电泵绝缘在线监测装置在采油平台的应用

高金虎，欧阳俊，张 雷

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

0 引 言

潜油电泵机组常规绝缘检测设备为兆欧表，工作原理是对被测设备加高压直流电源，进而以测量漏电流的方法得到绝缘值，前提是设备必须断电。由于电泵正常工况下不允许停泵且其结构细长，反复启停对其使用寿命有一定程度的损坏，因此，现场人员通常无法掌握电泵绝缘情况，直至因绝缘问题导致电泵故障停泵，然后等待检泵作业。

某平台引入电泵绝缘在线监测装置，该装置在正常供电电源的基础上叠加较低的直流电源，以达到检测电缆漏电的目的，从而实现不停泵实时监控电缆及电泵机组绝缘数值，以及记录绝缘值变化，并根据设定绝缘下限值进行报警，使用户能够在实时掌握绝缘值的同时预判绝缘故障发生的时间，对于提高电泵机组的安全管理水平具有重要的意义[1]。

1 技术简介

1.1 绝缘在线监测技术原理

1.1.1 绝缘电阻测量方法

海上采油平台一般采用兆欧表测量电气设备的绝缘电阻，即在直流电压作用下测量电缆、电机的泄漏电流。

1.1.2 在线绝缘监测原理

正常工况测量绝缘电阻需设备断电，需在电缆接线端子和大地之间引入高压直流电源测量其泄漏电流。但为了保证在设备运转前提下在线测量绝缘电阻，就不能引入一个额外的高电压[2]，其工作原理如图1 所示。

图1 在线绝缘监测原理图Fig.1 Schematic diagram of online insulation monitoring

由于潜油电泵工作电压高，在线绝缘监测是在现有潜油电泵供电电源基础上额外叠加一个低压直流电源的检测。当被测系统绝缘出现下降时，在供电电源的影响下，会出现绝缘值下降。此时引入一个低压直流电源对绝缘电阻进行测量，根据叠加原理，测量结果就是真实的绝缘电阻，同时由于所叠加的直流电压幅值较低，不会对电泵系统产生影响。

1.1.3 绝缘值计算

潜油电泵绝缘在线监测装置绝缘值采样电路的原理如图2 所示。在绝缘监测原理图的基础上将被测对象系统的绝缘电阻值抽象为Rx，采样电路基准电压V1，采样电压V2，限流电阻Ra、Rc，采样电阻Rb、Rd，直流信号电源电压V。

图2 绝缘值采样电路原理图Fig.2 Schematic diagram of insulation value sampling circuit

基准电压：V1＝V×Rb/(Ra+Rb)

采样电压：V2＝V×Rd/(Rc+Rd+Rx)

绝缘电阻：Rx＝(Ra+Rb)(V1/V2-1)

选定Ra＝Rc＝9 MΩ，Rb＝Rd＝1 MΩ，则：

Rx＝10(V1/V2-1)MΩ

采样电路集成在设备控制板，由专用软件程序完成计算，采样值和计算结果通过触摸屏显示在操作界面中。

1.2 绝缘在线监测设备的技术参数

1.2.1 设备的电气参数

设备的电气参数如表1 所示。

表1 绝缘监测装置详细参数表Tab.1 Detailed parameters of insulation monitoring device

1.2.2 设备的操作界面

操作界面主要由状态显示和曲线显示2 部分组成。

①状态显示：状态显示界面主要显示绝缘监测仪实时监测到的数据，如图3 所示。

图3 状态显示界面Fig.3 Status display interface

绝缘监测仪显示参数包括Rx最大值、Rx最小值、Rx平均值、Rx中间值、标准电压值、采样电压值、频率、采样次数。

Rx最大值：采样间隔时间内的最大采样值。

Rx最小值：采样间隔时间内的最小采样值。

Rx平均值：采样间隔时间内平均采样值。

Rx中间值：Rx最大值和Rx最小值的平均值。

标准电压值：直流信号电源电压值。

频率：潜油电泵机组运行频率。

②曲线显示：实时曲线界面显示包括实时曲线和曲线回放2 部分。实时曲线实时显示绝缘电阻值的最大值、最小值和平均值。曲线回放显示上述4 个电阻值的历史数据。

为了方便观测绝缘值较低时的绝缘变化趋势，数据曲线绝缘电阻测量值均以常用对数的形式显示，触摸屏上清晰显示100 MΩ以下数据值。触摸屏上标识了部分绝缘电阻刻度值。

进入实时曲线有2 种方法：状态显示界面中点击曲线显示进入实时曲线；曲线回放界面中点击实时曲线进入实时曲线，如图4 所示。

图4 曲线显示界面Fig.4 Curve display interface

曲线回放：最长可记录190 d 内绝缘电阻值的历史趋势，曲线回放共11 页显示，可以通过翻页查看某一历史时间段内的绝缘电阻监测值，如图5 所示。

图5 曲线回放界面Fig.5 Curve playback interface

2 绝缘在线监测装置的现场应用

现场油井安装绝缘在线监测装置如图6 所示。

图6 绝缘监测装置安装、接线图Fig.6 Installation and wiring diagram of insulation monitoring device

2.1 绝缘数值

2.1.1 投运初期电泵绝缘在线监测装置投用前，现场使用2 种品牌绝缘表，双表/双档位(直流2 500 V/1 000 V)测量油井电泵机组的绝缘值均大于600 MΩ(以电泵绝缘在线监测装置最大监测值为依据)。2.1.2 投运期间

①油井电泵绝缘在线监测装置与油井启泵同步投入使用。

②油井启泵一段时间后，电泵绝缘检测值由600 MΩ下降到247 MΩ，调取电泵绝缘监测曲线，电泵绝缘值持续下降至244.3 MΩ后趋于稳定，见图7，根据趋势图初步判断电泵或电缆绝缘开始出现损坏情况。

图7 绝缘值监控曲线Fig. 7 Insulation value monitoring curve

③电泵绝缘在线监测装置投用半年后油井电泵绝缘检测值由244.3 MΩ下降到101 MΩ后趋于稳定，见图8。

图8 电泵绝缘监测值Fig.8 Monitoring value of electric pump insulation

④电泵绝缘在线监测装置在一段时间内检测电泵绝缘值在101～49 MΩ之间波动，见图9，经过现场连续重点观察并结合现场天气温湿度值变化，初步判定电泵绝缘在线监测装置对空气湿度较为敏感，并对现场连续监测数据曲线给予了数据支持。

图9 电泵绝缘监测值波动曲线Fig.9 Monitoring value fluctuation curve of electric pump insulation

2.1.3 数据对比

电泵绝缘在线监测装置自投用至油井主动停泵测静压，装置运行稳定，各项检测数据正常，电泵绝缘在线检测装置检测电泵绝缘值92.5 MΩ。利用停泵的机会使用2 种知名品牌绝缘表检测电泵绝缘值为96 MΩ，对比两者测量值基本一致，见图10。

图10 实际值与监测值对比Fig.10 Comparison between actual value and monitoring value

利用油井停泵的机会实测电泵绝缘数值与电泵绝缘在线检查装置的检测数值基本吻合，由此验证电泵绝缘在线检查装置可逐时反映电泵机组绝缘状况，满足现场使用要求，对于电泵机组的安全管理提供更加具有价值的数据分析和指导意义[3]。

3 应用前景

应用潜油电泵绝缘在线监测装置可逐时监控各油井运行状态，提高潜油电泵机组绝缘故障的预判能力，为修井设备资源的合理配置提供重要的数据支持，从而提高修井设备、人员、物料的利用率，在原油生产企业中具有广泛的应用前景。■