裝在電控房的程控柜內，觸摸屏安裝在司鉆控制房內，兩者通過以太網和PLC通訊。顯示屏能動態顯示電機絕緣阻值和零序電流的參數，當PLC有報警狀態時，顯示故障畫面，可實現電機運行的監控、測量數據的顯示、歷史數據的儲存、查詢功能。觸摸屏和工控機的使用增強了維護人員與設備之間的交流，提高了系統的智能化。觸摸屏監測顯示圖如圖4所示。

圖3 系統通訊圖

圖4 觸摸屏監測顯示圖

采用PLC工業級物聯寶，與系統間通過Pfofinet網絡連接，構成數據采集遠程監控系統；通過通訊協議，結合聯網寶云平臺，還可實現遠程下載數據、采集數據。

3 實際應用

在ZJ50DB電控系統中，應用了電機絕緣監測技術，將監測設備接入主電機出線電纜中，在電機未上電運行前，控制器對電機進行絕緣檢測，顯示輸出單元就地顯示電機的絕緣阻值。在檢測過程中發現轉盤電機絕緣值過低，經檢查分析后得知是因所處環境潮濕導致絕緣受潮，絕緣電阻降低，不能繼續使用，需要做絕緣加強處理。

4 取得成果

在電機檢測方面：傳統的方法是通過預防性離線試驗，其中包括絕緣阻值的測量，一般采用兆歐表人工檢測，只能是周期性間斷的進行；絕緣監測技術與此方法相比，省去了停送電操作、拆除電機接線盒里電纜等繁瑣操作，縮短了檢測時間，同時實現了自動檢測，即能在不停機的狀態下對電機定子絕緣狀態做連續的追蹤監測，減輕了現場維護人員的勞動強度，節約了人工成本。因為可連續檢測，所以除了可以檢測絕緣特性的數值外，電氣師還可以通過數據分析絕緣特性隨時間的變化趨勢，提高檢測精度和判斷的準確性。由定期檢測改為自動檢測，使管理更科學。

在電機保護方面：電機運行階段，能對電機進行自動長期監測，電氣工程師可以通過分析檢測到的實時數據，及時發現電機絕緣降低趨勢，提前預警，提醒維護人員盡快安排電機維護檢修和保養，將隱患消除在萌芽狀態，防止重大事故的發生，延長電機使用壽命，避免造成非正常停機，給企業帶來損失。

5 技術遺留問題

為了提高鉆機系統中交流電機的可靠性，電機絕緣監測技術需要進一步在精確性和可靠性上提升，未來的發展研究應包括以下內容：

變頻器驅動時的電磁干擾問題。在交流鉆機系統中，主電機由變頻器驅動，在線監測所使用的傳感器、探測線圈都會在一定程度上受到電磁干擾的影響，因此，為了不影響檢測精度，需考慮電磁屏蔽方面的設計。

PLC通訊中斷故障會影響監測設備數據的傳輸，所以，提高PLC通訊的穩定性也是保障監測系統良好運行的關鍵因素。

6 結論

目前，本技術已在鉆機系統中使用，在實際應用中運行良好，實現了對交流電機在啟停階段的絕緣監測，后續工作將圍繞實際應用對絕緣監測技術進一步優化，提升其可靠性。