基于互感原理的潜油泵绝缘工况实时监测系统

刘升虎，王 敏，薛朝霞

(西安石油大学 陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安 710065)

引 言

潜油电泵作为一种重要的石油人工举升设备，在采油过程中发挥着不可替代的作用。近年来，随着易采原油的日益减少，油井的井况越来越复杂恶劣，这就对潜油电泵应用的可靠性提出了更高的要求[1-7]。然而，潜油电泵的绝缘材料在运行过程中受到电、热、机械、不良环境等各种因素的影响会逐渐裂化，造成电流泄漏，引发相间断路起火或对地漏电等危险情况，对潜油电泵设备造成破坏性伤害。为了保证潜油电泵的安全使用，往往是在下井前对其进行绝缘测试[2]。绝缘测试一般使用2.5～10 kV的兆欧表[2]。但此方法只能保证潜油电泵下井前绝缘性能的可靠性，无法实时监测潜油电泵井系统长期工作过程中的绝缘工况。要想知道潜油电泵井长期工作下绝缘性能的好坏，潜油电泵必须全部断电，停止工作。起出全部油管，既浪费时间又花费资金。另一种方法是检测机组绝缘泄漏电流的大小，井下二次仪表向井下提供反压，井下反并联二极管导通，井下电路部分被旁路掉，此时其他部件不能工作[3]。这时系统回路中的电流为机组绝缘泄漏电流。此方法的缺点是，需要频繁启停潜油电泵系统，且不能实时监测潜油电泵系统的绝缘工况。避雷器在长期运行过程中，由于受到系统电压的波动以及各种外界环境因素(如污浊、潮湿等)的影响，会发生绝缘老化[4]。这与潜油电泵绝缘老化情况类似。现阶段高压避雷器已有较为成熟的泄漏电流监测方案。但避雷器的泄漏电流值较大，且安装测量装置需要一定的空间。而潜油电泵井下工作环境恶劣，且空间狭长，测量装置密封，无法应用此方案。

本文设计了一种基于互感原理的潜油电泵绝缘工况实时监测系统，与一般绝缘检测系统相比，此系统解决了现有潜油电泵绝缘检测方案不能实时监测潜油电泵绝缘工况且操作复杂的问题，具有良好的应用前景。

1 潜油电泵及井下状态监测系统

潜油电泵及井下状态监测系统如图1所示。整个系统分为地面系统和井下系统两部分。地面系统主要由地面人工星点、组合单元、井上控制电路等组成。人工星点由一个与井下电机三相绕组参数相同的三相电抗器所构建，利用星点等势原理，为井下监测电路供电。井下部分主要由潜油电机、金属铠装电缆、井下监测电路等构成。金属铠装电缆作为供电通道，井上频率可变的三相动力电源通过金属铠装电缆的三相电源线向井下电机供电，电机负责驱动潜油电泵整套设备开始运转[5]。三相电源线外侧包裹了一层绝缘层，以隔离电力，保护电缆。铠装电缆的最外层为电缆铠皮，作为潜油电泵井下监测电路的地线。井下监测电路将监测到的井下温度、压力、振动等各个被测参数信号转化为4～20 mA标准信号电流，再通过电缆铠皮传给井上系统。井上系统经过AD采集、处理、显示，实时监测井下工况。

图1 潜油电泵及井下状态监测系统示意图

受井下恶劣环境影响，潜油电泵的绝缘材料在其运行过程中会逐渐裂化，出现绝缘老化点。三相供电线会通过绝缘老化点与电缆铠皮构成回路，产生电流泄漏，对潜油电泵的运行形成潜在威胁。由此可以分析得到，潜油电泵的电缆铠皮上既有代表井下潜油电泵工况的直流信号电流，也有代表潜油电泵系统绝缘工况的交流泄漏电流。如果能将电缆铠皮上的直流信号电流滤除，提取出交流泄漏电流，就可以实时监测潜油电泵系统的绝缘工况。

2 潜油电泵绝缘工况实时监测原理

2.1 电流互感器的工作原理

电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量电流的仪器(图2)，由闭合的铁心和原副边两侧绕组组成。电流互感器一般应用于电力系统中，承担电流变换和电气隔离的重要作用[8-10]。

图2 电流互感器工作原理

如图2所示,电流互感器的一次侧绕组匝数N1很少，串在需要测量的电流的线路中。二次绕组的匝数N2较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷Z串联形成闭合回路[11-13]。

一次负荷电流I1通过一次绕组时，被测电路周围会产生磁场，通过电磁感应产生交变磁通φ，副边绕组感应产生依匝数比变化的二次电流I2[14]。电流互感器额定电流比

(1)

潜油电泵绝缘工况实时监测系统原理如图3所示，将电流互感器应用于潜油电泵系统。电缆铠皮上既有代表井下潜油电泵工况的直流信号电流，也有代表潜油电泵系统绝缘工况的交流泄漏电流。 将潜油电泵井的电缆铠皮穿过电流互感器中间的空芯，交流泄漏电流I产生变化的磁场Δφ，再通过匝数比产生相应比例变化的电流I′，借鉴式(1)的原理可得：

图3 潜油电泵绝缘工况实时监测系统原理图

(2)

假设直流信号通过电流互感器产生的电流为I″。因为直流信号电流不产生变化的磁场，无法通过电磁感应产生交变磁通，也不会产生感应电流，所以可得：

I″=0。

(3)

因此，当互感器中只通过交流泄漏电流时，互感器产生的感应电流为I′。而当互感器中既通过交流泄漏电流又通过直流信号电流时，将公式(2)、(3)联立方程组可得公式(4)、(5)。

I′+I″=I‴，

(4)

I′=I。

(5)

由公式(4)、(5)可知，互感器通过交直流信号时产生的感应电流I‴与I′相等，因此分析可知，电流互感器可以将电缆铠皮上的代表井下工况的直流信号电流滤除，提取出交流泄漏电流，且电缆铠皮上的直流信号电流的存在不影响交流泄漏电流的监测。

2.2 实时监测系统硬件电路

基于互感原理的潜油电泵绝缘工况实时监测系统硬件结构如图4所示。系统采用STM32F103作为主控芯片，该系统主要包括电流互感传感器、多通路AD采集模块、LCD显示屏、报警电路、启动按键以及上位机等。

图4 潜油电泵绝缘工况实时监测系统硬件结构

在系统上电以后，按下启动按键整个系统开始工作。主控芯片控制多通路AD采集模块，使其接收井下与电流互感传感器传输的电流信号。多通路AD采集模块将接收到的电流信号发送给主控芯片处理后，实时监测潜油电泵的绝缘工况，并将其显示到LCD显示屏，同时发送给上位机。当监测系统监测到潜油电泵出现绝缘故障时，主控芯片控制报警器鸣响报警。

系统互感变送器标准额定值的选取参照油田技术公司斯伦贝谢(Schlumberger)的潜油电泵监测设备Phoenix xt150的泄漏电流测量指标，见表1。

表1 Phoenix xt150测量参数及指标

2.3 基于互感原理的潜油泵绝缘工况实时监测系统

基于互感原理的潜油泵绝缘工况实时监测系统如图5所示。潜油电泵系统正常工作时，在运行过程中其绝缘材料逐渐裂化，出现绝缘老化点。则潜油电泵的三相供电线会通过绝缘老化点与电缆铠皮构成回路，产生交流泄漏电流。将电缆铠皮穿过电流互感变送器的中心孔，利用互感原理将电缆铠皮上的直流信号电流滤除，提取出绝缘交流电流。交流泄漏电流通过多通路AD采集模块传送给MCU。经MCU处理后,再通过LCD显示屏实时显示潜油电泵系统的绝缘工况，并在上位机中绘制相应绝缘曲线，存储历史数据，作为评估潜油电泵工况的基础数据。

图5 潜油电泵绝缘工况实时监测系统

3 井况模拟实验

井况模拟实验如图6所示，构造一个由交流电源12.78 V供电，可调负载组成的交流电路(回路1)，代表潜油电泵绝缘泄漏。由恒流源5 V供电的直流电路(回路2)，代表井下机组工作状态的直流回路。回路2负载为510 Ω，回路电流恒为9.891 mA。通过调节回路1的可调负载阻值可得到多组测量数据。

图6 室内实验平台结构

将这两个电路都穿过电流互感器中间的空芯，此时电流互感器的空芯中既有直流电流流过，又有交流电流流过。调节交流回路负载得到多组测量值并记录实验数据。记录完毕后，将回路2撤除，调节交流回路负载得到多组测量值并记录。

由实验现象可知，电流互感器的孔芯中穿过交流电流和交直流电流这两种情况下，变送器输出电流值几乎没有变化。实验记录结果见表2，对表2的数据分析结果如图7所示。

图7 单回路与双回路电监测值对比图

表2 双回路与单回路实验电流互感器的实验数据

此实验结果证明电流互感变送器只能测得交流电流， 且回路中存在直流电不影响测量结果。故利用电流互感原理可以将电缆铠皮上的代表井下工况的直流信号电流滤除，提取出绝缘交流电流。

将回路1、2与相关硬件电路、上位机相连。调节回路负载得到多组测量值，记录精密电流表、多通路AD采集模块，与上位机显示数据。

从表3中的测量结果可以看出：潜油电泵绝缘工况实时监测系统的测量平均误差在0.14%以内，可以实时、精确地监测潜油电泵系统的绝缘工况。

表3 不同负载下绝缘实时监测系统的监测数据

4 结 论

(1)本文设计的潜油电泵绝缘工况实时监测系统只能测得交流电流，可以将电缆铠皮上的代表井下工况的直流信号电流滤除。回路中存在直流电不影响监测结果。

(2)潜油电泵绝缘工况实时监测系统的测量误差小于0.14%，可以实时、精确地监测潜油电泵的绝缘工况。

(3)此系统与现有的潜油电泵绝缘检测方案相比，解决了现有方案不能实时监测、操作复杂、需要频繁启停潜油电泵系统的问题，具有良好的应用前景。