電泵絕緣在線監測裝置在采油平臺的應用

高金虎，歐陽俊，張 雷

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

0 引 言

潛油電泵機組常規絕緣檢測設備為兆歐表，工作原理是對被測設備加高壓直流電源，進而以測量漏電流的方法得到絕緣值，前提是設備必須斷電。由于電泵正常工況下不允許停泵且其結構細長，反復啟停對其使用壽命有一定程度的損壞，因此，現場人員通常無法掌握電泵絕緣情況，直至因絕緣問題導致電泵故障停泵，然后等待檢泵作業。

某平臺引入電泵絕緣在線監測裝置，該裝置在正常供電電源的基礎上疊加較低的直流電源，以達到檢測電纜漏電的目的，從而實現不停泵實時監控電纜及電泵機組絕緣數值，以及記錄絕緣值變化，并根據設定絕緣下限值進行報警，使用戶能夠在實時掌握絕緣值的同時預判絕緣故障發生的時間，對于提高電泵機組的安全管理水平具有重要的意義[1]。

1 技術簡介

1.1 絕緣在線監測技術原理

1.1.1 絕緣電阻測量方法

海上采油平臺一般采用兆歐表測量電氣設備的絕緣電阻，即在直流電壓作用下測量電纜、電機的泄漏電流。

1.1.2 在線絕緣監測原理

正常工況測量絕緣電阻需設備斷電，需在電纜接線端子和大地之間引入高壓直流電源測量其泄漏電流。但為了保證在設備運轉前提下在線測量絕緣電阻，就不能引入一個額外的高電壓[2]，其工作原理如圖1 所示。

圖1 在線絕緣監測原理圖Fig.1 Schematic diagram of online insulation monitoring

由于潛油電泵工作電壓高，在線絕緣監測是在現有潛油電泵供電電源基礎上額外疊加一個低壓直流電源的檢測。當被測系統絕緣出現下降時，在供電電源的影響下，會出現絕緣值下降。此時引入一個低壓直流電源對絕緣電阻進行測量，根據疊加原理，測量結果就是真實的絕緣電阻，同時由于所疊加的直流電壓幅值較低，不會對電泵系統產生影響。

1.1.3 絕緣值計算

潛油電泵絕緣在線監測裝置絕緣值采樣電路的原理如圖2 所示。在絕緣監測原理圖的基礎上將被測對象系統的絕緣電阻值抽象為Rx，采樣電路基準電壓V1，采樣電壓V2，限流電阻Ra、Rc，采樣電阻Rb、Rd，直流信號電源電壓V。

圖2 絕緣值采樣電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of insulation value sampling circuit

基準電壓：V1＝V×Rb/(Ra+Rb)

采樣電壓：V2＝V×Rd/(Rc+Rd+Rx)

絕緣電阻：Rx＝(Ra+Rb)(V1/V2-1)

選定Ra＝Rc＝9 MΩ，Rb＝Rd＝1 MΩ，則：

Rx＝10(V1/V2-1)MΩ

采樣電路集成在設備控制板，由專用軟件程序完成計算，采樣值和計算結果通過觸摸屏顯示在操作界面中。

1.2 絕緣在線監測設備的技術參數

1.2.1 設備的電氣參數

設備的電氣參數如表1 所示。

表1 絕緣監測裝置詳細參數表Tab.1 Detailed parameters of insulation monitoring device

1.2.2 設備的操作界面

操作界面主要由狀態顯示和曲線顯示2 部分組成。

①狀態顯示：狀態顯示界面主要顯示絕緣監測儀實時監測到的數據，如圖3 所示。

圖3 狀態顯示界面Fig.3 Status display interface

絕緣監測儀顯示參數包括Rx最大值、Rx最小值、Rx平均值、Rx中間值、標準電壓值、采樣電壓值、頻率、采樣次數。

Rx最大值：采樣間隔時間內的最大采樣值。

Rx最小值：采樣間隔時間內的最小采樣值。

Rx平均值：采樣間隔時間內平均采樣值。

Rx中間值：Rx最大值和Rx最小值的平均值。

標準電壓值：直流信號電源電壓值。

頻率：潛油電泵機組運行頻率。

②曲線顯示：實時曲線界面顯示包括實時曲線和曲線回放2 部分。實時曲線實時顯示絕緣電阻值的最大值、最小值和平均值。曲線回放顯示上述4 個電阻值的歷史數據。

為了方便觀測絕緣值較低時的絕緣變化趨勢，數據曲線絕緣電阻測量值均以常用對數的形式顯示，觸摸屏上清晰顯示100 MΩ以下數據值。觸摸屏上標識了部分絕緣電阻刻度值。

進入實時曲線有2 種方法：狀態顯示界面中點擊曲線顯示進入實時曲線；曲線回放界面中點擊實時曲線進入實時曲線，如圖4 所示。

圖4 曲線顯示界面Fig.4 Curve display interface

曲線回放：最長可記錄190 d 內絕緣電阻值的歷史趨勢，曲線回放共11 頁顯示，可以通過翻頁查看某一歷史時間段內的絕緣電阻監測值，如圖5 所示。

圖5 曲線回放界面Fig.5 Curve playback interface

2 絕緣在線監測裝置的現場應用

現場油井安裝絕緣在線監測裝置如圖6 所示。

圖6 絕緣監測裝置安裝、接線圖Fig.6 Installation and wiring diagram of insulation monitoring device

2.1 絕緣數值

2.1.1 投運初期電泵絕緣在線監測裝置投用前，現場使用2 種品牌絕緣表，雙表/雙檔位(直流2 500 V/1 000 V)測量油井電泵機組的絕緣值均大于600 MΩ(以電泵絕緣在線監測裝置最大監測值為依據)。2.1.2 投運期間

①油井電泵絕緣在線監測裝置與油井啟泵同步投入使用。

②油井啟泵一段時間后，電泵絕緣檢測值由600 MΩ下降到247 MΩ，調取電泵絕緣監測曲線，電泵絕緣值持續下降至244.3 MΩ后趨于穩定，見圖7，根據趨勢圖初步判斷電泵或電纜絕緣開始出現損壞情況。

圖7 絕緣值監控曲線Fig. 7 Insulation value monitoring curve

③電泵絕緣在線監測裝置投用半年后油井電泵絕緣檢測值由244.3 MΩ下降到101 MΩ后趨于穩定，見圖8。

圖8 電泵絕緣監測值Fig.8 Monitoring value of electric pump insulation

④電泵絕緣在線監測裝置在一段時間內檢測電泵絕緣值在101～49 MΩ之間波動，見圖9，經過現場連續重點觀察并結合現場天氣溫濕度值變化，初步判定電泵絕緣在線監測裝置對空氣濕度較為敏感，并對現場連續監測數據曲線給予了數據支持。

圖9 電泵絕緣監測值波動曲線Fig.9 Monitoring value fluctuation curve of electric pump insulation

2.1.3 數據對比

電泵絕緣在線監測裝置自投用至油井主動停泵測靜壓，裝置運行穩定，各項檢測數據正常，電泵絕緣在線檢測裝置檢測電泵絕緣值92.5 MΩ。利用停泵的機會使用2 種知名品牌絕緣表檢測電泵絕緣值為96 MΩ，對比兩者測量值基本一致，見圖10。

圖10 實際值與監測值對比Fig.10 Comparison between actual value and monitoring value

利用油井停泵的機會實測電泵絕緣數值與電泵絕緣在線檢查裝置的檢測數值基本吻合，由此驗證電泵絕緣在線檢查裝置可逐時反映電泵機組絕緣狀況，滿足現場使用要求，對于電泵機組的安全管理提供更加具有價值的數據分析和指導意義[3]。

3 應用前景

應用潛油電泵絕緣在線監測裝置可逐時監控各油井運行狀態，提高潛油電泵機組絕緣故障的預判能力，為修井設備資源的合理配置提供重要的數據支持，從而提高修井設備、人員、物料的利用率，在原油生產企業中具有廣泛的應用前景?！?/p>