ЗАЩИТА СКВАЖИННЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ СЕЛЬСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ЗАЩИТА СКВАЖИННЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ СЕЛЬСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Научная статья

Супроненко Н.Н.^1, *, Щеголева А.Б.²

^{1, 2} Смоленский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, Смоленск, Россия.

* Корреспондирующий автор (supr49.10.02[at]yandex.ru)

Аннотация

Для централизованного водоснабжения животноводческих ферм и сельских поселков применяют скважинные электронасосные агрегаты. Бесперебойное водоснабжение зависит от надежной безаварийной работы электродвигателя скважинного насоса.

В Смоленском НИИСХ разработано устройство автоматического управления скважинными насосами с новыми защитами погружного электродвигателя от аварийного выхода из строя. Устройство содержит защиты от опасных режимов работы: часто повторяющихся изменений напряжения питания электродвигателя скважинного насоса, одновременного замыкания контактов манометра и цепей управления.

Применение разработанного устройства автоматического управления скважинными насосами с защитой погружного электродвигателя позволяет снизить аварийный выход из строя электронасосных агрегатов сельского водоснабжения.

Ключевые слова: устройство автоматического управления, защита электродвигателя скважинного насоса.

PROTECTION OF SUBMERSIBLE ELECTRIC PUMPS FOR RURAL WATER SUPPLY FROM EMERGENCY OPERATION MODES

Research article

Supronenko N.N.^1, *, Schegoleva A.B.²

^{1, 2} Smolensk Research Institute of Agriculture, Smolensk, Russia.

* Corresponding author (supr49.10.02[at]yandex.ru)

Abstract

Electric pump units are used for the centralized water supply of livestock farms and rural settlements. Uninterrupted water supply depends on the reliable, trouble-free operation of the submersible pump motor.

In Smolensk Agricultural Research Institute they developed a device for automatic control of submersible pumps with new submersible motor protection against emergency failure. The device contains protection from hazardous operation modes: frequently repeated changes in the supply voltage of the electric motor of the submersible pump, simultaneous closure of the manometer contacts and control circuits.

The use of the developed device for automatic control of simultaneous pumps with the protection of a submersible electric motor allows reducing the emergency failure of electric pump units of rural water supply.

Keywords: an automatic control device, protection of a submersible pump motor.

В настоящее время, централизованное водоснабжение животноводческих ферм и сельских поселений осуществляется из артезианских скважин погружными электронасосами. Повышенные требования к бытовым условиям сельского населения, применение прогрессивных технологий содержания животных предполагает бесперебойное обеспечение артезианской водой сельхозпотребителей.

Погружные электронасосные агрегаты являются основным узлом систем водоснабжения, от надежной работы которых зависит бесперебойная подача воды потребителям. Поэтому главной задачей эксплуатационных служб является обеспечение безаварийной работы погружных электродвигателей скважинных насосов [1]. Выход из строя электродвигателя скважинного насоса приводит к значительным перерывам в водоснабжении из-за трудоемкости и сложности замены всего насосного агрегата, а также к значительным экономическим затратам в связи с приобретением нового насоса и выполнением дорогостоящих работ по его замене.

Методы и результаты исследований

Погружные асинхронные водозаполненные электродвигатели предназначены для привода скважинного насоса, подающего воду из подземного источника в водопроводную сеть или в накопительную емкость [2]. При работе скважинного насоса могут возникать разнообразные аварийные ситуации: асимметричное электропитание, механические повреждения, неисправности в системах управления. Основной причиной аварийного выхода из строя погружных электродвигателей скважинных насосов является перегрев статорной обмотки током, превышающим номинальный рабочий, с последующими межвитковыми замыканиями из-за несвоевременного отключения от сети.

Анализ аварийных выходов из строя скважинных насосов выявил в применяемых станциях управления отсутствие защит: от часто повторяющихся скачков фазных напряжений, от одновременных замыканий контактов манометра, от гидравлических ударов при отключении насоса.

В сельских сетях часто возникают кратковременные глубокие (до 140 – 160 В) многократно повторяющиеся провалы напряжения в любой из фаз [3, C. 40-51]. Это может происходить из - за кратковременных перегрузок в одной из фаз, особенно при работе однофазного сварочного трансформатора, или из - за кратковременных коротких замыканий проводов воздушной линии и несрабатывании защиты на трансформаторной подстанции. Поэтому защита от несимметричного питания (пропажи фазы) должна иметь либо самоблокировку, либо задержку времени на включение после восстановления симметричного питания.

При включении и отключении погружного электронасоса в трубопроводе возникают резкие скачки давления, а в электроконтактном манометре (ЭКМ) - резкие колебания стрелки ЭКМ, при которых возможно длительное замыкание контактов верхнего и нижнего уровней с контактом стрелки ЭКМ. Также в процессе эксплуатации возможны замыкания в проводах управления и присоединительных зажимах ЭКМ и устройства управления. В этих случаях возникает аварийный режим работы электродвигателя, характеризующийся частыми включениями и отключениями электродвигателя, что приводит к перегреву статорной обмотки пусковыми токами и к межвитковым замыканиям.

В Смоленском НИИСХ разработано и прошло Государственные приемочные испытания устройство автоматического управления скважинными насосами с защитой погружного электродвигателя от аварийного выхода из строя (рис.1) [4, С. 25], [5, С. 68-70].

Устройство управления предназначено для автоматизации процесса подъема питьевой воды из артезианской скважины в водонапорную башню или гидроаккумулятор [6]. Управление электронасосом осуществляется по сигналам, поступающим от электроконтактного манометра.

Рис.1 – Блок-схема устройства автоматического управления скважинным насосом с защитой электродвигателя от аварийных режимов работы

1 – блок питания; 2 – блок защиты; 3 – блок управления; 4 – выходное реле; 5 – электромагнитный пускатель; 6 – логический элемент И; 7 – фильтр напряжений нулевой последовательности; 8 – эмиттерный повторитель; 9 – блок формирования задержек времени на обратную коммутацию; М – двигатель; ТТ – трансформатор тока

Блок питания 1 состоит из понижающего трансформатора, двухполупериодного выпрямителя и сглаживающего фильтра. Полученное постоянное напряжение  осуществляет питание блока управления 3, блока защиты 2 и выходного реле 4.

Блок управления 3 получает сигналы от датчика давления ЭКМ и с выхода блока защиты 2. В зависимости от величины этих сигналов срабатывает пороговый элемент блока управления, который включает или выключает выходное реле 4. При включении и выключении насоса в трубопроводе возникают значительные резкие изменения давления воды, что приводит к колебаниям стрелки электроконтактного манометра, установленного на трубе трубопровода, что в свою очередь приводит к ложным переключениям блока управления.

Для исключения ложных переключений необходимо блокировать пороговый элемент системы управления на время протекания переходного процесса как после включения, так и после выключения электродвигателя  насоса. Эту задачу решает блок формирования задержек времени 9 на включение после отключения и на отключение после включения (обратная коммутация выходного реле). Принцип работы формирователя задержек времени на обратную коммутацию основан на заряде и разряде конденсатора, напряжение с которого поступает на вход эмиттерного повторителя 8. С выхода эмиттерного повторителя изменяющееся напряжение подается на общий контакт датчика давления ЭКМ, который при изменении давления своими контактами переключает пороговый элемент блока управления 3 с соответствующими задержками времени. В результате, выходное реле 4, электромагнитный пускатель 5 и электродвигатель М скважинного насоса включаются и выключаются с соответствующими задержками времени на обратную коммутацию, что исключает ложные переключения блока управления.

На вход блока защиты 2 поступают сигналы от фильтра напряжений нулевой последовательности 7 и от вторичной обмотки трансформатора тока ТТ. Контроль симметрии напряжений осуществляет фильтр напряжений нулевой последовательности 7. При исчезновении одной из фаз или появлении опасной асимметрии напряжений на выходе фильтра образуется напряжение относительно нулевого провода сети, которое выпрямляется и усиливается, и, воздействуя на вход блока защиты, переключает его пороговый элемент в открытое состояние. Сигнал с выхода блока защиты 2 поступает на вход блока управления 3 и переключает его в закрытое состояние, тем самым отключает выходное реле 4 и, следовательно, электромагнитный пускатель, который отключает электродвигатель насоса от сети.

Защита от несимметричного питания имеет задержку времени на отключение 1,5 – 2 сек и регулируемую задержку времени на включение после восстановления симметричного питания  40 – 60 сек, формируемую конденсатором на входе блока защиты [7].

Защита от несимметричного питания работает следующим образом. Когда в сети существует несимметрия, электродвигатель отключен защитой. При восстановлении симметричного питания начинает действовать задержка времени на включение. Если во время действия задержки на включение появится несимметрия, то вновь срабатывает защита и действие задержки начнется с момента восстановления симметрии. Такой алгоритм действия защиты не позволяет электродвигателю с автоматическим управлением работать в повторно-пусковом режиме.

Для защиты статорной обмотки погружного электродвигателя скважинного насоса от перегрева, вызванного перегрузками, незапуском или заклиниванием ротора осуществляется контроль величины потребляемого тока в одной из фаз питания электродвигателя. Токовая защита отключает электродвигатель от сети при трехкратной перегрузке за 10 сек, при заклинивании ротора – за 3 сек, при незапуске – за 4 – 5 сек [8].

 В процессе эксплуатации возможны замыкания проводов управления между собой на присоединительных клеммах этих проводов. При гидроударах возможно сцепление контактов верхнего и нижнего уровней с контактом стрелки манометра ЭКМ. При этом блок управления будет работать в режиме часто повторяющихся включений и отключений, что приведет к выходу из строя электродвигателя пусковыми токами [9]. В Смоленском НИИСХ разработана защита электродвигателя от одновременного замыкания цепей управления [10]. При одновременном замыкании контактов ЭКМ напряжение с эмиттерного повторителя через контакты верхнего и нижнего уровней ЭКМ поступает на вход логического элемента 6. При этом на выходе логического элемента появится положительный сигнал, поступающий на вход блока защиты 2. При этом происходит заряд конденсатора на входе блока защиты. Соотношение напряжений на входах блока защиты изменится. На его выходе появится сигнал, отключающий блок управления 3 и выходное реле 4. В результате электронасос отключится от сети.

Выводы

Разработанное устройство автоматического управления скважинным насосом с защитами погружного электродвигателя от аварийной работы успешно эксплуатируется на артезианских скважинах в хозяйствах и сельских поселениях Смоленской области. Аварийный выход из строя погружных скважинных насосов водоподъема сократился на 35 – 40 %.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Грундулис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве / А. О. Грундулис. – М.: Агропромиздат, 1988. - 111с.
2. Усаковский В. М. Водоснабжение и водоотведение в сельском хозяйстве / В. М. Усаковский. – М.: Колос, 2002. – 328 с.
3. Мусин А. М. Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты / А. М. Мусин. – М.: Колос, 1979. – С. 40-51.
4. Протокол № 09-05-15 приемочных испытаний устройства управления скважинным насосом с защитой погружного электродвигателя от аварийных режимов работы. Климовск.- 2015. - С. 25.
5. Супроненко Н. Н. Универсальная станция управления и защиты электронасосов водоподачи. / Н. Н. Супроненко, Б. Н. Муханов, О. В. Критченкова и др. // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 3. - С. 68-70.
6. Патент на полезную модель 151016 Российская Федерация, МПК F04D 15/00. Устройство для автоматического управления электронасосным агрегатом по уровню и давлению воды в водонапорной башне. / Супроненко Н. Н., Критченкова О. В., Щеголева А. Б.; заявитель и патентообладатель ГНУ Смоленский НИИСХ; № 2014116529, заявл. 23.04.2014; опубл. 20.03. 2015. Бюл. № 8.
7. Патент на полезную модель 121403 Российская Федерация, МПК H02H 7/08. Устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса. / Супроненко Н. Н., Критченкова О. В., Муханов Б.Н.; Щеголева А. Б.; заявитель и патентообладатель ГНУ Смоленский НИИСХ; № 2012120999/07, заявл. 22.05.2012; опубл. 20.10. 2012. Бюл. № 29.
8. Патент на полезную модель 138388 Российская Федерация, МПК H02H 7/08, H02H 7/00. Устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса. / Супроненко Н. Н., Критченкова О. В., Щеголева А. Б.; заявитель и патентообладатель ГНУ Смоленский НИИСХ; № 2013145111/07, заявл. 08.10.2013; опубл. 10.03. 2014. Бюл. № 7.
9. Правила технической эксплуатации электроустановок: утверждены Приказом Минэнерго России № 6 от 13.01.2003. Глава 2.5., пункт 2.5.12. [Электронный ресурс] - URL: http://птээп. рф/.(дата обращения 15.11.2018).
10. Патент на полезную модель 169223 Российская Федерация, МПК H02H 7/08. Устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса. / Новиков В. М, Супроненко Н. Н., Критченкова О. В., Щеголева А. Б.; заявитель и патентообладатель ФГБНУ Смоленский НИИСХ; № 2016135124 заявл. 29.08.2016; опубл. 13.03.2017. Бюл. № 8.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Grundulis A. O. Zashchita ehlektrodvigatelej v sel'skom hozyajstve. [Protection of electric motors in agriculture] / A. O. Grundulis. – M.: Agropromizdat, 1988. – 111 p. [In Russian
2. Usakovsky V. M. Vodosnabzhenie i vodootvedenie v sel'skom hozyajstve [Water supply and sanitation in agriculture] / V. M. Usakovsky. – M.: Kolos, – 328 p. [In Russian]
3. Musin A. M. Avarijnye rezhimy asinhronnyh ehlektrodvigatelej i sposoby ih zashchity / A. M. Musin. [Emergency regimes of asynchronous electrical motors and methods of their protection]. M: Kolos, – P. 40-51. [In Russian
4. Protokol № 09-05-15 priemochnyh ispytanij ustrojstva upravleniya skvazhinnym nasosom s zashchitoj pogruzhnogo ehlektrodvigatelya ot avarijnyh rezhimov raboty. [Protocol № 09-05-15 of the acceptance tests of the control device of the downhole pump with protection of the submersible electric motor from emergency modes of operation]. Klimovsk. - 2015. P. 25. [In Russian
5. Supronenko N. N. Universal'naya stanciya upravleniya i zashchity ehlektronasosov vodopodachi. [Universal operate system of electrical water pump]. / N. N. Supronenko, B. N. Muhanov, O. V. Kritchenkova and others// Dostizheniya nauki i tekhniki APK. [Achievements of science and technology of agroindustrial complex]. – 2011. - № 3. - P. 68-70. [In Russian
6. Patent 151016 Russian Federation, MPK F04D 15/00. Ustrojstvo dlya avtomaticheskogo upravleniya ehlektronasosnym agregatom po urovnyu i davleniyu vody v vodonapornoj bashne. [Device for automatic control of the electric pump unit on the level and pressure of water in the water tower]. / Supronenko N.N., Kritchenkova O.V., Shchegoleva A.B.; applicant and patentee SSI Smolensk Scientific Research Institute of Agriculture; - № 2014116529, appl. 23.04.2014; publ. 20.03.2015. Bul. № 8. [In Russian]
7. Patent 121403 Russian Federation, MPK H02H 7/08. Ustrojstvo avtomaticheskogo upravleniya ehlektrodvigatelem pogruzhnogo nasosa. [Automatic control device for electric motor of the submersible pump]. / Supronenko N.N., Kritchenkova O.V., Muhanov B.N., Shchegoleva A.B; applicant and patentee SSI Smolensk Scientific Research Institute of Agriculture; - № 2012120999/07, appl. 22.05.2012; publ. 20.10.2012. Bul. № 29. [In Russian]
8. Patent 138388 Russian Federation, MPK H02H 7/00, H02H 7/08. Ustrojstvo avtomaticheskogo upravleniya ehlektrodvigatelem pogruzhnogo nasosa. [Automatic control device for electric motor of the submersible pump]. / Supronenko N.N., Kritchenkova O. V., Shchegoleva A. B; applicant and patentee SSI Smolensk Scientific Research Institute of Agriculture; - № 2013145111, appl. 08.10.2013; publ. 10.03.2014. Bul. № 7. [In Russian]
9. Pravila tekhnicheskoj ehkspluatacii ehlektroustanovok: utverzhdeny Prikazom Minehnergo Rossii № 6 ot 13.01.2003. [The rules of technical operation of electrical equipment: approved by Order of the Ministry of energy of Russia № 187 от 13.01.2003]. - Part 2.5, Paragraph 2.5.12. URL: http://птээп.рф/. (accessed 15.11.2018). [In Russian]
10. Patent 169223 Russian Federation, MPK H02H 7/08. Ustrojstvo avtomaticheskogo upravleniya ehlektrodvigatelem pogruzhnogo nasosa. [Automatic control device for electric motor of the submersible pump]. / Novikov V. M., Supronenko N. N., Kritchenkova O. V. and others, applicant and patentee FSBSI Smolensk Scientific Research Institute of Agriculture; - № 2016135124 appl. 29.08.2016; publ. 13.03.2017. Bul. № 8. [In Russian]