Lösen von Problemen mit der Genauigkeit bei geringer Last: Ein Leitfaden zur Digitalisierung von Messgeräten für Ölfeldstromnetze

I. Einführung und Hintergrund​

Elektrische Messgeräte sind entscheidende Überwachungsgeräte für den sicheren, stabilen und wirtschaftlichen Betrieb von Stromnetzen. Traditionell wurden in Ölfeld-Netzwerkknoten analoge Zeigeranzeigegeräte weit verbreitet eingesetzt. Allerdings haben diese Geräte im langfristigen Einsatz zahlreiche Schwächen gezeigt, wie z.B. erhebliche Lesefehler, ungenaue Anzeigen bei geringen Lasten und Schwierigkeiten bei der Spannweitenanpassung, insbesondere mit dem Wachstum des Netzes und steigenden Anforderungen an Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit.

Um die Modernisierung der Überwachung des Knotenbetriebs sicherzustellen und die Genauigkeit, Intuition und Zuverlässigkeit der Datenerfassung zu gewährleisten, schlägt dieser Vorschlag eine umfassende Aktualisierung von den bestehenden Zeigerinstrumenten auf digitale elektronische Instrumente vor. Digitale Instrumente, mit ihrer hohen Genauigkeit, einfacher Lesbarkeit, starken Störfestigkeit und bequemen Installation und Wartung, stellen die ideale Lösung für die aktuellen Probleme dar.

​II. Aktuelle Situation und Problemanalyse (Einschränkungen der Zeigerinstrumente)​​

Die derzeit verwendeten Zeigerinstrumente leiden hauptsächlich unter den folgenden dringenden Problemen:

1. ​Lesefehler:​​ Die Abhängigkeit von manueller visueller Leseweise führt leicht zu Parallaxenfehlern. Ungerechtfertigte Lesearten tragen ebenfalls zur menschlichen Fehlerquelle bei, was die Datenpräzision beeinträchtigt.
2. ​Erhebliche Ungenauigkeit bei geringen Lasten:​​ Die tatsächliche Last in den Ölfeld-Knoten fällt oft im Bereich von 5%-10% des Instrumentenskalas. Allerdings liegt der genaue Anzeigebereich für Zeigerinstrumente nur zwischen 20%-80% des Skalas. Bei solch geringen Lasten können die Anzeigen vom tatsächlichen Wert um Dutzende oder sogar Hunderte Ampere abweichen, was die Überwachung sinnlos macht.
3. ​Unpraktische Spannweitenänderung:​​ Um die Anzeige in den genauen Bereich zu bringen, ist es notwendig, die Spannweite des Instruments zu ändern, dies muss jedoch dem Transformationsverhältnis des Stromtransformators entsprechen. Da Mess- und Schutztransformator oft als ein integriertes Modul hergestellt werden, bedeutet das Austauschen von Transformatoren einen enormen Ingenieur-Aufwand und hohe Kosten, was praktisch nicht durchführbar ist.

​III. Lösung: Vorteile und Anwendung digitaler elektronischer Instrumente​

​1. Messprinzip​

Digitalinstrumente nutzen fortschrittliche A/D (Analog-Digital) Konvertiertechnologie. Sie konvertieren zunächst kontinuierliche Analoggrößen (wie Spannung, Strom) in diskrete digitale Größen, bevor sie gemessen, verarbeitet und angezeigt werden. Dies unterscheidet sich grundlegend vom direkten analogen Antriebssystem der Zeigerinstrumente.

​2. Vergleich der Kernvorteile​

Digitalinstrumente bieten gegenüber Zeigerinstrumenten überwältigende Vorteile, wie in der nachfolgenden Tabelle detailliert aufgeführt:

​3. Anwendungspositionierung​

Auf Basis dieser Vorteile sind digitale elektrische Messinstrumente die bevorzugte Lösung für Instrumenten-Updates und intelligente Betriebs- und Wartungsaufgaben in Ölfeld-Netzwerkknoten. Sie lösen die inhärenten Mängel der Zeigerinstrumente effektiv, verbessern signifikant die Niveaus der operativen Überwachung und Entscheidungs-Effizienz.

​IV. Schlüsselpunkte für die Implementierung und Bereitstellung​

Um die reibungslose Implementierung und langfristig stabile Operation des Projekts zur Rückrüstung mit digitalen Instrumenten zu gewährleisten, bedürfen folgende Aspekte besonderer Beachtung:

1. ​Konfiguration der Hilfsversorgung:​​
• ​Priorität der Zuverlässigkeit:​​ Es wird empfohlen, dass die Hilfsversorgung des Instruments aus dem Gleichstromsystem gespeist wird, oder aus zuverlässigen Quellen wie Notbeleuchtungskreisen oder Kreisen mit Reservespannung innerhalb des Hilfsstromsystems des Knotens. Dies verhindert, dass das Instrument bei einem totalen Stromausfall im Knoten seine Spannungsversorgung verliert, was zu Fehlurteilen des Betreibers führen könnte.
• ​Unabhängiger Schutz:​​ Jeder Hilfsstromkreis jedes Instruments sollte mit einem dedizierten Sicherungselement oder einem Miniatur-Leitungsschutzschalter mit hoher Ausschaltkapazität ausgestattet sein, um eine effektive Isolation im Falle eines Fehlers zu gewährleisten.
2. ​Standardisierung und Ästhetik:​​
• Der Typ, die Farbe der Frontplatte, die Schnittmaße usw. der ausgewählten digitalen Instrumente sollten standardisiert sein, um die Gesamtaesthetik und Konsistenz der Steuerplatten/Schaltkästen aufrechtzuerhalten.
3. ​Störschutzmaßnahmen:​​
• Angesichts der komplexen elektromagnetischen Umgebung innerhalb der Knoten, sollten bewährte Produkte ausgewählt werden, die Tests in starker elektrischer und magnetischer Feldumgebung bestanden haben.
• Während der Planungs- und Installationsphase müssen proaktive Maßnahmen wie Abschirmung und korrekte Erdung implementiert werden, um den langfristig stabilen Betrieb der Instrumente in harschen elektromagnetischen Bedingungen sicherzustellen.
4. ​Justage- und Wartungszyklus:​​
• Alle digitalen Instrumente sollten in einen regelmäßigen Justagezyklus einbezogen werden, mit einer empfohlenen Kalibrierungsperiode von 1 Jahr.
• Um die Messgenauigkeit zu gewährleisten, sollten die Instrumente 15 Minuten vor jeder wichtigen Messung oder Kalibrierung eingeschaltet und vorgeheizt werden.
5. ​Technischer Support und Nachbetreuung:​​
• Nach der Rückrüstung und Inbetriebnahme sollte der Lieferant Nutzer-Nachbesuche durchführen, betriebliche Probleme zeitgerecht beheben und notwendige technische Erklärungen und Schulungen für den Betriebspersonal bereitstellen.

​V. Justageverfahren für Hauptdigitale Instrumente​

Um die Messgenauigkeit zu garantieren, müssen alle neu installierten und regelmäßig überprüften digitalen Instrumente gemäß Spezifikationen kalibriert werden. Im Folgenden findet sich eine Übersicht über den Kalibriervorgang für die Hauptinstrumententypen:

• ​Allgemeine Vorlaufschritte:​​ Die Hilfsversorgung anschließen; überprüfen, ob die digitale Anzeige oder das Display normal funktioniert.
• ​Amperemeter-Justage:​​ Leitungen gemäß Schaltplan verbinden; einen Standard-Wechselstrom (z.B. 5A) anlegen; den Kalibrierverstärker justieren, um den Spezifikationen zu entsprechen; dann proportionale Ströme (z.B. 2,5A, 1,25A) anlegen, um die Linearität zu überprüfen.
• ​Voltmeter-Justage:​​ Das Instrument zuerst auf Null stellen; dann die Leitungen gemäß dem Schaltplan entsprechend der Spannungsebene (z.B. 35KV, 6KV) verbinden; eine Standardspannung (z.B. 100V) einsetzen; den entsprechenden Verstärker für die korrekte Anzeige justieren; und die Linearität überprüfen.
• ​Leistungsmesser-Justage (Aktive/Reaktive Leistung):​​
• Einen Standardgenerator verwenden, um eine Standardspannung und -stromstärke zu erzeugen, wobei ihre Phasenwinkel gesteuert werden.
• ​Aktiver Leistungsmesser:​​ Das Instrument bei einem Phasenwinkel φ=90° (cosφ=0) auf Null stellen; den Vollbildbereich bei φ=0° (cosφ=1) justieren; die Linearität an Punkten wie φ=30°, 60° usw. überprüfen.
• ​Reaktiver Leistungsmesser:​​ Das Instrument bei einem Phasenwinkel φ=0° (sinφ=0) auf Null stellen; den Vollbildbereich bei φ=90° (sinφ=1) justieren; und die Linearität überprüfen.
• ​Leistungsfaktormesser-Justage:​​ Bei einem Phasenwinkeldifferenz von 0° (Leistungsfaktor=1,00) und spezifischen Winkeln (z.B. 140°) kalibrieren, um sichere Anzeigewerte zu gewährleisten.