Источники электроэнергии и особенности её распределения на предприятиях нефтяной и газовой промышленности

Современный серийный двигатель  электробура является асинхронным двигателем высокого напряжения с короткозамкнутым секционированным ротором. Статор двигателя размещается в цилиндрических корпусах, соединенных между собой коническими резьбами. В корпусе статора запрессованы пакеты магнитной стали, чередующиеся с немагнитными пакетами. Последние устанавливаются для того, чтобы избежать шунтирования магнитного потока через шарикоподшипники и уменьшить потери от вихревых токов, возникающих в местах расположения промежуточных опор ротора. Обмотка статора расположена в пазах. Ее выводные концы соединены кабелем с контактным стержнем, при помощи которого двигатель подключают к кабелю, расположенному в бурильных трубах. Ротор двигателя имеет полый вал с центральным каналом для прохода бурового раствора. На валу насажены секции ротора с алюминиевой «беличьей клеткой»; между ними расположены промежуточные подшипники.

Лубрикаторная система  для создания избыточного давления внутри двигателя, для компенсации  утечки масла через уплотнения и изменения объема масла при нагревании обычно состоит из трех труб, расположенных в верхней части двигателя. Две трубы заполнены трансформаторным маслом и сообщаются с внутренней полостью двигателя, третья, заполняемая более вязким маслом, соединяется с центральной частью верхнего сальника.

Внутри трубы лубрикатора  расположен поршень с пружиной, вверху имеется крышка, а снизу — воронка. При заполнении двигателя маслом поршень поднимается и сжимает пружину. Верхняя часть поршня сообщается с окружающей средой. Таким образом, поршень каждого лубрикатора находится под давлением бурового раствора и пружины, поэтому независимо от давлений окружающей среды внутри двигателя всегда создается избыточное давление, под влиянием которого масло вытекает наружу, препятствуя этим проникновению бурового раствора внутрь машины.

На коническую резьбу нижнего соединительного корпуса  двигателя навинчивается корпус шпинделя, в котором установлены радиальные и упорные подшипники. Шпиндель служит для восприятия и передачи механических нагрузок, а также для передачи вращающего момента от двигателя к долоту. Нагрузка, создаваемая силой тяжести сжатой части бурильной колонны, передается на долото через корпус электробура, пяту и вал шпинделя. Удары и вибрация, возникающие при бурении, передаются таким же путем на колонну бурильных труб, минуя вал двигателя. Шпиндель, имеющий свою лубрикаторную систему, заполняют вязким маслом. У электробура имеется запас масла для нормальной работы в течение 15—20 ч. За этот промежуток времени для смены долота электробур поднимают на поверхность и, если необходимо, добавляют масло   в   лубрикаторы.

При проектировании двигателей электробуров стремятся добиться максимальной мощности при наименьших размерах, определяемых диаметром долота и  технологией бурения. Синхронную частоту вращения двигателя можно определить, исходя из максимально допустимой частоты вращения долота, которая по нормам не должна превышать 1000 об/мин. Конструктивно трудно изготовить погружной двигатель промышленной частоты с синхронной частотой вращения менее 500 об/мин.. Следовательно, синхронная частота вращения двигателей электробуров может быть 500, 600, 750 или 1000 об/мин. Опыт бурения глубоких скважин электробурами свидетельствует о целесообразности снижения частоты вращения вала электробура в сочетании с увеличением его момента. Это достигается применением электробура с зубчатым редукторов-вставкой. У двигателей редукторных электробуров синхронная частота вращения равна 1500 об/мин.

Если при роторном бурении желательно иметь мягкую характеристику и минимальный момент инерции приводного двигателя для предотвращения поломки труб, то при бурении погружными двигателями этой опасности нет. С точки зрения улучшения отработки долот целесообразно, чтобы их частота вращения при толчках нагрузки мало изменялась. Толчки нагрузки должны преодолеваться за счет высокой перегрузочной способности двигателя. Диаметр погружных двигателей невелик, поэтому момент инерции их роторов незначителен. Вследствие этого двигатели электробуров должны иметь жесткую механическую характеристику и значительную кратность максимального момента.

Особенностями двигателей электробуров являются повышенное скольжение в режиме номинальной нагрузки и значительный пусковой момент, достигающий (1,2—1,7) М_н. Выбор такой характеристики обусловлен стремлением обеспечить максимально возможный   пусковой   момент,   сопровождаемый  небольшой кратностью пускового тока. Однако опыт эксплуатации показал, что, несмотря на снижение напряжения при пуске двигателя до (0,75—0,8) U_H, время его разгона до номинальной частоты не превышает 0,2—0,3 с. Поэтому для электробуров необходимо применять двигатели нормального исполнения, имеющие высокие КПД и cos φ, а не двигатели с повышенными пусковым моментом и скольжением.

 

 

Рис. 36. Схема  управления двигателем электробура

Электробур получает питание от сети через ячейку с  выключателем распределительного устройства напряжением 6 кВ и трансформатор СТ, понижающий напряжение до необходимой величины, которая зависит от длины токоподвода к двигателю электробура (рис. 36). У применяемых для этой цели трансформаторов имеются отводы на первичной и вторичной обмотках; необходимое напряжение устанавливают при помощи переключателей, смонтированных внутри трансформатора.

Вторичную обмотку трансформатора СТ присоединяют кабелем к пинцетам разъединителя Р камеры станции управления. В этой камере кроме разъединителя смонтированы трансформаторы напряжения ТН1 и ТН2 и тока ТТ1—ТТ5, питающие цепи защиты, измерения и автоматики, контактор Л, при помощи которого подается напряжение к щеткам кольцевого токоприемника, и предохранители П1—ПЗ.

Одну фазу цепи питания  заземляют путем замыкания на корпус нижнего кольца в токоприемнике; в нижней части колонны бурильных труб присоединяют одну из фаз обмотки двигателя через погружной разъединитель КП. Этот разъединитель предназначен для отключения заземленной фазы обмотки двигателя электробура от колонны бурильных труб и для измерения сопротивления изоляции двух других фаз во время спуска электробура на забой скважины.

Включающим аппаратом  разъединителя КП является маслонаполненный электромагнитный контактор на ток 175 А, с электромагнитами которого связаны два открытых параллельно соединенных контакта. При включении электробура ток двух фаз протекает через катушки электромагнитов контактора и последний замыкает на колонну бурильных труб одну фазу обмотки статора двигателя. Отключение электробура вызывает автоматическое отсоединение обмотки двигателя от колонны бурильных труб.

Чтобы разъединитель КП включался при отсутствии тока в заземленной фазе, т. е. контакты разъединителя КП не включали пусковой ток двигателя, последовательно с контактом контактора Л в заземленной фазе включены контакты контактора К. Этими контактами замыкается цепь тока заземленной фазы, поскольку контактор К включается с некоторой выдержкой времени после включения контактора Л.

Включению двигателя  электробура предшествует включение разъединителя и масляного выключателя в ячейке комплектного устройства высокого напряжения, разъединителя Р и автоматического выключателя А (см. рис. 36). Эти операции приводят к тому, что на силовые цепи и цепи управления подается напряжение, а также замыкаются контакты КСА-М и КСА-Р в цепи катушки контактора Л.    ,

В результате подачи напряжения на цепи управления в катушках реле РП2, РВ1 и РВЗ, питаемых постоянным током от выпрямителя ВС, будет протекать ток. Якори этих реле притянутся,  и реле мгновенно закроют свои  замыкающие контакты в цепи катушек контактора Л и реле времени РВ4. Последнее мгновенно притягивает свой якорь и закрывает замыкающий контакт в цепи катушки контактора Л. Одновременно открываются размыкающие контакты реле РВ1, РВ2 и РВЗ в цепи катушек сигнальных реле РС2, РСЗ и контактора К.

Нажатие кнопки «Пуск» вызывает включение контактора Л, который замыкает свои главные контакты в цепи питания двигателя электробура ЭБ, что в свою очередь приводит к протеканию тока в цепи катушек погружного разъединителя К.П. Последний замыкает одну фазу обмотки двигателя на трубу.

Включение контактора Л приводит также к открыванию его размыкающих и закрыванию замыкающих вспомогательных контактов. Это влечет за собой обесточивание катушки реле времени РВЗ, которое с выдержкой времени закроет свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора К и откроет свой замыкающий контакт в цепи катушки реле времени РВ4. Таким образом, катушка контактора К получает питание с выдержкой времени после включения контактора Л и замыкает цепь заземленной фазы двигателя электробура. Если по какой-либо причине контактор К не включился за время выдержки реле времени РВ4, последнее открывает свой контакт в цепи кнопки «Пуск» и разрывает цепь катушки контактора Л, что вызывает его отключение и, следовательно, возврат схемы в первоначальное состояние.

Если же пуск двигателя  электробура произошел нормально, кнопка «Пуск» и контакт РВ4 оказываются шунтированными закрывшимися вспомогательными контактами Л и К. Для остановки двигателя электробура нажимают кнопку «Стоп», разрывающую   цепь   катушки   контактора   Л.

В схеме предусмотрена мгновенная защита от коротких замыканий в токоподводе, осуществляемая реле РМ1 и РМ2, которые срабатывают при токе, большем на 15% пускового тока двигателя электробура. Срабатывание реле РМ1 или РМ2 вызывает разрыв цепи катушки реле РП2, которое своим замыкающим контактом разрывает цепь катушки контактора Л, отключающего двигатель ЭБ. Одновременно включаются сигнальные реле РС1 и промежуточное реле РП1. Последнее открывает свой размыкающий контакт с ручным возвратом в цепи катушки реле РП2, препятствуя повторному включению контактора Л на короткое замыкание.

Для защиты от перегрузок служит реле РМП, а от заклинивания долота — реле РМЗ. Реле РМП срабатывает при токе 1,2/н, а реле РМЗ — при токе 1,6 I_н. Сработав, эти реле разрывают цепи катушек реле времени РВ1 и РВ2 соответственно, которые с выдержкой времени разрывают цепь питания катушки контактора Л. Выдержка времени реле РВ1 больше выдержки времени реле РВ2, поэтому кратковременные перегрузки не вызывают отключения двигателя электробура.

В схеме предусмотрена  сигнализация положения контактора Л и причин его отключения. При отключенном контакторе Л горит зеленая лампа ЛЗ, при включенном — красная лампа ЛК. Если контактор отключил реле РМ1, РМ2, РМП или РМЗ, загорается желтая лампа ЛЖ- Срабатывание этих реле вызывает также включение соответствующих сигнальных реле PCI, PC2 или РСЗ, поэтому обслуживающий персонал может узнать, какой защитой отключен электробур. Белая лампа ЛБ служит для освещения станции управления электробуром.

Токи всех трех фаз двигателя электробура измеряются амперметрами Al, A2 и A3, а напряжение — вольтметром В. Возможно также включение ваттметра для измерения мощности, потребляемой электробуром (ваттметр в схеме не показан). Для определения времени работы двигателя электробура служит счетчик (в схеме не показан). Трансформаторы тока ТТ1 и ТТ2 питают схему автоматического регулятора подачи долота АВТ1 или АВТ2.

В схеме предусмотрены  блокировки, исключающие ошибочные действия персонала и его прикосновение к токоведущим частям, находящимся под напряжением.

Так, при открывании двери  ячейки высокого напряжения станции  управления дверной выключатель ВД1 отключает масляный выключатель в комплектном распредустройстве. Выключатель ВД2 отключает контактор Л, если открыта дверь камеры включения радъединителя Р. Предусмотрены механические блокировки, исключающие включение разъединителя Р при включенном контакторе Л и открывание двери ячейки высокого напряжения при включенном разъединителе Р.

На кафедре электрооборудования и электрических машин МИНХ и ГП им. Губкина был разработан погружной бесконтактный отделитель, схема которого показана на рис. 37, а. Согласно этой схеме, в фазу А обмотки двигателя включены неуправляемый полупроводниковый диод НВ и тиристор УВ, соединенные по встречно-параллельной схеме. При подведении к токоподводу электробура переменного рабочего напряжения t/раб в течение одного полупериода открыт диод НВ, а в течение второго полупериода открыт тиристор УВ, так как на него подается управляющий сигнал от устройства управления УУ. Это устройство может получать питание от фазных проводов токо-подвода через трансформатор и разделительную емкость, либо управляться падением напряжения в диодах.

После отключения рабочего напряжения U_раб контактором Л (см. рис. 36) оба вентиля закрываются и к цепи токо-подвода может быть присоединен источник измерительного напряжения U_изм (см. рис. 37) постоянного тока. Измерительный ток будет определяться сопротивлением изоляции. Источником измерительного тока и прибором для измерения сопротивления изоляции    является   ламповый   мегомметр,    к   которому    при помощи пробника во время спуско-подъемных операций присоединяют фазы токоподвода. При наличии бесконтактного отделителя не нужны контактор К и реле времени РВЗ и РВ4, показанные на рис. 36.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.  37.   Схема   (а)  и конструкция   (б) бесконтактного отделителя

 

 

В корпусе 1 погружного бесконтактного отделителя (рис. 37, б) монтируется контейнер 4 с коммутирующим узлом 3. Жила кабеля, соединяющая фазу обмотки с бурильной трубой, вводится в контейнер 4 посредством герметичного ввода 5. Полость контейнера не заполнена жидкостью для выравнивания давления, поскольку герметичный ввод может противостоять давлению, превышающему 50 МПа.

Для улучшения условий охлаждения вентилей коммутирующего узла 3 последние расположены в верхней части контейнера 4, которая наиболее интенсивно охлаждается промывочной жидкостью, закачиваемой в скважину. Для упрощения монтажа вентилей последние укреплены в переходной детали 2 из материала, обладающего высокой теплопроводностью. Длина отделителя в корпусе составляет 2190 мм, наружный диаметр 170 мм, номинальный ток 200 А.