JP2000059989A

JP2000059989A - 電気系統の高抵抗接地システム

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Publication number: JP2000059989A
Application number: JP11222711A
Authority: JP
Inventors: James Ralph Jaeschke; ラルフジェシュケジェームス; William Edward Berkopec; エドワードバーコペックウィリアム; David Doyle Shipp; ドイルシップデビッド; Martin Baier; ベイアーマーチン
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2000-02-25
Also published as: ID23251A; CN1244742B; CN1244742A; EP0978919A3; EP0978919A2; AR020006A1; US6188552B1; CA2279654A1; CA2279654C

Abstract

(57)【要約】【課題】不要な時はオフであり、アーク地絡故障が発
生するとオンになる油井電気系統の高抵抗接地システム
を提供する。【解決手段】信号ブロックシステムの一次変圧器１１
とアースとの間に一対のＳＣＲ２８Ａ，２８Ｂを逆並列
接続し、変圧器の中性点Ｎとアースとの間の電圧を感知
する回路により制御させる。この電圧が零から離脱する
と、センサーがＳＣＲを点弧させて直列接続の高抵抗Ｒ
が導通状態の信号ブロックシステムを介してアースに接
続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般的に高抵抗接地
システムに関し、さらに詳細には、油井電気系統の高抵
抗接地方式に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】油井ポ
ンプ設備が長年に亘り利用している高電圧電源装置は非
接地である。このタイプの電源装置を用いると、油井の
深部に設ける計装信号システムを油井ポンプモータの中
性点と導電性の油井ケーシングとの間に接続することが
可能になる。この方式によると、ダウンホールのセンサ
ー装置と地上の信号測定システムとの間において長い距
離張り巡らす必要があった配線のコストがかなり軽減さ
れる。しかしながら、このシステムには、非接地である
ため三相電気系統の共通モード電圧が制御されず非常に
高いレベルに達することがあるという問題がある。これ
は作業員にとって危険であり、電気絶縁が破壊される可
能性がある。かかるシステムは、アースへ意図的な接続
がなされることはない。しかしながら、これらの非接地
システムには、時として、説明のつかない、非常に広範
囲に広がり壊滅的な結果をもたらすことのある絶縁破壊
が起こることが判明している。これらの説明のつかない
絶縁破壊の原因は、油井ケーシング構造の深部で生じる
アークによる地絡故障であることが判明している。これ
が発生すると非常に激しい電圧上昇が生じるが、これが
説明のつかない絶縁破壊を起こす原因である。この問題
を解決する方法として、零電圧のはずである中性点を高
抵抗を介してアースに接続することにより電源系統をア
ースから切り離す。高抵抗接地方式は、電気系統を接地
する最も信頼性の高い方式であることが分かっている。
この方式は、地絡故障により生じる故障電流を数アンペ
アに過ぎないレベルにまで制限し、地絡故障が生じて
も、回路を閉じずに系統を継続して運転することを可能
にする。これは、故障が発生すると著しい損失が発生す
る継続的運転施設にとって望ましい特徴である。高抵抗
を接続することにより、電圧の急上昇が抑えられ、それ
により過渡電圧の増加及び故障の発生が阻止される。同
時に、この抵抗により、故障電圧が非常に低い値に制限
される。過去において高抵抗接地を行う伝統的な手法
は、Ｙ接続の地上電源系統の中性点を、最悪の状態でも
１０アンペア未満の最大電流が流れるように抵抗値を選
択した抵抗を介してアースに接続することであった。デ
ルタ接続の系統では、中性点は３つの接地変圧器または
ジグザク接続の接地変圧器を介して取り出される。油田
関連業界では、表面連続性の問題を考慮して、また故障
したときの電気式水中ポンプとモータの引き上げコスト
が非常に高いため、ポンプとモータとを従来は非接地状
態で運転している。これは高抵抗接地を適用するに最適
な用途を提供するものである。高抵抗接地を用いると、
地絡故障状態の下でも電気式水中ポンプを長時間運転す
ることが可能となる。しかしながら、油井業界において
しばしば要求されることは、ダウンホール温度、圧力等
がいかなる値であるかを知ることである。線−アース接
続を介して地上へ送られる既存のダウン信号は、信号経
路の一部として電力導体を利用する。この電力線に小さ
な信号が重畳されて地上に送られる。このようにする
と、長さが最大１５，０００フィートの非常に高価な制
御用配線が不要となる。電源系統が非接地であるかぎ
り、この方法は低コストである。しかしながら、高抵抗
接地システムは電力導体上の信号を短絡してしまうた
め、高抵抗接地システムより与えられる過渡的過電圧に
対する保護が得られない。従って、叙上のような高抵抗
接地方式のすべての利点を備えるが、電力用配線を利用
して油井深部からセンサー信号を伝達できる、ダウンホ
ール油井ポンプ用の電源系統があれば、有利である。最
近、これら両方の目的を達成するシステムが開発されて
いる。このシステムは、高抵抗接地を行うが、アークに
よる地絡故障が検知された場合のように、必要となるま
では非接続状態のままに置かれる。これは、油井深部の
電子的モニター装置からの信号を、ポンプの電源ライン
を介し、油井ケーシングを接地導体として地上に運べる
ということである。しかしながら、アークによる地絡故
障が発生した場合、共通モード電圧の変動を地上で迅速
に感知した後、速やかに高抵抗接地手段を回路に挿入し
て電流と電圧の変動を制限することができる。一旦この
状態が発生すると、制御システム信号がのみ込まれてし
まうが、これは受入れ可能な妥協であり、この時点で
は、作業員と装置の保護がより重要である。過去におい
て、このシステムでは、接地抵抗と直列にガス放電スイ
ッチまたは放電管が使用されている。接地抵抗は、例え
ば、電源変圧器の中性点と上述のガス放電管との間に接
続され、このガス放電管がアースに接続される。上述の
電源変圧器の中性点の電圧が零であれば、ガス放電管を
電流は流れず、回路は開放状態のままである。アークに
よる地絡故障が発生して変圧器中性点の共通モード電圧
が上昇すると、高抵抗接地システム及び直列接続のガス
放電管を流れる電流によりガス放電管がフラッシュオー
バーまたは導通して高抵抗をアースに接続するため、上
述の電源変圧器の中性点の電圧がアース電位に戻る。こ
のためアークによる危険な地絡故障と極端なレベルへの
電圧変動が防止されると共に電圧制限作用が得られる。
このシステムの問題点は、ガス放電管のブレークオーバ
ー電圧及び導通特性を、使用するガス放電管の各値に対
して一旦選択すると、それらに固定されてしまうことで
ある。高抵抗接地システムを不要な時間の間「オフ」に
し、必要な時に非常に信頼性の高いシステムを介して
「オン」に制御することができれば有利であろう。かか
るシステムでは、電流、電圧等の値をシステムにプログ
ラミングして単一のシステムで広範囲の用途に供するよ
うにすることができる。Ｙ接続またはデルタ接続変圧器
に使用し、全ての地絡故障状態のもとで継続動作が可能
であり、また地絡故障状態を作業員に知らせる警報を発
生可能であり、システム全体の安全性を改善できるシス
テムがあれば有利である。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明によると、信号ブ
ロックシステム（ＳＢＳ）の一次接地変圧器とアースと
の間に一対のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）またはゲー
トデバイスが逆並列接続される。これらのＳＣＲは、出
力変圧器の中性点とアースとの間の電圧を感知する回路
により制御される。デルタ接続の電源では、別の接地変
圧器方式を利用する。通常の動作では、電子的装置をＹ
接続変圧器の中性点に接続して、中性点とアースとの間
の電圧が零からの離脱を実質的に開始するのを感知させ
る。この状態が発生すると、電子的センサーシステム
は、逆並列のゲートＳＣＲを点弧させて直列接続の高抵
抗が導通状態のＳＢＳを介してアースに接続されるよう
にプログラムされている。リレーコイルがタイムアウト
すると、常開の並列リレーの接点が閉じて、故障が取り
除かれるかシステムの補修により再作動状態になるまで
高抵抗の抵抗手段を介するアースへの電流通路を継続し
て提供する。

【０００４】さらに詳説すると、常態では非接地状態で
動作するが、電気系統の第１の部分とアースとの間に望
ましくない電圧が発生すると、導体が接地される電気系
統が提供される。接地インピーダンス手段が、電気系統
の第２の部分に接続されてこの部分をアースに接続する
ことにより、望ましくない電圧を減少させる。制御装置
が接地インピーダンス手段と電気系統に接続され、望ま
しくない電圧を感知すると共に接地インピーダンス手段
を電気系統の第２の部分に接続して、望ましくない電圧
を減少させる。この制御装置は、電気系統の第２の部分
をインピーダンス手段を介して相互接続するためにその
インピーダンス手段に接続されたＳＣＲのようなゲート
導通デバイスよりなる。制御装置がこのゲート導通デバ
イスに接続され、望ましくない電圧に応答してゲート導
通デバイスを作動させるようにする。本発明の実施例で
は、このインピーダンス手段は主として抵抗性インピー
ダンスであり、第１及び第２の部分は同一である。さら
に、望ましくない電圧は実質的に零に減少される。この
システムは、Ｙ接続またはデルタ接続もしくはその両方
の組み合わせでよい。１つの動作モードにおいて、この
システムが使用される油井電気系統は常態では非接地で
動作するが、時としてそのダウンホール電力導体が、例
えばアークによる地絡故障により接地される。地上の電
源と、この電源により駆動されるダウンホールのポンプ
モータとがある。上述の導体はそれらを電気的に接続す
る導体であり、望ましくない電圧は地上の電源の中性点
とアースとの間で発生する。

【０００５】

【発明の実施の形態】図面を参照して、図１が略示する
油井システム１０は、中心部分がＹ接続電源変圧器の二
次巻線１２である地上の電源系統１１と、この電源によ
り駆動され、Ｙ接続の油井ポンプモータ巻線１５を備え
たダウンホール油井ポンプ１４とよりなる。導電性の油
井ケーシングまたは内部生産パイプ１６は、地面Ｓとダ
ウンホール領域ＤＨとの間の距離Ｄを延びる。ダウンホ
ールの油井ポンプ１４の巻線１５には信号源１７が接続
されている。この信号源はその一方の端子により巻線１
５の中性点Ｎ′へ電気信号を与え、もう一方の端子は導
電性の油井ケーシング１６に接続されている。地面Ｓの
上方には信号受信器１８がある。巻線１２と巻線１５と
はそれぞれ、端子Ｘ、Ｙ、Ｚ及びＸ′、Ｙ′、Ｚ′、に
それぞれ接続された相線Ａ、Ｂ、Ｃを有し、これらの端
子間を地面Ｓからダウンホール領域ＤＨまで長いライン
１９が延びる。信号源１７と信号受信器１８との間のラ
インＡ、Ｂ、Ｃにはそれぞれ、信号ｉa、ｉb、ｉcが流
れる。信号受信器１８から信号源１７へは油井ケーシン
グ１６を介して戻しまたは接地電流ｉgが流れる。信号
ｉa、ｉb、ｉcは直流であるか、例えば直流パルスまた
は２００キロヘルツの交流信号である。距離Ｄがほぼ８
０００フィートまたはそれ以上になるのは珍しいことで
はない。信号源１７は、信号ｉa、ｉb、ｉcによりダウ
ンホール領域ＤＨから地上Ｓへ、例えば油井の圧力、温
度及び振動に関連する情報を与える。巻線１５により表
わされるポンプモータ１４は、例えば１１００ボルトと
４６００ボルトの間で作動する高電圧タイプの６０また
は７００馬力のモータである。信号ｉa、ｉb、ｉcは、
一般的に４乃至２０ミリアンペアの範囲にある。電源装
置１１は、１２００乃至５キロボルトで周波数が４０乃
至９０ヘルツの電力を供給する。一般的に、ライン１９
は、長さが異常に長いため、地上Ｓからダウンホール領
域ＤＨへかけて６００ボルトの電圧降下を生じる。

【０００６】変圧器１２は、アースとの間で共通モード
電圧Ｖをもつことが可能な中性点Ｎを有する。電力負荷
がバランスした理想的状況では、この電圧Ｖは一般的に
零ボルトである。中性点Ｎは、ラインにより高抵抗接地
システムＨＲＧの点Ｕへ接続されている。高抵抗接地シ
ステムＨＲＧは、一次巻線Ｐの一方の端子がＵ点に、も
う一方の端子がシステム信号ブロッカー２４の入力端子
２３に接続された逓降変圧器２０よりなる。逓降変圧器
２０のもう一方の側、即ち二次巻線Ｓには、その両端間
に高抵抗インピーダンスまたは抵抗Ｒと、リレー制御装
置２２とが並列に接続されている。端子２３とシステム
信号ブロッカー２４との間には、システム信号ブロッカ
ーのための電子的制御装置２６（図８に関連して後で詳
しく説明する）と、常開リレー３０と、一対の逆並列接
続シリコン制御整流器またはゲート制御デバイス２８
Ａ，２８Ｂが接続されている。制御装置２６は端子Ｆ及
びＨがシリコン制御整流器２８Ｂに接続され、これらの
端子間の電圧がシリコン制御整流器２８Ｂの点弧状態を
決定する。一方、シリコン制御整流器２８Ａは制御装置
２６の端子Ｊ、Ｋにより制御され、これらの端子間の電
圧がシリコン制御整流器２８Ａの点弧状態を制御する。
直列接続の抵抗素子Ｒ２８及び容量素子Ｃ２９はインダ
クタＬ１と共にＲＬＣ回路を形成し、この回路は時間に
対するシステム電圧の一次導関数、即ち、シリコン制御
整流器にかかる電圧の時間上昇率を制限する。換言する
と、可変速度駆動装置を用いる場合、これは可変速度駆
動装置の高周波数フィルタである。通常動作において、
電圧Ｖがほぼ零ボルトの時、変圧器２０の一次巻線Ｐの
電圧は本質的に零であるため、抵抗値Ｒは本質的に回路
とは無関係であり、常開リレー接点３０は開いたまま、
逆並列接続のシリコン制御整流器２８Ａ、２８Ｂは遮断
状態のままである。従って、変圧器１２の中性点Ｎとア
ースＧとの間に電流は流れず、抵抗値Ｒは変圧器１２の
中性点Ｎの電圧にとって透明、即ち存在しないように見
える。しかしながら、例えばダウンホール領域ＤＨのラ
インＣとケーシング１６との間で図示のようなアークに
よる地絡故障ＡＦが発生すると、ラインＣとアースとの
電圧が減少するためラインＡとアースとの間の電圧及び
ラインＢとアースとの間の電圧が上昇する傾向がある。
ラインＡ及びＢの電圧はアークによる地絡故障状態の発
生と共に急上昇する傾向があり、アースＧに関する変圧
器１２の中性点Ｎの電圧Ｖが零でないある値をとる。し
かしながら、変圧器２０の一次巻線Ｐは、この電圧増加
を見て、それを抵抗値Ｒに反映させる。加えて、制御装
置２６は端子２３とアースＧとの間の電圧を感知して、
逆並列接続のシリコン制御整流器２８Ａ，２８Ｂを導通
状態に作動する。このため、中性点ＮとアースＧとの間
に抵抗Ｒが挿入される。このため、電流が制限され、中
性点Ｎの電圧Ｖが線−中性点の大きさの最大値に減衰す
る。この時点において、信号ｉa、ｉb、ｉcは抵抗値Ｒ
の存在により減衰または短絡されるが、これは、この時
点ではアークによる地絡故障の影響を軽減してダウンホ
ールの部品が損傷するのを防ぐ方が望ましいため重要な
ことではない。変圧器２０の二次巻線Ｓに反映されるこ
の変圧器の一次巻線Ｐにかかる電圧はリレー制御装置２
２を作動し、この装置が適当な時間遅延の後、常開接点
３０を閉じる。このため、制御装置が継続してシリコン
制御整流器２８Ａ，２８Ｂを導通するように制御する必
要がなく、電子的装置の寿命を増加する。

【０００７】このことの当然の帰結として、システム１
０全体の稼働性が改善され、ダウンホールのモータ１４
とセンサー１７の損傷が防止される。本発明の実施例で
は、中性点ＮとアースＧとの間で見た正味の抵抗値は１
３０オームである。リレー制御装置２２により与えられ
る時間遅延量は１．５秒である。接地抵抗Ｒはほぼ６乃
至７オームである。変圧器の二次巻線Ｓは、作業員へア
ークによる地絡故障が発生したことまたは発生中である
ことを直接または遠隔場所から指示する警報システム
（図示せず）に接続されている。システム信号ブロッカ
ー２４の制御装置２６は本発明の重要部分を形成する
が、その構成及び使用法を図８を参照しながら後で説明
する。

【０００８】図２は、高抵抗接地システムの別の実施例
ＨＲＧ′を示す。この例は、変圧器２０は使用しない。
本発明のこの実施例において、抵抗Ｒは変圧器１２（図
示せず）の中性点ＮとアースＧとの間にシステム信号ブ
ロッカー２４′を介して直接接続してある。図２のその
右に示す対応部品はリレー３０′である。リレー制御装
置２２は端子ＮとアースＧとに接続されて、上述したよ
うにアークによる地絡故障または同様な故障の存在によ
る電圧変動の結果適当な電圧が中性点ＮとアースＧとの
間に印加されると常開リレー３０′を閉じる。一旦常開
接点３０′が閉じると、その状態を持続するため、シス
テム信号ブロッカー２４′がバイパスされる。

【０００９】図３は、油井システム１０′の別の実施例
であり、地上電源１１′がデルタ接続変圧器１２′を用
いている。図示を簡略化するため、この実施例のダウン
ホール部分、即ち地下部分は、図１に関連して上述した
ものと同じ態様で動作するため図示しない。本発明のこ
の実施例において、変圧器１２′は、デルタ接続を形成
するため共通接続点Ｍ，Ｏ，Ｑで相互接続された巻線よ
りなる。接続点Ｑ，Ｏ，Ｍはそれぞれ高抵抗接地システ
ムＨＲＧ″に接続され、そこで１つの端子をそれぞれ変
圧器２０′の一次巻線Ｐの一次巻線部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ
３の端子に接続する。一次巻線部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の
もう一方の側は、上述したと同じ態様で端子２３に一緒
に接続されている。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３（もしくはそれと
等価の）リレーにより、相電圧のバランスの崩壊を検知
し、システム信号ブロッカー２４′の残部をトリガーす
ることによって、上述したような態様で作動させること
が可能である。変圧器２０′の二次巻線Ｓの二次巻線部
分Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、壊れたデルタ接続に接続して、
その両端に抵抗素子Ｒとリレー制御装置２２を接続す
る。抵抗素子Ｒは、変圧器２０′の二次巻線を介して一
次巻線に影響を及ぼすことにより、システム信号ブロッ
カー２４′が接続点Ｑ、ＯまたはＭにおけるアース電圧
の不平衡によりその制御装置により作動されると、上述
したような態様で動作する。再び、リレー制御装置２２
により、システム信号ブロッカー２４′の図示しない常
開接点が端子２３からアースＧへの回路を永続的に短絡
させる。

【００１０】図４は、デルタ接続のダウンホールポンプ
１４′を示す。本発明のこの実施例において、ダウンホ
ールの電気式油井ポンプ１４′は、上述した態様で機能
すべく信号電流をラインＡ，Ｂ，Ｃへ与えるように信号
源１７と相互接続されたデルタ接続の巻線１５′よりな
る。図１に関連して上述したと同様、信号源１７のアー
ス電流はケーシング１６を流れる。図１，３及び４の実
施例に関連して注目すべきは、地上の電源装置とダウン
ホールの電気式油井ポンプ装置は便宜的にタイプを混合
させ、マッチさせてもよい。即ち、それら両方をデルタ
接続にしてもよく、両方をＹ接続にしてもよく、また、
上方のものをＹ接続に、下方のものをデルタ接続に、さ
らに、上方のものをデルタ接続に、下方のものをＹ接続
にしてもよい。

【００１１】図５は、図３と類似するが、低電圧の実施
例に用いる装置を示す。さらに詳説すると、接続点Ｑ，
Ｏ，Ｍは高抵抗接地回路ＨＲＧ″の変圧器２０″の一次
巻線Ｐの一次巻線部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に接続されてい
る。二次巻線部分Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は閉じたデルタ回路
の態様で相互接続されている。システム信号ブロッカー
２４′の両端のシステム電圧が設計値を越えると、シス
テム信号ブロッカー２４′が導通して上述したと同じ態
様で抵抗値Ｒを回路に挿入することにより、基本的に上
述した作用効果が得られる。一旦抵抗Ｒが電流を導通さ
せると、その両端間の電圧がリレー制御装置２２により
感知されるため、リレー３０が上述した時間遅延の後閉
じて、システム信号ブロッカー２４′内のシリコン制御
整流器の導通特性とは無関係に抵抗Ｒを回路に挿入す
る。図６及び７は、本発明の他の２つの実施例を示す。
これらの例では、地上の電源１１′のデルタ接続変圧器
の二次巻線１２′がシステム信号ブロッカー２４へジグ
ザグ接続変圧器４０を介して接続されている。図６に示
す実施例の高抵抗接地装置ＨＲＧIVでは、変圧器２０の
一次巻線が端子２３とジグザグ接続変圧器４０の中性点
Ｎ″との間に接続されている。変圧器２０の二次巻線Ｓ
の両端には抵抗Ｒとリレー制御装置２２とが接続されて
いる。システム信号ブロッカー２４内の制御装置２６
（図示せず）も、端子Ｑ，Ｏ，Ｍの電圧を感知して、図
７の実施例ＨＲＧVと同様、中性点Ｎ″とアースＧとの
間に抵抗Ｒを反映させるように作用するか、または抵抗
素子Ｒを直接、図７に実施例のように中性点Ｎ″とアー
スＧとの間に接続する。図６の中位電圧の実施例では、
リレー制御装置２２が常開接点（図示せず）を作動し
て、変圧器２０を介して反映される抵抗素子Ｒを適当な
回路に継続して挿入する。図７の実施例では、リレー制
御装置２２が、システム信号ブロッカー２４の両端の電
圧降下を感知すると、リレー３０を作動して再び抵抗Ｒ
を回路に挿入する。

【００１２】図８Ａ及び８Ｂを参照して、システム信号
ブロッカー２４の残りの要素と相互作用する制御装置の
構成及び動作を説明する。図示の抵抗素子Ｒ２は、例え
ば図１に示した接続点２３に一方の端子が接続されてい
る。抵抗素子Ｒ２のもう一方の端子は、ダイオードＤ１
４のアノード、演算増幅器Ｕ６（１）の負の入力端子
（２）、容量素子Ｃ２１の一方の端子及びダイオードＤ
１３のカソードに接続されている。また、抵抗素子Ｒ３
の一方の端子はシステムのアースに接続され、もう一方
の端子はダイオードＤ１４のカソードと、ダイオードＤ
１３のアノードと、演算増幅器Ｕ６（１）の正の端子
（３）と、抵抗素子Ｒ１９の一方の端子と、容量素子Ｃ
２０の一方の端子に接続されている。抵抗素子Ｒ１９の
もう一方の端子と容量素子Ｃ２０のもう一方の端子はシ
ステムのアースに接続されている。容量素子Ｃ２１のも
う一方の端子と、抵抗素子Ｒ１８のもう一方の端子は、
演算増幅器Ｕ６（１）の出力端子（１）と、差動増幅器
を形成する抵抗素子Ｒ１６の一方の端子に接続されてい
る。抵抗素子Ｒ１６のもう一方の端子は、演算増幅器Ｕ
６（２）の負の入力端子（６）と、抵抗素子Ｒ１７の一
方の端子と容量素子Ｃ１７の一方の端子に接続されてい
る。抵抗素子Ｒ１７のもう一方の端子は、抵抗素子Ｒ２
１と、レオスタットまたは可変抵抗ＲＨＥＯの一方の端
子と、容量素子Ｃ１９の一方の端子との接続点に接続さ
れている。レオスタットＲＨＥＯのもう一方の端子は、
抵抗素子Ｒ２０の一方の端子と、容量素子Ｃ１８の一方
の端子に接続され、これらの素子のもう一方の端子はア
ースに接続されている。容量素子Ｃ１８のもう一方の端
子はアースに接続され、抵抗素子Ｒ２１のもう一方の端
子は１５ボルトの正の電源に接続されている。演算増幅
器Ｕ６（２）の出力端子（８）は、容量素子Ｃ１７のも
う一方の端子と、抵抗素子Ｒ１４の一方の端子に接続さ
れている。抵抗素子Ｒ１４のもう一方の端子はダイオー
ドＤ１５のアノードに接続され、このダイオードのカソ
ードは演算増幅器Ｕ６（２）の正の入力端子（７）に接
続されている。この正の端子（７）は、抵抗素子Ｒ１５
の一方の端子に接続され、この抵抗素子のもう一方の端
子はアースに接続されている。演算増幅器Ｕ６（２）の
出力端子（８）は抵抗素子Ｒ１２の一方の端子に接続さ
れ、この抵抗素子のもう一方の端子はＮＡＮＤインバー
タＵ５の入力端子に接続され、このインバータの出力は
単安定マルチバイブレータ回路Ｕ３のＢ−入力端子
（５）に接続されている。Ｕ３のＣＴＣ入力端子は、そ
のＡ＋入力端子（４）とシステムアースに接続されてい
る。Ｕ３のＲＣＴＣ端子は、抵抗素子Ｒ１１と容量素子
Ｃ１５の接続点に接続されている。抵抗素子Ｒ１１のも
う一方の端子は１５ボルトの正の電源に接続され、容量
素子Ｃ１５のもう一方の端子はアースに接続されてい
る。Ｕ３のＲＳＴ端子は、抵抗素子Ｒ１０と容量素子Ｃ
１４の間の接続点に接続されている。抵抗素子Ｒ１０の
もう一方の端子は１５ボルトの正の電源に接続され、容
量素子Ｃ１４のもう一方の端子はアースに接続されてい
る。Ｕ３の出力端子（７）またはＱバーは、ＮＡＮＤゲ
ートデバイスＵ４（１）の入力端子（１）に接続され、
その第２の入力端子（２）は第２のＮＡＮＤゲートデバ
イスＵ４（２）の出力端子（４）に接続されている。Ｕ
４（１）の出力端子（３）はＵ４（２）の入力端子
（５）に接続されている。２つのＮＡＮＤゲートは、Ｒ
Ｓフリップフロップを形成するように接続されている。
その入力端子（６）は、直列接続した入力デバイスＵ４
（３）とＵ４（４）に接続されている。これらのうちの
最初のもの、即ちＵ４（３）の入力端子は、抵抗素子Ｒ
１３と容量素子Ｃ１６の接続点に接続されている。これ
らの組み合わせにより、Ｕ４（２）のフリップフロップ
のリセット端子（６）に、電源投入時、時間遅延が与え
られる。その第２の入力（９）も同じ接続点に接続され
るが、抵抗素子Ｒ１を介して接続される。抵抗素子Ｒ１
３のもう一方の端子は１５ボルトの電源に接続され、容
量素子Ｃ１６のもう一方の端子はアースに接続されてい
る。ゲートＵ４（２）の出力（４）は、電流モードパル
ス幅変調回路Ｕ７のＴＢ入力端子（２）と、抵抗素子Ｒ
ｘと容量素子Ｃ２４の接続点とに接続されている。抵抗
素子Ｒｘのもう一方の端部は、基準端子ＲＥＦ（３）に
接続されている。抵抗素子Ｒｙは、Ｕ７のＲＣ端子
（４）と、容量素子Ｃ２２の一方の端子とに接続されて
いる。抵抗素子Ｒｙのもう一方の端子は、容量素子Ｃ２
３の一方の端子に接続されている。Ｕ７のＣＳ端子は、
容量素子Ｃ２５の一方の端子に接続されている。容量素
子Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４，Ｃ２５のもう一方の端子
と、Ｕ７のＧＮＤ端子はアースに接続されている。Ｕ７
のＶＣＣ電源端子は、抵抗素子Ｒ５の一方の端子と、容
量素子Ｃ３２の一方の端子とに接続されている。容量素
子Ｃ３２のもう一方の端子はアースに接続され、抵抗素
子Ｒ５のもう一方の端子は２４ボルトの正の電源に接続
されている。Ｕ７の出力端子（８）は、抵抗素子Ｒ２４
を介して電界効果トランジスタＱ１のゲートＧに接続さ
れている。電界効果トランジスタＱ１のソースＳは、抵
抗素子Ｒ４と、Ｒ２５との接続点に接続されている。抵
抗素子Ｒ２５のもう一方の端子はＵ７のＣＳ端子に接続
され、抵抗素子Ｒ４のもう一方の端子はアースに接続さ
れている。電界効果トランジスタＱ１のドレインＤはダ
イオードＤ８のアノードに接続され、そのダイオードの
カソードは抵抗素子Ｒ２６と容量素子Ｃ２７の一方の端
子にそれぞれ接続されている。容量素子Ｃ２７のもう一
方の端子はアースに接続され、抵抗素子Ｒ２６のもう一
方の端子は２４ボルトの電源に接続されている。

【００１３】簡略化のため図示しないが、図８Ａ及び８
Ｂの回路には、普通の態様で±１５ボルトと±２４ボル
トの直流電力を取り出すための電源が設けられている。

【００１４】制御装置２６の動作演算増幅器Ｕ６（１）を用いて形成した差動増幅器は、
端子Ｕと、演算増幅器Ｕ６（１）の出力端子（１）との
間で−０．０１ボルトの電圧利得を発生する。この電圧
は、演算増幅器Ｕ６（２）により形成された容量に送ら
れる。容量素子Ｃ１９の両端間の、レオスタットＲＨＥ
Ｏにより制御される基準電圧は、抵抗素子Ｒ１６の下方
端子の電圧と協働して、演算増幅器Ｕ６（１）のピン
（１）の電圧が基準電圧よりも低い場合、演算増幅器Ｕ
６（２）の出力端子（８）の電圧が低レベルとなるよう
にする。一方、演算増幅器Ｕ６（１）の端子（１）の電
圧が基準電圧よりも高い場合、演算増幅器Ｕ６（２）の
端子（８）の出力が高レベルとなる。演算増幅器Ｕ６
（２）の端子（８）の信号は、ＮＡＮＤＵ５に送られ
る。演算増幅器Ｕ６（２）の出力が低レベルから高レベ
ルになると、Ｕ５の出力は高レベルから低レベルにな
る。単安定マルチバイブレータＵ３は、そのピン（５）
の信号が高レベルから低レベルへ変化すると、そのＱバ
ー出力端子（７）が高レベルから低レベルとなり、その
後出力パルス幅ＰＷにもなる一定の時間経過後再び高レ
ベルとなるようにする。その後、このパルスはＮＡＮＤ
ゲートＵ４（１）及びＵ４（２）により形成されるＲ−
Ｓフリップフロップに送られる。従って、図１の変圧器
１１の二次巻線１２の中性点−アース間の電圧Ｖが容量
Ｃ１９の両端間の基準電圧を越えると、Ｒ−Ｓフリップ
フロップがセットされる。即ち、Ｕ４（１）のピン
（３）が高レベルとなり、Ｕ４（２）のピン（４）が低
レベルとなる。その結果、シリコン制御整流器２８Ａ，
２８Ｂがオンにゲートされ、これにより抵抗素子Ｒが、
変圧器を介してまたはその他の態様により、例えば変圧
器１１の巻線１２のような適当な電力変圧器の中性点Ｎ
とアースとの間に接続される。電力投入時シリコン制御
整流器が点弧しないようにするため、フリップフロップ
のリセット入力、即ちＵ４（２）のピン（６）を、抵抗
素子Ｒ１３と容量素子Ｃ１６の時定数により決まる時間
の間強制的に低レベルにする。電流モードＰＷＭ集積回
路は、ほぼ１０ＫＨｚである出力周波数が抵抗素子Ｒｙ
と容量素子Ｃ２４により決まる外部のＲＣ時定数により
決定される発振器を構成する。デバイスＵ７のピン
（２）が低レベルになると、即ちフリップフロップＵ４
（１）がセットされると、パルス列がスタートする。Ｕ
７のピン（８）が高レベルになると、電界効果トランジ
スタＱ１がオンになって、変圧器Ｌ１及びＬ３のパルス
変圧器の一次巻線Ｓの電流を増加させ、この電流が抵抗
素子Ｒ４を流れる。抵抗素子Ｒ４に電圧が存在すると、
即ち、一次電流がある特定のレベルに達すると、デバイ
スＵ７のピン（８）が低レベルとなって、トランジスタ
Ｑ１をオフにする。このパルスの幅はほぼ２マイクロ秒
である。このパルス列は、電源により供給される１２０
ボルトの交流電力が遮断されるまで継続する。その結
果、パルス列が変圧器Ｌ１及びＬ３の二次巻線へ送ら
れ、ＳＣＲは継続してゲート状態にある。ダイオードＤ
９，１０，１１，１２と抵抗素子Ｒ６，Ｒ７がゲート入
力回路を形成する。ＳＣＲ２８Ａには出力Ｋ−Ｊが、Ｓ
ＣＲ２８Ｂには出力Ｆ，Ｈが供給される。

【００１５】本発明の実施例につき、図示の抵抗素子は
本発明の種々の実施例ではそれぞれ異なる値を取るた
め、抵抗の符号Ｒは図示を簡略化するため用いた過ぎな
い。例えば、変圧器２０，２０′は例えばリレー制御装
置２２及び実際のシステム信号ブロッカー２４，２４′
のように本発明の種々の実施例において種々の異なる変
圧器の構成をとってもよい。本発明の装置は多数の利点
を有する。その１つは、システム信号ブロッカーが多く
の異なるタイプまたは構成の油井システムにおいて同一
種の電子回路を用いることができるように制御装置２６
の電子回路を用いることが可能であり、その際、制御パ
ラメータ及び設定を除き制御装置を変更する必要はな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のダウンホール信号感知システムと、シ
ステム信号ブロッカーとを有する、地上電源により駆動
されるダウンホールポンプ装置を一部破断して示す概略
図。

【図２】本発明の低電圧実施例のための図１に示したも
のと類似のシステム信号ブロッカーを示す図。

【図３】図１に類似のシステムを示す図で、電気系統の
ダウンホール部分は省略されており、電力系統はデルタ
接続で、システム信号ブロッカー及びその関連の感知シ
ステムがそれに従って変更されている。

【図４】図３のデルタ接続の地上電気系統または図１の
Ｙ接続の電源と共に用いるに好適なデルタ接続のダウン
ホールポンプモーターシステムを示す図。

【図５】図３に示したものと類似するが低電圧用のシス
テムを示す図。

【図６】ジグザグ接続の感知変圧器と中位電圧感知装置
とを用いる地上のデルタ接続電源系統を示す図。

【図７】図６に類似するが、低電圧感知及びシステム信
号ブロッカーのための構成を示す図。

【図８Ａ】図１の電源及びポンプシステムの電圧及び電
流の関数としてシステム信号ブロッカーを制御するため
の図１の制御装置を示す概略図である。

【図８Ｂ】図１の電源及びポンプシステムの電圧及び電
流の関数としてシステム信号ブロッカーを制御するため
の図１の制御装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１０油井システム１１地上電源系統１２Ｙ接続電力変成器の二次巻線１４ダウンホール油井ポンプ１６導電性の油井ケーシング１７信号源１８信号受信器２０逓降変圧器２４システム信号ブロッカー２６電子制御システム３０常開リレー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390033020 ＥａｔｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者ウィリアムエドワードバーコペックアメリカ合衆国ウイスコンシン州 53216 ウオワトサワンハンドレッドトウェンティフォースストリートノース 2558 アパートメント 353 (72)発明者デビッドドイルシップアメリカ合衆国ペンシルベニア州 15668 マリスビルターホロウ 3300 (72)発明者マーチンベイアーアメリカ合衆国ペンシルベニア州 16066 クランベリータウンシップウッドバインドライブ 174

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源手段と負荷手段とより成り、通常は
未接地状態で動作する電気系統の第１の部分とアースと
の間に望ましくない電圧が発生すると、電源手段と負荷
手段との間に電気的に接続された導体が接地される種類
の電気系統において、電気系統の第２の部分と相互接続可能な接地インピーダ
ンス手段が電気系統の第２の部分をアースに実質的に接
続することにより前記の望ましくない電圧を減少させ、接地インピーダンス手段と電気系統との間に相互接続さ
れた制御システム手段が前記の望ましくない電圧を感知
し、相互接続可能な接地インピーダンス手段を電気系統
の第２の部分に接続してこの望ましくない電圧を減少さ
せ、前記制御システム手段が、接地インピーダンス手段と接続され、電気系統の第２の
部分を接地インピーダンス手段を介してアースに接続す
ることにより望ましくない電圧を減少させるゲート導電
手段と、ゲート導電手段と相互接続され、望ましくない
電圧に応答してゲート導電手段により電気系統の第２の
部分をアースに接続させる制御手段とよりなる電気系
統。
【請求項２】接地インピーダンス手段が主として抵抗
手段よりなる請求項１の電気系統。
【請求項３】第１の部分と第２の部分が同一である請
求項１の電気系統。
【請求項４】望ましくない電圧が受入れ可能な限界値
まで減少される請求項１の電気系統。
【請求項５】ゲート導電手段が、逆並列接続のシリコ
ン制御整流器よりなる請求項１の電気系統。
【請求項６】電源手段がＹ接続であり、負荷手段もＹ
接続である請求項１の電気系統。
【請求項７】電源手段がデルタ接続であり、負荷手段
もデルタ接続である請求項１の電気系統。
【請求項８】電源手段がＹ接続であり、負荷手段がデ
ルタ接続である請求項１の電気系統。
【請求項９】電源手段がデルタ接続であり、負荷手段
がＹ接続である請求項１の電気系統。
【請求項１０】信号送信のために前記導体にセンサー
手段が接続されている請求項１の電気系統。