电机绝缘监测技术在石油钻机中的应用

牛媛媛

（天水天传电气工程有限责任公司，甘肃 天水 741020）

在石油钻井开采过程中，电机需要连续不间断的运行，加之恶劣的运行环境，使得电机的故障发生率相对较高。常见的交流电机故障包括：接线及接触不良引发的故障、轴承故障、转子故障和定子故障，而定子的绝缘故障占比很高。在以往的钻机系统中，为保证电机安全工作，运行前需采用兆欧表（摇表）对电机进行绝缘程度的测量。处于运行中的电机，当发生绝缘故障时，控制主电机的变频器报警，热继保护器断开辅助电机的供电主回路，然后停机去检修，这种方法效率较低，并且不能实时监测处于运行状态下的电机，导致电机中潜在的故障和隐患问题不能及时被发现。当电机出现严重故障时，还可能造成打钻过程中断，给企业带来经济损失。对钻机系统中交流电机的绝缘状态进行实时在线监测，根据监测到的相关数据提前综合分析预判绝缘故障，继而可以确定电机是继续运行还是停机维护检修，这样可以防止重大电机事故的发生。因此，电机绝缘监测技术有着重要的应用价值。

本系统将绝缘监测技术应用到石油钻井行业中，通过对电机在运行前绝缘阻值的检测和对运行中零序电流的检测来提前预判电机绝缘故障，提前预警，并和触摸屏构成监控系统，保证设备的可靠运行及安全性。

1 工作原理

绝缘监测原理接线图如图1所示。将电机绕组绝缘综合监控设备安装在电气柜内与电机相连的出线电缆侧，通过按键操作，对报警值、超限阈值进行设置，相应继电器输出信号与PLC通过硬件连接；在电机未上电运行前，监控系统的控制器对电机的绕组对地施加连续DC1000V电压，时间为1-300秒，测量其静态绝缘电阻值，然后将测试绝缘值与预设目标值进行对比，从而判断电机定子绕组的绝缘介质水平，提前发现绕组绝缘降低故障，当静态绝缘电阻值小于电机绝缘等级要求的设定值时，显示器闪烁，电气维护人员对电机进行绝缘检修，待检修完成后，控制器再次对电机进行绝缘检测，当静态绝缘电阻值大于电机绝缘等级要求的设定值时，绝缘监测设备输出无源信号，表明电机启动必要条件具备；电机供电断路器合闸后，向绝缘监控设备发出停止检测的信号，控制器施加连续电压的动作停止；当电机投入运行后，监控设备能自动检测零序电流，当检测到的零序电流值大于设定值时，显示器闪烁，说明发生了电机内部湿度增加或进水、对地绝缘下降、进入绝缘损坏过渡前期、或电机三相电压不平衡，缺相等故障；当检测到的零序电流值小于设定值时，说明电机处于正常运行状态。在显示器闪烁的同时，监测设备将继电器状态传送给PLC,经过程序处理后，驱动钻机电控系统蜂鸣器报警。监控器带有RS485输出接口，通过PN-GMODBUS与本地PLC使用以太网来实现通讯，将数据传送给触摸屏和工控机，触摸屏、工控机监控画面会显示实时监测数据和报警画面。

图1 绝缘监测原理接线图

2 系统组成

本系统主要包括绝缘综合监控设备、硬件组态和监控平台。

2．1 绝缘综合监控设备

绝缘综合监控设备包括数据采集单元、控制器、运行显示单元、RS485串行通信接口。控制器采用单片机设计，传感器输入端具有强抗电压冲击能力；运行显示单元采用两路4位数码管显示窗口，分别显示对应位置的零序电流值和绝缘电阻值。

2．2 硬件组态

系统采用的是S7-1500紧凑型PLC系统，是西门子公司专门为中高端设备和工厂自动化设计的新一代PLC,集成了运动控制，工业信息安全和故障安全功能，并提供基于以太网的PROFINET作为主要的通讯网络，极短的系统响应时间可大大提高生产效率，与全集成自动化Portal软件可实现无缝集成。系统硬件组态图如图2所示。

图2 系统硬件组态图

2．3 监控平台

如图3所示，本系统的监控平台主要由触摸屏和工控机组成,工控机安装在电控房的程控柜内，触摸屏安装在司钻控制房内，两者通过以太网和PLC通讯。显示屏能动态显示电机绝缘阻值和零序电流的参数，当PLC有报警状态时，显示故障画面，可实现电机运行的监控、测量数据的显示、历史数据的储存、查询功能。触摸屏和工控机的使用增强了维护人员与设备之间的交流，提高了系统的智能化。触摸屏监测显示图如图4所示。

图3 系统通讯图

图4 触摸屏监测显示图

采用PLC工业级物联宝，与系统间通过Pfofinet网络连接，构成数据采集远程监控系统；通过通讯协议，结合联网宝云平台，还可实现远程下载数据、采集数据。

3 实际应用

在ZJ50DB电控系统中，应用了电机绝缘监测技术，将监测设备接入主电机出线电缆中，在电机未上电运行前，控制器对电机进行绝缘检测，显示输出单元就地显示电机的绝缘阻值。在检测过程中发现转盘电机绝缘值过低，经检查分析后得知是因所处环境潮湿导致绝缘受潮，绝缘电阻降低，不能继续使用，需要做绝缘加强处理。

4 取得成果

在电机检测方面：传统的方法是通过预防性离线试验，其中包括绝缘阻值的测量，一般采用兆欧表人工检测，只能是周期性间断的进行；绝缘监测技术与此方法相比，省去了停送电操作、拆除电机接线盒里电缆等繁琐操作，缩短了检测时间，同时实现了自动检测，即能在不停机的状态下对电机定子绝缘状态做连续的追踪监测，减轻了现场维护人员的劳动强度，节约了人工成本。因为可连续检测，所以除了可以检测绝缘特性的数值外，电气师还可以通过数据分析绝缘特性随时间的变化趋势，提高检测精度和判断的准确性。由定期检测改为自动检测，使管理更科学。

在电机保护方面：电机运行阶段，能对电机进行自动长期监测，电气工程师可以通过分析检测到的实时数据，及时发现电机绝缘降低趋势，提前预警，提醒维护人员尽快安排电机维护检修和保养，将隐患消除在萌芽状态，防止重大事故的发生，延长电机使用寿命，避免造成非正常停机，给企业带来损失。

5 技术遗留问题

为了提高钻机系统中交流电机的可靠性，电机绝缘监测技术需要进一步在精确性和可靠性上提升，未来的发展研究应包括以下内容：

变频器驱动时的电磁干扰问题。在交流钻机系统中，主电机由变频器驱动，在线监测所使用的传感器、探测线圈都会在一定程度上受到电磁干扰的影响，因此，为了不影响检测精度，需考虑电磁屏蔽方面的设计。

PLC通讯中断故障会影响监测设备数据的传输，所以，提高PLC通讯的稳定性也是保障监测系统良好运行的关键因素。

6 结论

目前，本技术已在钻机系统中使用，在实际应用中运行良好，实现了对交流电机在启停阶段的绝缘监测，后续工作将围绕实际应用对绝缘监测技术进一步优化，提升其可靠性。