Структурно-функциональное моделирование узлов передачи и потребления электроэнергии электропогружных установок нефтедобычи как средство повышения эффективности эксплуатации

122

Структурно-функциональное 
моделирование узлов передачи 
и потребления электроэнергии 
электро погружных  установок 
нефтедобычи как средство повышения 
эффективности эксплуатации

УДК 621.3.07:658.26

ОБОРУДОВАНИЕ

Романов

В

.

С

.,

к.т.н., доцент кафе-

дры «Электроснабже-

ние и электротехника» 

ФБГОУ ВО «Тольят тинский 

государственный уни-

верситет», старший 

научный сотрудник от-

дела типового проектиро-

вания и стандартизации 

ООО «СамараНИПИ нефть»

Гольдштейн

В

.

Г

.,

д.т.н., профессор кафед-

ры «Автоматизированные 

электроэнергетические сис-

темы» ФБГОУ ВО «Самар-

ский государ ственный 

технический университет» 

Севостьянова

О

.

М

.,

к.п.н., доцент кафедры 

«Инже нерная графика» 

ФБГОУ ВО «Самарский 

государ ственный техни-

ческий университет» 

Ключевые

слова

:

погружные электродвигате-

ли, технологические нару-

шения, структурно-функци-

ональное моделирование, 

ресурс оборудования, 

вероятность отказа

Рассматриваются

проблемы

интенсивной

эксплуатации

и

износа

 (

до

критических

зна

-

чений

) 

электропогружных

установок

в

составе

систем

электроснабжения

нефтяной

отрасли

. 

Анализируются

методы

оценки

надежности

в

системах

электроснабжения

(

СЭС

) 

неф

тяной

отрасли

, 

оцениваются

их

достоинства

и

недостатки

. 

Предлагается

мето

-

дология

повышения

надежности

узлов

передачи

и

потребления

электроэнергии

электро

-

технического

комплекса

ЭПУ

СЭС

предприятий

нефтедобычи

, 

описывающая

состояние

системы

по

логическим

и

структурным

принципам

, 

которая

реализована

на

примере

погружных

электродвигателей

как

наиболее

ответственного

узла

ЭПУ

. 

Составлена

мате

-

матическая

модель

 (

ММ

) 

вероятности

возникновения

отказа

ПЭД

и

его

элементов

, 

полу

-

ченная

на

основании

структурно

-

функционального

моделирования

с

учетом

остаточного

ресурса

.

С

уществующие  технико-экономические  аспекты  корректной  работы 

предприятий нефтедобычи (ПН) основаны на выполнении повышен-

ных  требований  к  снижению  производственных  затрат  на  добычу 

нефти, что требует обеспечения высокой эффективности узлов пере-

дачи и потребления электроэнергии погружного электрооборудования (ПЭО) 

нефтедобычи, минимизации рисков отказов и технологических нарушений [1]. 

В организации высокоэффективной эксплуатации и управлении жизненными 

циклами (ЖЦ) электрооборудования ПН необходим комплексный подход к ре-

шению актуальных научных, технических, экономических и организационных 

задач [2].

Одним  из  приоритетных  направлений  повышения  надежности  функциони-

рования электрооборудования является полномасштабный анализ условий его 

эксплуатации, разработка действенных методов снижения аварийности и уве-

личения наработки на отказ. В значительной мере это необходимо для узлов 

передачи и потребления электроэнергии ПЭО, а именно — электропогружных 

установок (ЭПУ) с погружными электродвигателями (ПЭД).

Используя открытые данные исследований [1, 4, 7, 8], а также научные разра-

ботки авторов статьи [3, 5, 10], с уверенностью можно утверждать, что на сегод-

няшний день в нефтяной отрасли России наблюдается устойчивая тенденция 

к росту парка морально и физически устаревшего электрооборудования. Увели-

чивается количество преждевременных отказов как нового, так и эксплуатируе-

мого оборудования. В частности, для ЭПУ ПН названные показатели достигают, 

по  мнению  авторов,  критических  значений  —  в  среднем  по  отрасли  3–4%  от 

общего состава парка электрооборудования. Очевидно, что для собственников 

(ПН) описанный дисбаланс представляет дополнительную финансовую нагрузку 

при стратегическом выборе — поддержание в работоспособном состоянии из-

ношенного (отказавшего) оборудования или замена на новое. 

В этом аспекте аргументированным является утверждение, что комплексные 

задачи, направленные на повышение надежности и качества эксплуатации ЭПУ, 

в особенности ПЭД, представляют важную и, несомненно, актуальную научно-

техническую проблематику, которая требует серьезных исследований для раз-

работки корректных решений. 

123

ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ

Электропогружные установки нефтедобычи являются 

сложными  техническими  объектами,  в  совокупности 

состоящими  из  не  менее  сложных  и  разветвленных 

подсистем.  Стоит  отметить,  что  эксплуатационные 

показатели и характеристики элементов ЭПУ опреде-

ляются их конструктивными особенностями, заложен-

ными  функциональными  возможностями,  влиянием 

внутренних и внешних эксплуатационных физических 

воздействий (ЭФВ). Природа и физика протекающих 

в  них  процессов  описываются  электротехнически-

ми,  гидравлическими,  механическими,  химически-

ми  и  другими  законами.  В  практике  проектирования 

сложных  технических  систем  (в  том  числе  и  ЭПУ) 

используются  структурные  схемы,  которые  предна-

значены  для  иерархического  представления  приня-

той  структуры  объекта.  Для  описания  морфологии 

построения  системы  применяют  функциональные 

модели, позволяющие произвести описание совокуп-

ности выполняемых системой функций и определить 

взаимосвязь подсистем в общей цепи и между собой. 

Математические модели подсистем ЭПУ структуриру-

ются  в  виде  типовых  блоков,  содержащих  структур-

ную зависимость выходных переменных от входных 

данных.  Такое  представление  объекта  позволяет 

в простой и наглядной графической форме произве-

сти описание сложной системы в виде макроблоков.

Для  моделирования  технических  систем  наи-

большее распространение получили двухполюсные 

структурные схемы. Они позволяют в простой и на-

глядной  графической  форме  составить  математи-

ческую модель надежности проектируемого объекта 

[5].  Ключевой  особенностью  и  главным  действую-

щим допущением в данном методе проектирования 

является детальное моделирование исключительно 

элементов системы, непосредственно влияющих на 

общую работоспособность объекта. Названные ме-

тоды  дают  адекватные  оценки  надежности  объек-

та только для систем с ограниченным количеством 

связей,  состоящих  из  однотипных  элементов,  без 

учета их взаимного влияния друг на друга и на рабо-

тоспособность всей системы в целом. Поэтому для 

моделирования  надежности  узлов  передачи  и  по-

требления  электроэнергии  ЭПУ  ПН  (как  сложной 

технической системы) использование двухполюсных 

структурных схем недопустимо, так как в расчетах не 

учитываются  конструктивные  свойства  элементов, 

виды связей между ними и действующие ЭВФ. Вели-

чина ошибки, возникающей при описанной методике, 

может значительно снизить достоверность получен-

ных данных [6, 7]. 

Для  оценки  надежности  технических  объектов 

часто  используются  методы,  основанные  на  ис-

пользовании  вероятностно-статистических,  физи-

ко-статистических  характеристик  системы.  В  ис-

следованиях  [7–9]  доказано,  что  использование 

названных методов имеет ряд существенных огра-

ничений,  связанных  в  первую  очередь  с  величи-

ной возникающей погрешности вследствие низкой 

репрезентативности  статистической  информации 

при  незначительном  объеме  выборки  в  исследуе-

мых  группах.  Очевидно,  что  ключевым  фактором 

при выборе методов оценки надежности в данном 

случае будет служить предаварийная история для 

групп однотипного оборудования. 

В своих исследованиях [3, 5] автор предлагает 

методику  комплексного  анализа,  повышения  эф-

фективности эксплуатации и надежности ЭПУ ПН. 

В данной статье представлена и частично описана 

методология  оценки  надежности  узлов  передачи 

и  потребления  электроэнергии  ЭПУ  ПН  на  осно-

ве  изучения  и  структурно-функционального  моде-

лирования  конструктивных  элементов  системы. 

Основные  задачи  выполненного  исследования  — 

разработка  точной  структурно-функциональной 

модели  узлов  передачи  и  потребления  электро-

энергии ЭПУ ПН, представленной на примере ПЭД; 

построение  структурно-функциональных  моделей 

надежности  конструктивных  элементов  ПЭД;  раз-

работка общей модели надежности ПЭД, позволя-

ющей  оценивать  состояние  оборудования  в  про-

цессе эксплуатации.

ТЕОРИЯ

Для электрических сетей (ЭС) понятие надежность 

является  комплексным  показателем,  характеризу-

ющим  технические  и  технологические  характери-

стики электрооборудования (ЭО). В зависимости от 

функционального назначения оборудования, усло-

вий эксплуатации в сочетании с действующими ЭФВ 

надежность  принято  количественно  характеризо-

вать единичными критериями: безотказность (сред-

няя  наработка),  долговечность  (средний  ресурс), 

ремонтопригодность (среднее время восстановле-

ния), сохраняемость (средний срок сохраняемости) 

[7]. Также надежность ЭС может быть охарактери-

зована комплексными критериями, которые состоят 

из нескольких единичных критериев (рисунок 1).

Технологический отказ в период нормальной экс-

плуатации ЭО определяется возникновением дефек-

тов,  напрямую  влияющих  на  общую  работоспособ-

ность  комплекса  и  составляющих  его  элементов. 

Как правило, наиболее распространенные причины 

отказов  возникают  вследствие  нарушения  или  не-

соблюдения  регламентированных  сроков  проведе-

ния циклов технического обслуживания и ремонтов 

(ТОиР),  низкой  эффективности  принятой  стратегии 

проведения ремонтов [10], недостаточной квалифи-

Рис

. 1. 

Общие

критерии

оценки

надежности

ЭС

Надежность

изделия

Показатели

Единичные

Безотказность

Долговечность

Сохраняемость

Св

ойств

а

Коэффициент г

от

овности

Ремонто-

пригодность

Средняя наработка

Средний ресурс

Среднее время

восстановления

Средний срок

сохраняемости

Комплексные

№

 6 (63) 2020

124

Показатели

надежности ЭПУ

Вероятность

безотказной работы

Вероятность отказа

Интенсивность отказов

Средняя наработка

до первого отказа

Поток отказов

Наработка на отказ

Среднее время

восстановления

Коэффициент

готовности

Коэффициент

вынужденного простоя

Методы

прогнозирования

Меры по обеспечению

надежности

Топологические

методы

Методы анализа надежности ЭПУ

Оценка надежности ЭПУ

Аналитический метод

Резервирование, стан-

дартизация и унификация

Построение графа

состояний

Логико-вероятностный

метод

Оптимальность и ста-

бильность технологий

Построение дерева

отказов

Таблично-логический

метод

Диагностика и конт-

роль, ТОиР, ППР

Переход от отказов эле-

ментов к отказу систем

Структурно-логический

метод

Оценка остаточного 

ресурса по результатам 

испытаний

Методы минимального

пути и минимального 

сечения

Параметрический экспе-

риментальный метод

Обоснование норм

надежности

Непараметрический экс-

периментальный метод

Вероятностная модель

внезапного отказа

Точечные оценки

показателей надежности

Вероятностная модель

постепенного отказа

кации  ремонтного  и  эксплуатационного  персонала, 

ошибочных  действий  персонала,  экстремальных 

воздействий ЭФВ внутреннего и внешнего происхож-

дения и прочее [11].  

Оценка надежности погружного электрооборудо-

вания нефтедобычи в целом производится: 

– по расширенным группам ЭПУ (Г ЭПУ); 

– для предприятий (ГП ЭПУ); 

– для месторождений (ГМ ЭПУ); 

– для  конкретного  куста,  получающего  питание  от 

отдельного источника питания (ГК ЭПУ); 

– для отдельного ПЭД. 

Для этого используют методы и показатели оцен-

ки надежности, приведенные на рисунке 2.

В настоящее время в зарубежной и в ряде случа-

ев отечественной практики анализа надежности ЭО 

нефтедобычи  [7,  11,  13]  используются  следующие 

количественные показатели, отнесенные к годовому 

интервалу:

– SAIFI  (System  Average  Interruption  Frequency  In -

dex) — среднее число отказов по конкретной груп-

пе ГП, ГМ и ГК ЭПУ;

– SAIDI  (System  Average  Interruption  Duration  In-

dex)  —  среднее  время  ликвидации  последствий

аварийного  отказа  (определяется  как  продолжи-

тельность  в  среднем  одного  отключения  в  ГП,

ГМ или ГК ЭПУ);

– СAIFI  (Customer  Average  Interruption  Frequency 

Index) — средняя частота отключения конкретного 

ПЭД или среднее число отключений конкретного 

ПЭД;

– СAIDI (Customer Average Interrup-tion Duration In-

dex)  —  среднее  время  отключения  одного  ПЭД 

или  среднее  время  восстановления  питания 

одного ПЭД.

Оценка надежности узлов передачи и потребления 

электроэнергии  ЭПУ  в  соответствии  с  описанными 

критериями  производится  на  основании  сбора  и  на-

копления  эксплуатационных  данных  о  текущем  тех-

ническом состоянии комплекса и его элементов. Со-

бранные сведения составляют информационную базу 

данных (ИБД), включающую результаты мониторинга 

технического состояния, натурных, тепловых и вибра-

ционных испытаний в различных режимах и эксплуата-

ционных состояниях. В процессе формирования ИБД 

и выполнения процедуры общего интеллектуального 

анализа  полученных  показаний  целесообразно  ис-

пользование результатов накопления и интегральной 

обработки  материалов  аварийных  (предаварийных) 

состояний оборудования ЭПУ. Данные статистики от-

казов служат источником первоначальной информа-

ции  для  методов  прогнозирования,  позволяющих  на 

практике  оценить  уровень  параметрической  надеж-

ности ЭПУ по имеющемуся составу исходных данных 

[14] и служат основой для состоятельных экспертных 

оценок при общем анализе надежности ПЭО ПН.

Разработка  мероприятий  по  повышению  надеж-

ности СЭС ПН [3–5, 12] основана на использовании 

ОБОРУДОВАНИЕ

Рис

. 2. 

Методы

и

показатели

оцен

-

ки

надежности

ЭПУ

125

статистических  данных  эксплуатации  и  обширного 

кластера современных аналитических, эксперимен-

тальных и топологических методов. Они представле-

ны на рисунке 2 вместе с показателями надежности 

и в определенной мере нашли свое отражение для 

решения конкретных задач по оценке и повышению 

надежности ЭПУ в исследованиях [3–5, 12].

В рамках представленной работы автор приводит 

практическую  реализацию  применения  топологиче-

ских методов для анализа и разработки комплексных 

мер по повышению надежности узлов передачи и по-

требления  электроэнергии  СЭС  ПН.  Топологические 

методы моделирования сложных систем основаны на 

построении структурных схем объекта исследования 

(в данном случае — ЭПУ) с представлением его в гра-

фической форме на основании структурных и функци-

ональных показателей объекта, используют построе-

ние  и  анализ  графов  состояния,  деревьев  отказов. 

Для  названных  методов  характерно  представление 

результата  в  удобной  графической  форме  с  мини-

мальной погрешностью в вычислениях, поэтому они 

удобны  для  качественного  научно-технического  из-

учения ЭПУ и служат основой достоверных оценок [8]. 

РЕЗУЛЬТАТЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ проведенных исследований [1–5, 10, 12] и ста-

тистических данных эксплуатации ЭПУ и ПЭД в раз-

личных режимах [3, 5, 14, 15] и под влиянием эксплу-

атационных физических воздействий показывает, что 

наибольшее количество отказов в СЭС ПН приходится 

на погружное электрооборудование, а именно на узел 

«кабель-ПЭД» — более 50%. Фактически названные 

узлы  формально  определяют  общую  работоспособ-

ность ЭПУ. На рисунке 3 приведены результаты обра-

ботки статистического материала по отказам в работе 

ЭПУ в Поволжском регионе за 2014–2019 годы. 

Выход  из  строя  ПКЛ  происходит  по  следующим 

причинам:  электропробой  кабеля  (47,7%),  кабель-

ной  муфты  (10%),  удлинителя  (7%),  электропробой 

в сростке (5%), механические повреждения кабеля, 

заводской брак, некачественный монтаж.

На  рисунке  4  подробно  (в  относительном  виде, 

в  %)  представлено  соотношение  между  отказами, 

связанными  с  ПЭД,  и  причинами  данных  отказов. 

Причинами  и  сопутствующими  обстоятельствами 

технологических  нарушений  ПЭД  являются:  элек-

тропробой  в  пазу  (45%),  электропробой  токовво-

да  (19%),  электропробой  в  лобовой  части  обмотки 

статора  (10%),  перегрузки  (6%),  коррозия  корпуса, 

некачественный  ремонт,  некачественный  монтаж, 

механические  примеси  и  солеотложения,  негерме-

тичность НКТ и прочие [4]. ПЭД являются сложными 

техническими системами, состоящими из элементов, 

различных по составу, по физической природе (меха-

нические, электрические, гидравлические и т.д.) и по 

степени воздействий ЭФВ. Поэтому далее в качестве 

объекта  исследования  рассмотрен  ПЭД  как  наибо-

лее ответственный и аварийный элемент узлов пере-

дачи и потребления электроэнергии в составе ЭПУ. 

В представленной работе приведены исследования 

по изучению конструкции и структурно-функциональ-

ного  моделирования  ПЭД  как  сложной  технической 

системы и разработке математических моделей на-

дежности ПЭД.

Для ПЭД как сложного технического объекта ха-

рактерно  конкретное  расположение  конструкци-

онных  элементов  относительно  друг  друга,  этим 

определяются их основные конструкционные, струк-

турные  и  функциональные  свойства,  степень  и  об-

ласть воздействующих ЭФВ. Поэтому в дальнейших 

расчетах используем неизменное пространственное 

положение элементов ПЭД. Анализ его конструкции 

позволяет  структурно  выделить  основные  локаль-

ные  группы  элементов  —  детали,  различные  виды 

соединений,  принятые  геометрические  параметры 

[13].  Для  каждой  из  выделенных  групп  определим 

подгруппы, которые подробно представлены на ри-

сунке 5. С целью формализации и удобства выпол-

нения  моделирования  введем  принятые  условные 

обозначения для выделенных локальных групп эле-

ментов  ПЭД  —  детали  обозначим 

Д

i

,  соединения 

обозначим 

C

j

, геометрические параметры обозначим 

Г

k

. На рисунке 6 представлена блок-схема, на кото-

рой определены подгруппы для каждой из групп эле-

ментов  ПЭД,  основные  виды  воздействующих  ЭФВ 

и возникающие при этом механизмы отказов.

  В  построении  структурных  схем  ПЭД  можно 

выделить  ряд  особенностей.  Во-первых,  построе-

ние  структурных  схем  выполняется  на  основе  кон-

струкционных  параметров,  так  как  каждый  элемент 

конструкции  строго  выполняет  свое  назначение 

и  отведенный  функционал,  заложенный  при  проек-

тировании  объекта  [9].  В  этом  случае  структурные 

схемы выполняются в виде замкнутых или разомкну-

Рис

. 3. 

Диаграмма

количества

отказов

по

элементам

конструкции

ЭПУ

Рис

. 4. 

Диаграмма

характера

повреждений

ПЭД

Гидрозащита

Насосно-ком-

прессорные трубы

Погружной

электродвигатель

Газосепаратор

Насос

Прочее

Кабель

0

5

10

15

20

25

30

35

Некачественный монтаж

Перегрузка ПЭД

Механические примеси,

отложение солей

Перегрузка эксплуата-

ционной колонны

Заводской брак

Коррозия корпуса ПЭД

Электропробой в лобовой 

части

Электропробой токоввода

Некачественный ремонт

Электропробой в пазу

0

5 10 15 20 25 30

40

35

45 50

№

 6 (63) 2020

126

тых  неориентированных  конту-

ров.  В  классическом  исполнении 

они имеют направленную структу-

ру элементов. Во-вторых, должно 

соблюдаться  и  учитываться  ис-

ходное  взаимное  расположение 

конструкционных  элементов  (де-

талей),  установленное  геометри-

ческими параметрами ПЭД [3, 14]. 

При их нарушении система теря-

ет свою работоспособность, либо 

происходит нарушение, ограниче-

ние  функциональных  возможно-

стей  объекта.  В-третьих,  следует 

учесть, что ПЭД (как сложная сис-

тема) состоит из множества деталей с различными 

физическими, тепловыми, химическими свойствами, 

соединенных  между  собой  сварными,  болтовыми, 

опрессовочными, паяльными, резьбовыми и пр. ви-

дами  контактного  соединения  [20].  Эксплуатацион-

ная эффективность всей системы напрямую зависит 

от качества выполняемого сопряжения деталей всей 

системы.

Методология  структурно-функционального  моде-

лирования  заключается  в  построение  модели  ПЭД 

в виде графа. В вершинах графа ПЭД расположены 

выделенные  локальные  группы  элементов:  детали 

(

Д

i

), контактные соединения (

C

j

), геометрические па-

раметры (

Г

k

). Ребра графа имеют свободную форму 

построения  и  обозначают  виды  связей  между  ука-

занными  группами  конструктивных  элементов.  От-

личительной особенностью описанной методики яв-

ОБОРУДОВАНИЕ

Изоляционные 

детали

Детали (

Д

i

)

Соединения

деталей (

С

i

)

ПЭД

Установочные

допуски узлов (

Г

i

)

Конструкцион-

ные детали

Соединения 

с натягом

Соединения 

с зазором

Контактное

соединение

Рис

. 5. 

Классификация

элементов

ПЭД

ляется точный учет набора факторов, влияющих на 

надежность функционирования ПЭД как системы. 

На  рисунке  7  приведен  конечный  вариант  струк-

турно-функциональной схемы ПЭД. Указанная схема 

составлена с учетом всех вышеизложенных рекомен-

даций и допущений. Она служит основой для структур-

но-функционального  моделирования  и  составления 

моделей надежности конструктивных элементов ПЭД. 

На рисунке 7 приняты следующие сокращения и обо-

значения: 

Д

1.1

 — корпус ПЭД; 

Д

1.2

–

Д

1.3

 — основания 

корпуса ПЭД (верхнее и нижнее); 

Д

2.1

 — вал ротора; 

Д

2.2

–

Д

2.4

 — пакеты ротора ПЭД; 

Д

2.5

–

Д

2.10

 — стопорные 

кольца; 

Д

2.11

–

Д

2.13

  —  упорные  кольца; 

Д

2.14

–

Д

2.15

  — 

подшипники  скольжения; 

Д

2.16

–

Д

2.18

  —  беличья  клет-

ка; 

Д

2.15

 — «турбинка»; 

Д

3.1

–

Д

3.3

 — пакеты статорного 

железа  ПЭД  [5]; 

Д

3.4

–

Д

3.5 

—  немагнитный  материал 

статорного железа ПЭД» [11]; 

Д

3.6

–

Д

3.8

 — верхние ло-

Рис

. 6. 

Блок

-

схема

расширенной

классификации

элементов

ПЭД

с

механизмами

отказов

Соединения

деталей

(

С

i

)

Детали

(

Д

i

)

Установочные

допуски узлов

(

Г

i

)

Воздействующие факторы

Электродинамические

Механические

Электротермические

Изоляционные детали

Сварное соединение

Отклонение параметров

установки узлов

Болтовое соединение

ПЭД

Нарушение механической

прочности и жесткости

Опрессовочное

соединение

Выход параметров

за допустимые пределы

Электромагнитное

соединение

Конструкционные детали

Нарушение

электрической прочности

(пробой) диэлектриков

Нарушение механической

прочности и жесткости

Нарушение

взаимоиндукции,

потокосцепления двигателя

127

Рис

. 7. 

Структурно

-

функциональная

схема

ПЭД

компенсатор

Ротор

Статор

Узел

нижнего

основания

компенсатор

гидрозащита

Узел упорного

подшипника

Узел токоввода

гидрозащита

гидрозащита

муфта

муфта

№

 6 (63) 2020

128

бовые части обмотки статора ПЭД; 

Д

3.9

–

Д

3.11

 — пазо-

вые части обмоток статора ПЭД; 

Д

3.12

–

Д

3.14

 — нижние 

лобовые части обмотки статора ПЭД; 

Д

4.1

 — крышка 

узла  тοкοввοда; 

Д

4.2

  —  колодка; 

Д

4.3

–

Д

4.5

  —  гильзы; 

Д

4.6

–

Д

4.8

 — силовой кабель; 

Д

5.1

 — крышка; 

Д

5.2

 — пята 

основания; 

Д

5.3

  —  узел  подпятника; 

Д

5.4

  —  резино-

вые изделия; 

Д

5.5

 — обратный клапан; 

Д

6.1

 — пробка; 

Д

6.2

 — пуско-предохранительный клапан (ППК); 

Д

6.3

 — 

обратный клапан (ОК); 

Д

6.4

 — масляный фильтр; 

Д

М

 — 

муфта.

В  рамках  проведенного  исследования  по  полу-

ченным  данным  были  составлены  математические 

модели надежности для каждого из конструктивных 

элементов ПЭД (узел нижнего основания, ротор, ста-

тор, узел токоввода, узел упорного подшипника) [8]. 

Далее в качестве примера целесообразно привести 

аналитические  выражения  для  построения  ММ  на-

дежности одного из узлов ПЭД, например, узла упор-

ного подшипника.

Запишем аналитическое выражение вероятности 

возникновения отказа для контуров:
1)  контур А

5

1

: 

Д

5.1 

– 

C

5.6 

– 

Д

5.2

 – 

C

5.7

 – 

Д

5.3

 – 

C

5.8

 – 

Д

5.4

:

Q

А

5

1

(

T

) = 

Q

5.1

 + (1 – 

Q

5.1

) 

Q

5.6

 + (1 – 

Q

5.1

) (1 – 

Q

5.6

)

Q

5.2

 + 

+ (1 – 

Q

5.1

) (1 – 

Q

5.6

) (1 – 

Q

5.2

) 

Q

5.7

 + (1 – 

Q

5.1

) (1 – 

Q

5.6

) ·

·

(1 – 

Q

5.2

) (1 – 

Q

5.7

) 

Q

_5.3 + (1 – 

Q

5.1

) (1

–

Q

5.6

)(1

–

Q

5.2

)

·

· (1 – 

Q

5.7

) (1 – 

Q

5.3

) 

Q

5.8

 + (1 – 

Q

5.1

) (1 – 

Q

5.6

) (1 – 

Q

5.2

) ·

· (1 – 

Q

5.7

) (1 – 

Q

5.3

) (1 – 

Q

5.8

) 

Q

5.4

;

2)  контур В

5

1

: 

Д

1.2

 – 

C

5.9

 – 

Д

5.1

:

Q

B

5

1

(

T

) = 

Q

1.2

 + (1 – 

Q

1.2

) 

Q

5.9

 + (1 – 

Q

1.2

) (1 – 

Q

5.9

) 

Q

5.1

;

3)  контур C

5

1

: 

Д

1.2

 – 

C

5.10

 – 

Д

5.3

:

Q

С

5

1

(

T

) = 

Q

1.2

 + (1 – 

Q

1.2

) 

Q

5.10

 + (1 – 

Q

1.2

) (1 – 

Q

5.10

) 

Q

5.3

;

4)  контур D

5

1

: 

Д

1.2

 – 

C

5.11

 – 

Д

5.4

:

Q

D

5

1

(

T

) = 

Q

1.2

 + (1 – 

Q

1.2

) 

Q

5.11

 + (1 – 

Q

1.2

) (1 – 

Q

5.11

) 

Q

5.4

;

5)  контур Е

5

1

: 

Д

1.2

 – 

C

5.12

 – 

Д

5.5

:

Q

E

5

1

(

T

) = 

Q

1.2

 + (1 – 

Q

1.2

) 

Q

5.12

 + (1 – 

Q

1.2

) (1 – 

Q

5.12

)

Q

5.5

.

Тогда  соответствующее  выражение  для  звена 

упорного подшипника будет иметь вид:

А



1

: А

5

1

 – В

5

1

 – C

5

1

 – D

5

1

 – Е

5

1

.

Математическое выражение вероятности возник-

новения отказа для узла упорного подшипника опре-

деляется в виде:

Q



1

(

T

) = 

Q

А

5

1

 + (1 – 

Q

А

5

1

) 

Q

B

5

1

 + (1 – 

Q

А

5

1

) (1 – 

Q

B

5

1

) 

Q

C

5

1

 +

+ (1 – 

Q

А

5

1

) (1 – 

Q

B

5

1

) (1 – 

Q

C

5

1

) 

Q

D

5

1

 + (1 – 

Q

А

5

1

) (1 – 

Q

B

5

1

) ·

· (1 – 

Q

C

5

1

) (1 – 

Q

D

5

1

) 

Q

E

5

1

. 

(1)

Аналогичные  выражение  для  вероятностей  от-

каза других подсистем с учетом состояния элемен-

тов конструкции машин получены для других узлов 

и звеньев. После математических преобразований 

ММ надежности выделенных узлов ПЭД можно за-

писать  уравнение  для  определения  вероятности 

возникновения отказа ПЭД в компактной форме: 

Q

(

E

) = К · 

Q

{

E

1

(

T

) + 

+ 



5

i

 = 2 



n

i

j

 = 1

[1 – 

Q

i

,

j

 – 1

{

E

j

(

T

)}] 

Q

i

,

j

[

E

j

(

T

)]}, 

(2)

где  слагаемое 

Q

[

E

j

(

T

)]  определяет  вероятность 

возникновения отказа для 

j

-го узла [14], а коэффи-

циент  К  можно  найти  по  кривым  оценки  остаточ-

ного  ресурса  ПЭД,  разработанным  в  работах  ав-

тора [3].

ВЫВОДЫ

Результаты  работы  можно  кратко  сформулировать 

следующим образом.

1.  Предложена  и  описана  методология  оценки  на-

дежности узлов передачи и потребления электро-

энергии ЭПУ ПН на основе изучения и структурно-

функционального моделирования конструктивных 

элементов  системы.  Она  позволяет  объективно 

оценить  эффективность  эксплуатации  объекта 

исследования,  выявить  конструктивные  и  функ-

циональные  дефекты  («слабые  места»),  внести 

соответствующие коррективы на всех этапах жиз-

ненного цикла оборудования.

2.  В  описанной  методологии  корректно  учтены  все 

недостатки  двухполюсных  схем,  что  позволило 

минимизировать погрешность в расчетах и суще-

ственно расширить область использования струк-

турно-функциональных  моделей,  особенно  для 

оценки эффективности сложных систем.

3.  Произведена практическая реализация разрабо-

танной методологии на примере ПЭД. Составлена 

структурно-функциональная  схема  ПЭД  и  мате-

матические модели надежности его конструктив-

ных элементов. В них достоверно учтены эксплуа-

тационные показатели, характеристики ПЭД и его 

элементов в виде конструктивных особенностей, 

функциональных возможностей, воздействующих 

внутренних  и  внешних  эксплуатационных  физи-

ческих воздействий.

4.  В  результате  математических  преобразований 

моделей  надежности  элементов  ПЭД  получена 

обобщенная модель эксплуатационной надежно-

сти ПЭД. Она позволяет унифицировать процесс 

оценки  надежности  ПЭД  всех  видов  и  типораз-

меров  в  зависимости  от  исходных  данных  и  как 

следствие качественно повысить эффективность 

эксплуатации ЭПУ с ПЭД.  

ЛИТЕРАТУРА
1.  Нурбосынов Д.Н., Табачникова Т.В.,

Швецкова  Л.В.  Повышение  экс-

плуатационно-энергетических  ха-

рактеристик  электротехнического 

комплекса добывающей скважины 

при добыче вязкой и высоковязкой 

нефти // Промышленная энергети-

ка, 2015, № 8. С. 18–22.

2.  Таджибаев  А.И.  Научные  основы 

систем оценки технического состо-

яния  электрооборудования  элек-

тротехнических комплексов: дис. … 

докт. техн. наук. Самара, 2006. 373 с.

3.  Романов В.С. Повышение эксплу-

атационной  эффективности  элек -

ОБОРУДОВАНИЕ

129

тротехнических  комплексов  не-

фтедобычи с погружными электро-

двигателями:  дис.  …  канд.  техн. 

наук. Самара, 2019. 87 с.

4.  Сушков  В.В.,  Тимошкин  В.В.,  Су-

хачев И.С., Сидоров С.В. Оценка 

остаточного  ресурса  изоляции 

погружного 

электродвигателя 

установок электрических центро-

бежных  насосов  добычи  нефти 

при  воздействиях  импульсных 

перенапряжений // Известия Том-

ского  политехнического  универ-

ситета. Инжиниринг георесурсов, 

2017, № 10. Т. 328. С. 74–80.

5.  Романов  В.С.,  Гольдштейн  В.Г. 

Повышение надежности электро-

технического  комплекса  электро-

оборудования  нефтедобычи  на 

основе  анализа  его  аварийности 

//  Электротехнические  систе-

мы  и  комплексы,  2018,  №  3(40). 

С. 7–12.

6.  Liang X., Fleming E. Electrical sub-

mersible  pump  systems:  evaluating 

their  power  consumption.  IEEE  In-

dustry Applications Magazine, 2013, 

vol. 19, no. 6, pp. 46-55.

7.  Бабаев  С.Г.,  Габибов  С.Г.,  Мели-

хов Р.Х. Основы теории надежно-

сти  нефтепромыслового  обору-

дования. Баку: АГНА, 2015. 400 с.

8.  Замиховский  Л.М.,  Калявин  В.П. 

Техническая диагностика погруж-

ных  электроустановок  для  до-

бычи. Снятын: Прут Принт, 1999. 

234 с.

9.  Алиев И.М. Диагностирование ра-

боты нефтяных скважин, эксплуа-

тируемых погружными центробеж-

ными насосами: автореф. дис. …

канд.  техн.  наук.  Москва,  1988. 

25 с.

10. Romanov  V.S.,  Goldstein  V.G.,  Va-

silieva  N.S.  The  use  of  statistical 

models to improve the management 

of production cycles of submersible 

electrical  equipment  for  oil  produc-

tion. IEEE Conference 2019 XXI In-

ternational  Conference  Complex 

Systems:  Control  and  Modeling 

Problems (CSCMP), 3-6 Sept 2019, 

Samara  State  Technical  University, 

pp. 604-607.

11. Sukhachev I.S., Gladkikh T.D., Sush-

kov V.V. An algorithm of the loss risk 

assessment in the oil production in 

case  of  electric  submersible  motor 

failure.  IEEE  Conference  2016  Dy-

namics of Systems, Mechanisms and

Machines, Omsk, 15-17 Nov. 2016.

12. Смирнов Н.И. Исследование вли-

яния износа на ресурс УЭЦН / Сб. 

трудов  Международной  научно-

технической конференции «Акту-

альные  проблемы  трибологии», 

2007, т. 1. C. 410–416.

13. Складчиков  А.А.  Оценка  на-

дежности  и  управление  ри-

сками  технологических  нару-

шений  на  воздушных  линиях 

электропередачи:  дис.  …  канд. 

техн.  наук.  Самара,  2012.  139  с.

14. Перельман О.М., Пещеренко С.Н., 

Рабинович  А.И.,  Слепченко  С.Д. 

Методики  определения  надеж-

ности  погружного  оборудования 

и опыт ее применения // Техноло-

гии ТЭК, 2005, № 3. С. 66–73.

15. Thorsen  O.V.,  Dalva  M.  Combined 

electrical  and  mechanical  model  of 

electric  submersible  pumps.  IEEE 

Transactions  on  Industry  Applica-

tions, 2001, vol. 37, no. 2, pp. 541-547.

REFERENCES
1.  Nurbosynov D.N., Tabachnikova T.V.,

Shvetskova L.V. Improvement of op-

erating  characteristics  of  the  fi eld 

well electrotechnical equipment dur-

ing recovery of viscous and high-vis-

cousity index oil // 

Promyshlennaya 

energetika

  [Industrial  power],  2015, 

no. 8, pp. 18-22. (In Russian)

2.  Tadzhibaev A.I. Scientifi c grounds of 

electrical  equipment  technical  con-

dition  assessment  systems:  Doc-

tor's thesis in Engineering Science. 

Samara, 2006. 373 p. (In Russian)

3.  Romanov  V.S.  Improvement  of  op-

erating  effi  ciency  of  oil  recovery 

electrotechnical  equipment  with 

submersible  electrical  motors:  PhD 

thesis  in  Engineering  Science.  Sa-

mara, 2019. 87 p. (In Russian)

4.  Sushkov V.V., Timoshkin V.V., Sukh-

achev I.S., Sidorov S.V. Assessment 

of residual life of submersible elec-

trical motor  insulation of rotary vane 

pumps for oil recovery in surge volt-

age  conditions  // 

Izvestiya Tomsk-

ogo politekhnicheskogo universite-
ta. Inzhiniring georesursov

 [News of 

Tomsk Polytechnic University. Geo-

resource engineering], 2017, no. 10, 

vol. 328, pp. 74-80. (In Russian)

5.  Romanov V.S., Goldshtein V.G. Re-

liability  improvement  of  oil  recovery 

electrotechnical equipment based on 

its failure rate analysis // 

Elektrotekh-

nicheskiye sistemy i kompleksy

 [Elec-

trotechnical  systems  and  complex-

es],  2018,  no.  3(40),  pp.  7-12.  (In 

Russian)

6.  Liang X., Fleming E. Electrical sub-

mersible  pump  systems:  evaluating 

their  power  consumption.  IEEE  In-

dustry Applications Magazine, 2013, 

vol. 19, no. 6, pp. 46-55.

7.  Babaev  S.G.,  Gabibov  S.G.,  Me-

likhov  R.Kh.  Basics  of  oil  recovery 

equipment  reliability  theory.  Baku, 

Azerbaijan  State  Oil  Academy, 

2015. 400 p. (In Russian)

8.  Zamikhovski  L.M.,  Kalyavin  V.P. 

Technical  diagnosis  of  submersible 

electrical  installations  for  oil  recov-

ery. Snyatyn: Prut Print Publ., 1999. 

234 p. (In Russian)

9.  Aliev I.M. Functional diagnosis of oil 

fi eld wells operated by submersible 

rotary vane pumps: abstract of PhD 

thesis in Engineering Science. Mos-

cow, 1988. 25 p. (In Russian)

10. Romanov  V.S.,  Goldstein  V.G.,  Va-

silieva  N.S.  The  use  of  statistical 

models to improve the management 

of production cycles of submersible 

electrical  equipment  for  oil  produc-

tion. IEEE Conference 2019 XXI In-

ternational  Conference  Complex 

Systems:  Control  and  Modeling 

Problems (CSCMP), 3-6 Sept 2019, 

Samara  State  Technical  University, 

pp. 604-607.

11. Sukhachev I.S., Gladkikh T.D., Sush-

kov V.V. An algorithm of the loss risk 

assessment  in  the  oil  production  in 

case  of  electric  submersible  motor 

failure.  IEEE  Conference  2016  Dy-

namics of Systems, Mechanisms and 

Machines, Omsk, 15-17 Nov. 2016.

12. Smirnov  N.I.  Investigation  of  wear 

impact  on  electric  submersible 

pump life / Sbornik trudov Mezhdun-

arodnoy 

nauchno-tekhnicheskoy 

konferentsii  "Aktual'niye  problemy 

tribologii" [Proc. of International sci-

entifi c-technical  conference  "Actual 

issues  of  tribology"],  2007,  vol.  1, 

pp. 410-416. (In Russian)

13. Skladchikov  A.A.  Reliability  as-

sessment  and  risk  management  of 

process  disturbances  in  overhead 

transmission lines: PhD thesis in En-

gineering  Science.  Samara,  2012. 

139 p. (In Russian)

14. Perelman O.M., Peshcherenko S.N., 

Rabinovich  A.I.,  Slepchenko  S.D. 

Procedures  of  submersible  equip-

ment  reliability  determination  and 

application  practice  //  Tekhnologii 

TEK  [Technologies  in  Energy  and 

Fuel Complex], 2005, no. 3, pp. 66-

73. (In Russian)

15. Thorsen  O.V.,  Dalva  M.  Combined 

electrical  and  mechanical  model  of 

electric  submersible  pumps.  IEEE 

Transactions  on  Industry  Applicati-

ons, 2001, vol. 37, no. 2, pp. 541-547.

№

 6 (63) 2020