Обеспечение электромагнитной совместимости систем электроснабжения нефтегазового комплекса при внутренних перенапряжениях

На правах рукописи

СОЛЯКОВ Олег Вячеславович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА ПРИ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы».

Научный руководитель:	–	доктор технических наук, профессор Гольдштейн Валерий Геннадьевич, Самарский государственный технический университет
Официальные оппоненты:	–	доктор технических наук, профессор Рассказов Федор Николаевич, Самарский государственный технический университет
	–	кандидат технических наук, доцент Масляницын Александр Петрович, Самарский государственный строительный университет
Ведущее предприятие:	–	Петербургский энергетический институт повышения квалификации, г. Санкт-Петербург

Защита состоится 29 мая 2007 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Молодогвардейская ул., д. 244, Главный корпус, ауд. 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ, а с авторефератом на официальном сайте СамГТУ http://www.samgtu.ru

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04,

тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00, e-mail: aees@rambler.ru.

Автореферат разослан апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Надежная эксплуатация систем электроснабжения нефтегазового комплекса существенным образом зависит от решения вопросов обеспечения электромагнитной совместимости основных электроустановок при воздействиях перенапряжений. В добыче и транспорте нефти и газа среди них большую группу составляют высоковольтные электродвигатели (ЭД) компрессорных, перекачивающих и насосных станций (КПНС). В значительной степени безотказную работу ЭД и электрооборудования питающих их сетей определяет обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) названного электрооборудования при воздействиях внешних (грозовых) и внутренних перенапряжений. Причиной последних в немалой степени являются современные коммутационные аппараты – вакуумные выключатели. Кроме того велика доля повреждений, вызванных процессами замыканий и, прежде всего, дуговых на землю в сетях, питающих ЭД. Согласно опубликованным данным примерно от 3 до 17,5 % установленных двигателей выходит из строя в течение года. Анализ отказов показывает, что воздействие перенапряжений приводит к преждевременному старению изоляции и выходу двигателя из строя по другим причинам (работа в условиях загрязнения и увлажнения, повышенной температуры и т.д.).

Из-за старения повреждается дополнительно примерно 5 - 8 % установленных двигателей ежегодно. Повреждения отдельных электродвигателей приводят иногда к последующему выходу из строя нескольких электродвигателей вследствие опасных перенапряжений на сборных шинах. Опытом эксплуатации и результатами известных исследований установлено, что из всего перечня отказов электрооборудования компрессорных станций доминирующими являются отказы в питающих сетях и высоковольтных двигателях.

Таким образом, при воздействиях перенапряжений в сетях КПНС для обеспечения надежной эксплуатации и обоснованного технико-экономического решения проблемы обеспечения ЭМС необходимо разработать неформальное и формальное решение соответствующей канонической задачи ЭМС, теоретические и практические критерии этого решения и технические оценки и мероприятия для наиболее важных электроустановок и аппаратов. Сказанное выше определяет актуальность проблемы и основных направлений данной работы.

На основе подробного анализа проблем повышения надежности и обеспечения ЭМС электрооборудования сетей компрессорных станций можно констатировать, что ряд теоретических и технических задач в этом направлении исчерпывающих решений не имеет. Это положение легло в основу определения цели и задач диссертации.

Основными видами перенапряжений в сетях КПНС являются:

• перенапряжения при дуговых однофазных замыканиях на землю;
• перенапряжения, возникающие при коммутациях включения и отключения присоединений с электрическими двигателями.

Перенапряжения, возникающие при однофазных дуговых замыканиях, охватывающие все электрооборудование КПНС, подключенное к секции, существенно зависят от режима заземления нейтральной точки. На кратности коммутационных перенапряжений, зона охвата которых ограничена коммутируемым присоединением, режим заземления нейтрали сети практически не оказывает влияния.

В последние годы вопросам анализа и защиты от перенапряжений в сетях средних классов напряжения, к которым относятся и сети 6, 10 кВ КПНС, уделяется достаточно большое внимание. Существенный вклад в решение этой задачи внесли Евдокунин Г.А., Халилов Ф.Х., Кадомская К.П., Заболотников А.П., Тихонов А.А., Гаврилко А.И., Дегтярев И.Л., Кузьмичева К.И., Гольдштейн В.Г., Таджибаев А.И., Ефимов Б.В., Челазнов А.А., Меньшов Б.Г., Алиев Ф.Г., Воздвиженский В.А., Гончаров А.Ф., Козлов В.Б. и др. Однако однозначного мнения по мерам обеспечения надежной эксплуатации изоляции оборудования этих сетей в настоящее время еще нет. Это, в частности, касается и вопроса заземления нейтрали таких сетей: сети эксплуатируются как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через низкоомные или высокоомные резисторы. Внедрение в сети новой коммутационной аппаратуры, в частности, вакуумных выключателей (ВВ), поставило также задачу оптимизации мер защиты от коммутационных перенапряжений – анализа ниш преимущественного использования нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) и RC-цепочек.

Очевидно, что решение сформулированных задач должно опираться на разумное сочетание анализа данных эксплуатации, экспериментальных исследований и математического моделирования. При этом несомненной становится необходимость усложнения математических моделей, в значительной мере мотивированная, с одной стороны, заметным увеличением количества повреждений электрооборудования при внедрении вакуумных выключателей. С другой стороны, это диктуется постоянно возрастающими возможностями вычислительной техники и специального исследовательского программного обеспечения.

В работе с точки зрения обеспечения ЭМС рассматриваются возможности создания условий ограничения электромагнитных помех (ЭМП) в виде перенапряжений, которые возникают в процессе эксплуатации электрообрудования КПНС, входящих в состав систем электроснабжения нефтегазодобычи и магистральных продуктопроводов. При этом реализуется комплексный подход к разработке методов и средств для реализации названного выше ограничения ЭМП, поскольку при решении названных вопросов необходимо учитывать технологические и конструктивные особенности электроустановок, входящих в электротехнические комплексы КПНС.

Основная цель настоящей работы: улучшение обеспечения ЭМС и повышение надежности эксплуатации электрооборудования КПНС на основе комплекса мероприятий по снижению интенсивности и опасности помехоэмиссии ЭМП в виде внутренних перенапряжений.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.

• Определение критериальных оценок обеспечения ЭМС для реализации повышения надежности электрооборудования КПНС при коммутациях присоединений с двигателями вакуумными выключателями и однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ).
• Исследование помехоэмиссии перенапряжений, возникающих при ОДЗ и коммутациях ЭД вакуумными выключателями при отсутствии и наличии защитных средств, снижающих опасность высокочастотных импульсов напряжений для витковой и главной изоляции.
• Определение комплекса мероприятий и защитных аппаратов для обеспечения ЭМС и улучшения эксплуатационных характеристик электрооборудования КПНС.

Научную новизну работы определяют следующие положения.

• Научное обоснование критериев обеспечения ЭМС при внутренних перенапряжениях на основе моделей процессов коммутаций присоединений с ЭД вакуумными выключателями и ОДЗ и работы защитных средств.
• Математические модели для определения параметров электромагнитной эмиссии внутренних перенапряжений в схемах электроснабжения КПНС без учета и с учетом защитных мероприятий средств и аппаратов.
• Улучшение обеспечения ЭМС КПНС путем уменьшения опасных для изоляции ЭД перенапряжений, возникающих при коммутациях вакуумными выключателями, ОДЗ, ферроррорезонансных явлениях с помощью комплекса эффективных средств и мероприятий.

Практическая значимость результатов работы.

• Обоснование и рекомендации по применению комплекса защитных средств и мероприятий для повышения надежности эксплуатации электрооборудования в сетях КПНС при коммутациях присоединений и ОДЗ.
• Технические мероприятия для снижения перенапряжений (витковых) при включении ЭД: регулировка выключателя на одновременное замыкание контактов для уменьшения времени существования повторных пробоев; регулировка выключателя наоборот по рассогласованию на время, достаточное для затухания свободных колебаний, определяемое длиной кабеля и мощностью двигателя.
• Рекомендации по ограничению кратностей перенапряжений на изоляции ЭД при их коммутациях и ОДЗ с помощью установки ОПН, RC-цепочек, токоограничивающих реакторов, резисторов в нейтралях и др.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата и математических моделей, описывающих переходные процессы в сетях электроснабжения КПНС, вычислительных программных комплексов, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на Всероссийской научн.-техн. конф. ТГУ (Тольятти, 2004 г.), на X и XI-ой Международной научн.-техн. конф. «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ(ТУ), (Москва, 2004, 2005 г. г.), на V-ой Международной научн.-техн. конф. «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий», (Мариуполь, 2005 г.), на XXVII сессии Всерос. научн. семинара АН РФ «Кибернетика электрических систем», (Новочеркасск, 2005 г.), на I-ой Международной научн.-практ. конф. «Энергетика, материальные и природные ресурсы…», (Пермь, 2005 г.), на VI-ой Международной конф. «Современные средства защиты электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений», (Самара, 2007 г.). По теме диссертации в периодической научно-технической литературе опубликовано 10 статей, из них 3 по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 164 стр. основного текста и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и 2 приложений.

Положения, выносимые на защиту.

• Критериальный подход к обеспечению ЭМС при внутренних перенапряжениях в системах электроснабжения КПНС.
• Улучшение эксплуатационных характеристик систем электроснабжения КПНС различной структуры за счет ограничения кратностей перенапряжений на изоляции статорной обмотки ЭД путем: установки ОПН непосредственно у ЭД или непосредственно за выключателем (при длине кабеля не более 30-40 м), заземления нейтральных точек секций сети через резисторы с сопротивлением порядка 500 600 Ом и ОПН, устанавливаемых на каждом присоединении.
• Обоснование состава и параметров комплекса защитных аппаратов и мероприятий для обеспечения ЭМС и надежной эксплуатации электрооборудования сетей КПНС при перенапряжениях, в том числе ОПН, оптимальной величины сопротивления резистора в нейтральной точке сети, RC-цепочек, токоограничивающих и компенсирующих реакторов и др.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований. Показана научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

С учетом нынешнего состояния, отраслевых особенностей нефтяной отрасли и производства и на основе технологической иерархически-структурной классификации электроустановок КПНС, рассматриваются принципы, положения и специфика построения схем их электроснабжения и их защиты от перенапряжений.

Проведен анализ существующих методов и средств обеспечения ЭМС и надежности электрооборудования КПНС при воздействиях в виде перенапряжений, на основе которого сформулирована необходимость представленного в работе углубленного анализа технологических характеристик электроустановок КПНС. Здесь, прежде всего, необходимо выделить широко применяемые современные коммутационные аппараты – вакуумные выключатели, а также разнообразные защитные средства и мероприятия. Назначением последних является снижение интенсивности и параметров помехоэмиссии ЭМП в виде перенапряжений и, соответственно, повышение устойчивости к данным электромагнитным воздействиям всей системы электроснабжения КПНС.

В первой главе рассматриваются структуры сетей электроснабжения КПНС, приводятся характеристики основного электрооборудования и излагается методика определения параметров, входящих в математические модели исследуемых электромагнитных переходных процессов. ЭД КПНС работают в условиях, характеризующихся электродинамическими воздействиями при пусках, в результате которых происходит достаточно быстрый износ изоляции ЭД. Дефекты в изоляции развиваются достаточно быстро, снижая ее электрическую прочность до столь низкой величины, что пробой может наступить в режиме нормальной эксплуатации или при перенапряжениях, незначительно превышающих рабочее напряжение.

При анализе надежности высоковольтных ЭД и их повреждаемости в сетях КНПС, приводятся различные данные об удельных характеристиках повреждаемости. Средняя удельная годовая повреждаемость ЭД составляет 4% от общего числа установленных двигателей. В зависимости от типа двигателя и специфики его эксплуатации этот показатель лежит в пределах от 3 до 17,5% в год.

Основной причиной выхода из строя ЭД является повреждение обмотки статора – 75-85% всех случаев. В 50-70% случаев это повреждения витковой, корпусной и междуфазной изоляции. Значительная часть повреждений ЭД обусловлена электрическим пробоем изоляции в результате ее старения и воздействия на обмотку статора перенапряжений. Обеспечение ЭМС и, следовательно, надежной эксплуатации КПНС в значительной степени определяется:

• соответствием характеристик электрооборудования реальной электромагнитной обстановке;
• соответствием помехоэмиссии и помехоустойчивости уровням, регламентированным для конкретных электроустановок КПНС;
• заявленной заводами-изготовителями помеховосприимчивостью и уровнем ЭМС основного электрооборудования.

Критерии ЭМС - граничные условия в виде характеристик помеховосприимчивости, которые характеризуют способность электроустановок КПНС противостоять названной помехоэмиссии перенапряжений. Методические положения формирования граничных условий или критерии обеспечения ЭМС и показатели ЭМС электроустановок сетей электроснабжения КПНС часто определяют как уровни помехоустойчивости и невосприимчивости. Они регламентируют поток ЭМП и способность электроустановок противостоять возможным ЭМП. Все ЭУ характеризуются своими собственными объективными уровнями невосприимчивости, которые в большинстве случаев приближенно оценивают нормативными допустимыми уровнями ЭМС.

Опасные для изоляции ЭД КПНС импульсные перенапряжения могут возникать при их коммутациях вакуумными выключателями и при ОДЗ. Они имеют высокую амплитуду и достаточно крутой фронт, поэтому представляют опасность, прежде всего, для витковой изоляции. Следовательно, вопрос об определении граничных условий по этим ЭМП, по существу, связан с нормированием величины и формы испытательного напряжения, поэтому для оценки импульсной прочности изоляции вращающихся машин можно использовать лишь отдельные рекомендуемые значения импульсных испытательных напряжений и зарубежные стандарты Института инженеров по электротехнике и электронике, Международной Электротехнической Комиссии и Организации производителей электроэнергии. Они приведены в работе и их можно использовать в первом приближении для определения условий, при которых и возможно нормальное функционирование ЭД КПНС.

Ключевой момент в решении всех задач ЭМС это – сравнение энергетических возможностей ЭМП, воздействующих на ЭУ КПНС, с их способностью противостоять этим воздействиям за счет собственной внутренней стойкости к ЭМП и внешней защиты от них. Это положение можно сформулировать в виде:

; (1)

i = 1,..., ; k =1,…, m; j =1,..., n.

где ЭМПi(X) – обобщенная энергетическая характеристика ЭМП (напряжение, ток, мощность, время воздействия, температура, давление и др.), характеризующая электромагнитные воздействия на конкретную электроустановку – электродвигатель.

ГРk (X1, X2, …, Xj, …, Xn) – k-ое граничное значение на числовой оси одной переменной – параметра X1, k-ая граничная кривая на плоскости двух переменных – параметров X1, X2, k-ая граничная поверхность n-мерном (три и более) пространстве переменных – параметров X1, X2, X3,..., Xj, …, Xn.

Строго говоря, каждое конкретное k–ое граничное условие (k =1,…, m) приближенно определяет дискретный переход исследуемого объекта из одного физического состояния в другое в результате воздействия ЭМП. На самом деле за время жизни конкретной электроустановки многочисленные и разнообразные ЭМП последовательно с кумулятивным накоплением ухудшают его внутренние способности преодолевать их последствия, уменьшая внутреннюю стойкость.