Улучшение эксплуатационных характеристик электроустановок систем электроснабжения нефтяной промышленности при перенапряжениях

В экономике страны нефтяная отрасль занимает значительное место, определяя решение многих государственных проблем. Важнейшим направлением ее развития на современном этапе является повышение энергоэффективности и надежности систем электроснабжения и электрических сетей (СЭЭС) с номинальными напряжениями 0,4 -ь 35 кВ. Их безаварийность и эксплуатационная гибкость работы зависит от безотказной работы электротехнических комплексов (ЭТК), в которых основными электроустановками (ЭУ) являются линии электропередачи (ЛЭП), силовые трансформаторы (СТ) и электрические двигатели (ЭД).

Устойчивую экономичную работу этого электрооборудования (ЭО), удовлетворяющую требованиям стандартов и директивных документов* [1−5], во многом определяют такие взаимосвязанные технико-экономические показатели (ТЭП), как энергосбережение, энергоэффективность и надежность.

В связи с характерным для современных экономических условий России ростом объемов продукции в нефтяной отрасли [6] при широком внедрении энергоэффективных энергосберегающих процессов, технологий и ЭУ по статистике производственных результатов и состава СЭЭС 6 + 35 кВ' отмечается увеличение электропотребления. Оно обеспечивается как вновь создаваемыми, так и в большой мере существующими ЭТК. В последних — прирост распределяемой и потребляемой электроэнергии достигается за счет интенсификации использования и улучшения методов эксплуатации ЭО. И для тех, и других характерна высокая аварийность ЭО от эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), в частности, внутренних (феррорезонансных, коммутационных и др.) и внешних (грозовых) перенапряжений и сверхтоков.

В первом случае причины повреждений это — необоснованные или некорректные решения, принятые на этапах проектирования, монтажа и ввода в эксплуатацию. Они связаны с характерными особенностями новых ЭУ, их конструкциями и материалами. Здесь можно назвать, например, вакуумные выключатели, новые типы нелинейных ограничителей перенапряжений, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена и др.

Во втором случае основными причинами аварийных отказов являются нарушения регламентов эксплуатации, а также износ ЭУ. Необходимо особо выделить ситуации, в которых в составе одного или связанных ЭТК вместе с физически и морально изношенными ЭУ используются новое ЭО и технологии.

Особая значимость последних положений определяется тем, что в условиях постоянного и повсеместного дефицита финансирования электроснабжения в нефтяной отрасли, как и в целом в электроэнергетике России, не следует ожидать существенного обновления СТ и ЭД, находящихся в эксплуатации. Поэтому так отчетливо видна тенденция роста доли ЭО, отработавшего установленные нормативные сроки службы.

Возникает вопрос — демонтировать и заменить ЭО на новое или провести цикл восстановительных мероприятий и продлить его эксплуатацию?

Технико-экономический анализ и накопленный опыт эксплуатации ЭО показывают, что для ряда эксплуатируемых ЭУ продление сроков службы часто дает большую выгоду, чем замена их на новые. В частности, для СТ это продление возможно до 20 -н 30 лет. Необходимое условие — научное и методическое обоснование, обеспеченное техническими рекомендациями и реализованное соответствующими эксплуатационными мероприятиями.

Предпосылкой этих положений, как показывает ретроспективный* и текущий анализ [6], является^ исторически сложившаяся в нашей стране практика закладывания значительных коэффициентов запаса при проектировании и производстве изоляционных, проводниковых, ферромагнитных, механических и других элементов ЭО в СЭЭС 6-^-35 кВ. Поэтому в ближайшей перспективе актуальна разработка и реализация мероприятий по сохранению работоспособности и продлению срока службы ныне работающих ЭУ.

Аварийные отказы в СЭЭС 6-^-35 кВ на производствах нефтяной отрасли с непрерывным циклом часто приводят к большим ущербам из-за недобора нефти, повреждения дорогостоящего технологического оборудования и др.

Поэтому с учетом сказанного выше возникает кардинальная необходимость во всесторонних исследованиях перенапряжений и сверхтоков в СЭ-ЭС 6 + 35 кВ и, прежде всего, определения их предельных значений при ЭФВ, возникающих в разнообразных электромагнитных квазистационарных и переходных процессах [6−8].

Решение этих задач наряду с оценкой работоспособности названного ЭО позволяет определить мероприятия по повышению надежности передачи и распределения электроэнергии.

Это требует уточненного анализа электромагнитной совместимости (ЭМС) во взаимосвязанных физических процессах, возникающих вне и внутри ЭТК, составленных различными сочетаниями известных элементов «ЛЭП-СТ-ЭД» при разнообразных ЭФВ [6−7]. Их энергия или поступает из внешней среды (в частности, атмосферы) или накоплена внутри ЭТК.

Важнейшая проблема ЭМС в этом аспекте — голевое управление ЭФВ, то есть условиями появления, передачей, переходами через ЭУ потоков энергии в различных видах и формах, а также их направлениями и величинами. При этом, с одной стороны, должны быть обеспечены технологические процессы энергоснабжения, а, с другой, — нормальное функционирование ЭТК и в целом СЭЭС с учетом надежности, энергосбережения и энергоэффективности.

Ряд аспектов этой проблемы в настоящее время не имеет как решений, удовлетворяющих в полной мере современным требованиям эксплуатации и проектирования СЭЭС, так и рекомендаций на их основе. Здесь можно назвать классификацию и уточнение формирования ЭФВ, анализ и моделирование собственно обеспечения ЭМС с учетом взаимосвязи процессов, при конкретных ЭФВ и др. Особое значение это приобретает в условиях значительного износа объектов СЭЭС и, прежде всего, их изоляции.

Сказанное выше позволяет сформулировать основные положения оптимизации эксплуатации СТ и других ЭУ, включающие в себя обследования состояния оборудования с целью принятия наиболее выгодной стратегии технического обслуживания и ремонтов, а при необходимости выяснения возможностей продления срока службы ЭУ с учетом их технического состояния.

Это производится, с одной стороны, на основе всеобъемлющего применения соответствующих методов и средств контроля и диагностики состояния этих ЭУ. При этом первостепенное значение, как важнейшие составные части эксплуатации, приобретают эффективный контроль состояния и определение работоспособности и текущих ресурсов ЭО.

С другой стороны, сложившаяся ситуация выливается в актуальную проблему, требующую всестороннего исследования в СЭЭС 6-^-35 кВ кумулятивного накопления результатов ЭФВ и спорадических повреждений ЭУ при перенапряжениях и сверхтоках [11−13]. При этом, прежде всего, необходимо определение их предельных значений, возникающих в разнообразных электромагнитных квазистационарных и переходных процессах.

Поэтому задачи настоящей работы определены в соответствие с ее* названием в области повышения надежности и обеспечения ЭМС в ЭТК СЭЭС 6 ^ 35 кВ и, прежде всего, при различных формах переходов электромагнитной энергии ЭФВ внутри, вне и через ЛЭП, СТ и ЭД при внешних (грозовых) и внутренних воздействиях, в частности, при возникновении феррорезонансов.

Необходимым результатом решения названных задач является разработка эффективных средств, мероприятий и рекомендаций, позволяющих на основе обеспечения ЭМС создать условия для повышения энергоэффективности и энергосбережения, как кардинального направления развития электроэнергетики страны. Эти положения определяют научные направления настоящей работы и явились мотивацией выбора и обоснования ее проблемы и цели.

СЭЭС 6 -н 35 кВ нефтяной промышленности по классификации относятся к сетевым структурам низкого и среднего класса напряжения и являются по всем техническим показателям наиболее распространенными. Они отличаются большим разнообразием схемных решений и ЭО, используемого для обеспечения электроэнергией как основных технологических процессов, например, добычи, транспорта и переработки нефти, так и других видов потребителей. Их надежность, являясь важнейшим аспектом эксплуатации, как и в целом в электроэнергетике, всегда была предметом внимания при исследований отечественных и зарубежных ученых.

Существенный вклад в развитие проблем повышения надежности силовых трансформаторов, электрических машин и их электромагнитной совместимости внесли исследования В. В. Клюева, М. В. Костенко, К. П. Кадомской, Б.В., Ефимова, Ф. Х. Халилова, И. А. Биргера, В. Г. Гольдштейна, И.В. Дави-денко, Я. Б. Данилевича, Г. А. Евдокунина, Ю. Н. Львова, А. Г. Овсянникова, H.H. Тиходеева, Ф. Л. Когана, Г. С. Кучинского, А. К. Черновца, А. Ю. Хренникова и др. Важную роль в становлении и развитии систем технического обслуживания и ремонта, неотъемлемой частью которых является оценка технического состояния^ названных ЭУ, сыграли работы А. И. Таджибаева, В. А. Савельева, Е. Ю. Барзиловича, П. И. Бартоломея, А. Н. Назарычева, Ф. Байхельта, A.B. Ляхомского, В. Смита, Р. И. Соколова и других.

Развитию теории и методов обеспечения надежности, связи проблемюбес-печения надежности с оценкой параметров импульсных и квазистационарных процессов, приводящих к опасным электромагнитным воздействиям на-разнообразные электроустановки посвящены работы Ю. Н. Руденко, В. А. Непомнящего, П. М. Ерохина, М. Н. Розанова, A.B. Паздерина, Н. И. Воропая, Ю.Б. Гу-ка, Ю. А. Фокина и других.

Значительный вклад в разработку методов и средств оценки состояния энергетического оборудования' как важнейшего инструмента обеспечения надежности, безопасности и экономичности, в развитие теории, ускорение внедрения в практику внесли участники Всероссийского научного семинара РАН «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» и Международного научно-технического семинара «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования».

Проведенный анализ исследований в области возбуждения, распространения и ограничения перенапряжений и защиты от них в названных электроэнергетических объектах показал, что в настоящее время недостаточное внимание уделяется проблемам, возникающим при нарушениях ЭМС, связаны со следующими видами перенапряжений [6−14].

1. Перенапряжения при электростатической и магнитной импульсной и квазистационарной передаче напряжений через обмотки трансформаторов и электрических машин.

2. Перенапряжения в нейтралях электроустановок.

3. Феррорезонансные и параметрические перенапряжения в присоединениях силовых и измерительных трансформаторов.

4. Градиентные перенапряжения в обмотках трансформаторов и электрических машин.

По данным, полученным СамГТУ при анализе аварийности трансформаторного парка и электродвигателей в ОАО-«Самаранефтегаз» и ОАО «СГЭС» в 1995 2005 г. г. [6, 14] на долю названных выше мощных электромагнитных помех можно отнести до 30% всех аварийных отказов, связанных с перенапряжениями. Это подтверждается и оценкой аварийности от перенапряжений, полученной A.A. Гирфановым [6] для погружных электродвигателей при передаче грозовых импульсных перенапряжений через обмотки на двигатель при одно и1 двухтрансформаторных схемах питания этих специфических технологических объектов.

С учетом того, что в настоящее время более 80% из высоковольтного электрооборудования, являющихся объектами исследований в настоящей работе, исчерпало свой ресурс и опираясь на данные эксплуатации об аварийности, можно констатировать, что электромагнитные возмущения, названные выше, являются значительными причинами повреждений-их изоляции.

Исследование перенапряжений — один из основополагающих факторов выполнения защиты систем электроснабжения и распределительных электрических сетей 6 35 кВ. Разработка эффективных и контролируемых методов исследования перенапряжений с использованием современных вычислительных машин является в настоящее время ключевым звеном создания нового представления о мероприятиях и средствах повышения надежности, основного электрооборудования 6 35 кВ систем электроснабжения [20, 21].

Их основой является целенаправленное управление импульсными и квазистационарными ЭМВ с целью обеспечения ЭМС путем создания соответствующей эффективной комплексной защиты ЭО, обеспечивающей глубокое ограничение всех видов перенапряжений.

Перспективными устройствами, которые могут использоваться для названного положения, являются нелинейные ограничители перенапряжений ОПН). Большое разнообразие подобных аппаратов российского и зарубежного исполнения и специфических особенностей-их установки и эксплуатации позволяет утверждать, что для, выбора, защитного устройства требуется как можно большее представление об электромагнитном’квазистационарном или переходном процессе, вызвавшем перенапряжения.

На основе сказанного выше актуальность проблемы и темы диссертации определяется необходимостью предотвращенияопасных ситуаций в обмотках и нейтралях СТ и ЭД при ферромагнитных и параметрических резонансных процессах, приводящих к недопустимымимпульсным и квазистаг ционарным перенапряжениям. Количественные оценки кратностей возникающих: перенапряжений,.: полученные в результате с помощью математического и натурного моделированияявляютсябазой для разработки мероприятий и средств защиты электрооборудования? СЭЭС, в частности предприятий нефтяной промышленности.

Цель работы — повышение, надежности и обеспечение ЭМС с учетом физики взаимосвязанных энергетических процессов в целом в ЭТК «ЛЭП-СТ-+ЭД» при различных видах электромагнитных ЭФВ.

Реализация цели позволяет обеспечить нормальную работу как новых ЭУ, так и. при их значительном износе. Она предполагает аналитическое, численное и экспериментальное исследования феррорезонансных и параметрических перенапряжений в обмотках и нейтралях электроустановок, разработку и внедрение средств и мероприятий по их эффективному ограничению.

Задачи работы, сформулированные в соответствии с целью:

— построение математических моделей разнонаправленной электромагнитной передачи через обмотки СТ электромагнитных помех в виде квазистационарных и импульсных грозовых перенапряжений их и ограничения их уровней до величин, безопасных для изношенного электрооборудования;

— разработка уточненных методов оценки технического состояния изоляции нейтралей СТ и ЭД систем электроснабжения при воздействиях на них квазистационарных, импульсных и феррорезонансных ЭФВ, а также средств и мероприятий для их глубокого ограничения;

— математическое моделирование перенапряжений при феррорезонансных переходов электромагнитной энергии в ЭУ 6 — 35 кВ, определение их уровней и разработка средств и рекомендаций для их глубокого ограничения;

— обеспечение ЭМС СТ при градиентных переходах электроэнергии и ограничение перенапряжений при этом с помощью защитных мероприятий иаппаратов, в том числе нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН):

Научная новизна и практическая значимость работы. Комплекс решенных в диссертации задач при их методическом единстве направлен на решение проблемы обеспечения ЭМС при перенапряжениях в силовых и измерительных трансформаторах и электрических машинах на-основе их глубокого ограничения с помощью разнообразных мероприятий* и средств, защиты от них, частности, с. помощью нелинейных ограничителей перенапряжений.

Научную новизну работы определяют следующие положения и разработки:

— построение математических моделей электромагнитной передачи ЭФВ, возникающих с различных сторон электрически и магнитно связанных ЭУ;

— уточнение математических моделей квазистационарных и переходных процессов для исследования перенапряжений в нейтралях СТ и ЭД;

— уточненные математические модели для обеспечения ЭМС при феррорезонансных и градиентных перенапряжениях в ЭТКС 6³⁵ кВ.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты проведенного в ней систематического исследования процессов электромагнитной передачи ЭФВ в виде перенапряжений в комплексах электромагнитно связанных элементов ЭТКС 6 35 кВ (ЛЭП-СТ-ЭД), позволяют значительно сократить аварийность ЭУ, повысить надежность и улучшить обеспечение ЭМС. Для реализации этого в эксплуатации и при проектировании по результатам исследований рекомендованы соответствующие средства и мероприятия в том числе связанные с разработкой новых методов исследования и практически важных применений результатов полученных исследований.

Результаты решения проблем развития1 и глубокого ограничения грозовых и внутренних перенапряжений, возникающих в СЭЭС, в частности, нефтяной промышленности позволяют сформулировать основные положения-, выдвигаемые на защиту.

1. Научное обоснование и методика математического моделирования квазистационарных и переходных процессов разнонаправленной передачи электромагнитной энергии ЭФВ. во взаимосвязанных (ЛЭП-СТЭД) СЭЭС 6-^-35 кВ.

2. Усовершенствованные математические модели для определения феррорезо-нансных перенапряжений и защиты от них в присоединениях силовых и измерительных трансформаторов.

3. Разработка математических моделей и система научно обоснованных мероприятий по обеспечению ЭМС при перенапряжениях в нейтралях СТ и ЭД и градиентных перенапряжениях.

Объектом исследования являются ЭУ комплексов электромагнитно связанных элементов ЭТКС 6 35 кВ (ЛЭП-СТ-ЭД), а также нелинейные ограничители перенапряжений, как наиболее эффективные устройства защиты от перенапряжений в электрических сетях.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического анализа и моделирования, теории вероятностей и статистической обработки информации. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Экс.

12 периментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации с помощью низковольтной аппаратуры для натурного моделирования.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, программного обеспечения, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и данных эксплуатации и полученных с помощью натурного моделирования.

Апробация^ работы: Положения диссертации и ее разделы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах: «Радиотехника, электротехника и энергетика» МЭИ (ТУ), (Москва, 2009, 2010 г. г.) — «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Нижний Новгород, 2009 г.) — «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (Самара, 2010 г.) — «Электрическая изоляция — 2010″ (Санкт-Петербург, 2010 г.) — „Электроэнергетика глазами молодежи“», (Екатеринбург, 2010 г., Самара, 2011 г.), «Кибернетика электрических систем», (Новочеркасск, 2009, 2010 г. г.), «Энергосбережение, ЭМС и качество в электрических системах»,. (Пенза, 2011).

Реализациярезультатовработы.

Результаты диссертации в виде рекомендаций по применению новых средств защиты от перенапряжений, мероприятий, математического и программного обеспечения переданы в подразделения МРСК Средней Волги, ОАО «Роснефть», в частности, ОАО «Самаранефтегаз», «Нижневартовскнеф-тегаз», и др., а также для использования при проектировании систем электроснабжения ОАО «Проект-электро» (г. Самара) и ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара).

Разработанные методы моделирования и расчета переходных процессов в схемах подстанций и систем электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы», Петербургского энер

13 гетического института повышения квалификации, Ульяновского государственного технического университета, Ивановского государственного энергетического университета Оренбургского государственного университета и др.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, содержит 150 стр. основного текста.

Заключение

.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы.

1. Для СЭЭС 0,4 -т- 35 кВ проведена групповая: классификацияи определены характеристики иуровни электромагнитных помех в виде кратностей перенапряженийна изоляции вне и внутри" ЭУ 0,4 35* кВ нефтяной отрасли;

2. Научно обосновано количественное определение показателей ЭМО в виде допустимых кратностей импульсных и квазистационарных перенапряжений.

3. На основе анализа перенапряжений в нейтрали СТ 6 и 10 кВ (24 СТ 10 кВ) получены обобщенные зависимости величины грозовых перенапряжений от амплитуды и формы приходящей грозовой волны.

4. Анализ экспериментальных данных выявил следующие закономерности: -с увеличением длины, волны тв на линейных вводах СТ увеличивается амплитуда перенапряжений внейтрали- - величина перенапряжения в.

Л нейтрали* прямо пропорциональна числу фаз, по которым, одновременно.. приходит волна! перенапряжения на линейные вводы СТ: — величина перенапряжений в нейтрали СТ зависит от периода основной частоты собственных колебаний обмоток.

5. С помощью расчетов, моделейт измерительной? аппаратуры ЭПЭ в? нейтрали СТ с учетом реальных параметров эксплуатационных режимы установлена зависимость кратности? перенапряжений/ от числаотходящих линий, а также то, что перенапряжения в нейтралиСТ приблизительно в 1,2 раза большечем на сборных шинах. При этом число грозовых перенапряжений, опасных для нейтрали СТ 6 35 кВ, может доходить до нескольких десятков в год;

6. При кратковременной работе участка сети с изолированной нейтралью и однофазным коротким, замыканием кратность перенапряжения на нейтрали достигает 1,5 в переходном и доходит до 1,0 в установившемся режиме.

7. Перенапряжения при отключении КЗ не представляют опасности для изоляции нейтрали, так как имеют небольшие величины. Опасные внутренние перенапряжения возникают при отключении-ненагруженных СТ и линийв этом случае ЗА* могут сработать, но не подвергаются опасности разрушения.

8. На основе анализа проблем ФРП даны рекомендации для защиты? от возникающих при этом повреждений: — контроль симметрии параметров сети- - исключение неполнофазных коммутаций выключателей- -увеличение активных потерь и затухания в* контуре нулевой последовательности- - уменьшение нелинейности кривой намагничивания, индуктивного элемента сети и др.

9. Компьютерные эксперименты и-натурное'моделирование градиентных перенапряжений показали: — максимальные перенапряжения пропорциональны числу фаз, зависят от длины фронта и< не превышали 1.4 и 1.3 от амплитуды-падающей'волны, приходящей по 3 фазам), соответственнов-начале обмотки (~5% от начала) и на изолированной нейтрали- - распределение потенциаловвдоль обмотки, имеет зависимость от величины сопротивления в нейтрали, которая усиливается с увеличением ^.

Ю.Максимальные градиенты в измерениях отмечены-не более 34%при^/- = 0,17 мкс, практическине зависят от способа заземления нейтрали, возникают при' воздействии волны по одной фазе и уменьшаются с увеличением числа фаз, по которым набегают волны. При падении полной, волны перенапряжений с Тф = 3 -г- 3,5 мкс по одной, двум и трем фазам, а также при различных режимах работы нейтралиони превышают градиент равномерного распределения, который для исследованного СТ с количеством слоев 1 составляет ~14%.

11.Результаты решения проблем организации защиты от грозовых и внутренних перенапряжений ЭО и линий систем электроснабжения и электрических сетей нефтяной промышленности внедрены и используются в предприятиях ОАО «Роснефть», «Самаранефтегаз», а также в учебном процессе в вузах.