Обеспечение электромагнитной совместимости систем электроснабжения нефтегазового комплекса при внутренних перенапряжениях

Вид материала

Автореферат

Содержание Гольдштейн Валерий Геннадьевич Рассказов Федор Николаевич Масляницын Александр Петрович Краткая характеристика диссертационной работы Краткое содержание работы В первой главе В главе второй Основное содержание работы отражено в следующих публикациях Личный вклад автора.

Подобный материал:

• Vii международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 50.03kb.
• Улучшение эксплуатационных характеристик электроустано-вок систем электроснабжения, 325.22kb.
• Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств по импульсным помехам, 716.41kb.
• Программа экзамена по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы,, 67.29kb.
• Обеспечение безопасности трубопроводов нефтегазового комплекса совершенствованием конструкции, 321.78kb.
• Устойчивость к радиочастотному, 635.67kb.
• Повышение эксплуатационных ресурсов силовых трансформаторов при обеспечении электромагнитной, 326.1kb.
• «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», 13028.82kb.
• Постановлением Госстандарта России от 14. 01. 92 №12 Настоящие методические указания, 769.54kb.
• «Состояние нефтегазового комплекса Сахалинской области и обеспечение экологической, 69.8kb.

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

ГР_k (X₁, X₂, …, X_j, …, X_n) – 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, ..., X_j, …, X_n.

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.

Число m объективно определяется возможными состояниями объекта электрической сети после воздействий ЭМП, каждое из которых, в зависимости от энергетической насыщенности, может привести к следующим исходам:

1) сохранение рабочего состояния (например, послеаварийный режим с отклонением напряжения у потребителя менее допустимого);

2) перерыв функционирования в результате воздействия ЭМП и самовозврат в рабочее состояние (например, останов и самозапуск электродвигателя после ликвидации повреждения, связанного с кратковременным отключением питания);

3) перерыв функционирования в результате воздействия ЭМП и возврат в рабочее состояние после вмешательства персонала или других внешних систем (например, автоматическое повторное включение воздушной ЛЭП после грозового перекрытия изоляции и др.);

4) прекращение функционирования в результате воздействия ЭМП и возврат в рабочее состояние после ремонта и замены неработоспособных частей объекта (например, выход из строя одной фазы трехфазного комплекта защитных аппаратов);

5) прекращение функционирования в результате воздействия ЭМП с частичным или полным разрушением объекта, делающим невозможной его дальнейшую работу вообще (примеры таких событий настолько многочисленны и часты, что было бы несправедливо выделить какой либо из них).

Граничные условия определяются при переходе от одного из названых состояний к другому при изменении (в большинстве случаев увеличении) значений энергетических параметров X₁, X₂, …, X_j, …, X_n. В большинстве случаев граничные условия можно определить только приближенно (директивно), то есть

, (2)

где вектора параметров X и X_пр могут не совпадать. Аналогично множество ЭМП_i(X) воздействий на исследуемый объект (и наоборот) заменяется при моделировании ЭМС некоторым приближенным ЭМП_пр (X_пр) регламентированным или стандартизованным воздействием

. (3)

Вектора параметров X и X_пр в выражениях (2, 3) могут не совпадать в каждом конкретном случае как по текущим значениям, так и по количеству. Допустимость замен (2, 3) должна быть обоснована статистической адекватностью энергии воздействий ЭМП_i и ЭМП_пр, адекватностью последствий с точки зрения выработки технологических ресурсов – электромагнитной стойкости исследуемого объекта и др.

Системы питания в энергоснабжении перекачивающих станций различного назначения, а также компрессорных станций на магистральных газопроводах имеют близкую структуру, так как обеспечивают, в основном, питание ЭД, используемых в соответствующем технологическом процессе. Однако назначение сети энергоснабжения названных объектов обуславливает некоторые особенности в их компоновке, что приводит к необходимости более детального анализа ЭМВ.

ЭМВ и, прежде всего, перенапряжения, воздействующие на изоляцию оборудования КПНС можно подразделить на два основных вида: локальные, возникающие при коммутациях присоединений с двигателями, действующие в основном только в пределах этих присоединений; глобальные, возникающие при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ), охватывающие все электрооборудование сети.

Перенапряжения первого вида зависят главным образом от параметров присоединений с двигателями – от протяженности кабелей и мощности двигателей. Перенапряжения второго вида существенно связаны с режимом заземления нейтрали сети. Поэтому обеспечение надежной эксплуатации электрооборудования при ОДЗ в большой мере зависит от сложности сети и наличия или отсутствия резервного питания электроустановок КПНС.

Наиболее крупными КПНС являются перекачивающие станции магистральных нефтепроводов. Основной нагрузкой электрических секций этих станций являются синхронные и асинхронные ЭД магистральных и подпорных нефтеперекачивающих насосов, силовые трансформаторы собственных нужд и протяженные воздушные линии, питающие катодную защиту, группы задвижек и другое вспомогательное оборудование магистрального нефтепровода.





Рис. 1. Общая принципиальная схема электроснабжения КПНС

На промысловых КПНС наибольшее распространение получили асинхронные короткозамкнутые и синхронные двигатели на напряжениях 6 и 10 кВ мощностью 160-220 кВт в исполнении, продуваемом под избыточным давлением.



Рис. 2. Вариант схемы электроснабжения СПН

Технологические процессы на станциях перекачки нефтепродуктов по промысловым нефтепроводам (СПН) предъявляют высокие требования к надежности установленного оборудования и в силу названных выше причин схемы питания СЭС СПН имеют своей отличительной особенностью тщательное резервирование с помощью не только дополнительного силового резервного трансформатора, но и независимого источника питания. Для этого в их схемах электроснабжения предусматриваются секции надежного питания, содержащие в своем составе автономные источники питания (аккумуляторы и дизель-генераторные станции) и присоединения, в задачу которых входит осуществление планового и аварийного резервирования.

В работе также приведены параметры электрооборудования СЭС и компрессорных, перекачивающих и насосных станций, необходимые для компьютерного моделирования и проведения инженерных оценок показателей ЭМС и перенапряжений.

В главе второй приводятся результаты исследований перенапряжений, которые выполнялись согласно действующему техническому регламенту, определяющему условия и порядок проведения обследований и обслуживания вакуумных выключателей при коммутациях включения электродвигателя: а) заторможенного, б) в процессе АПВ, в цикле АВР, в) на неустраненное металлическое замыкание при работе защиты на сигнал.

Приводятся результаты исследования перенапряжений, возникающих при включениях присоединений с ЭД в различных эксплуатационных режимах с учетом возможного разброса в действии полюсов выключателя, в качестве основной меры защиты предлагается установка на всех присоединениях ОПН и производится оценка требуемой энергоемкости этих аппаратов.

Результаты анализа совместной работы привода и контактной системы ВБЭ-10 показали:

• при включении выключателей имеют место регулярный отскок (дребезг) контактов и ощутимая вибрация привода;
  
• при подаче командного импульса на электромагнит включения его сердечник не всегда обеспечивает необходимые технологические функции;
  
• зафиксированы случаи самопроизвольного отключения выключателя в конце операции включения, и существование таких случаев подтверждено эксплуатационным персоналом станции;
  
• при команде на включение отмечено «прыганье» выключателя (непрерывное включение – отключение).
  

Включение электродвигателя ВВ сопровождается перенапряжениями вызванные свободными колебаниями в системе кабель-электродвигатель, а также волновые высокочастотными колебаниями. Особенность процесса включения - в неодновременности подачи напряжения на фазы электродвигателя. При смыкании контактов ВВ, электрическая прочность одного из вакуумных промежутков становится меньше приложенного к нему напряжения и он пробивается. Возникающая электромагнитная волна, дойдя до места стыка кабеля и двигателя, частично проникает в двигатель, а часть - отражается. При этом кратность напряжения на зажимах электродвигателя при этом достигает практически двойного значения падающей волны. Если смыкание контактов отдельных фаз происходит с разбросом, то после подключения первой фазы происходит заряд емкостей невключившихся фаз, представляющий собой свободно затухающие колебания с частотой 1,2 ¸ 7,5 кГц. Импульсные перенапряжения, образующиеся при повторных пробоях межконтактного промежутка, будут представлять опасность главным образом для витковой изоляции ЭД. Они приведены на рис. 3 для процесса включения ЭД.

Фаза В включается практически на максимуме напряжения промышленной частоты отрицательной полярности. Сближение контактов этой фазы сопровождается повторными пробоями вакуумного промежутка и последующим зарядом емкостей невключившихся фаз через нейтраль двигателя. Максимальная амплитуда бросков высокочастотного тока, сопровождающих процесс перезаряда, составляет » 405 А.

Причинами возникновения перенапряжений в процессах включения ЭД вакуумными выключателями являются как разброс во времени включения отдельных фаз, так и дребезг контактов, определяемый конструктивными особенностями выключателя.





Рис. 3. Включение электродвигателя вакуумным выключателем ВБЭ-10

Факторами, определяющими наибольшие значения перенапряжений являются: величина разброса и качество регулировки выключателя; мгновенное напряжение сети в момент включения; частота и затухание собственных колебаний системы «кабель – ЭД».

При моделировании процесса на ПЭВМ максимальные кратности перенапряжений (по отношению к U_фmax – максимальному фазному напряжению) при включении ЭД КПНС составили при заторможенном двигателе 2.05 и 3.1 (соответственно, при одновременном включении фаз и с разбросом), 2.75 и 4.8 – при АВР, 3.25 и 3.15 – при ОЗЗ в сети. При защите ЭД с помощью ОПН – 10 производства НПП «Электротехкомплекс», кратности перенапряжений снижены до 2,6.

В третьей главе рассматриваются процессы отключения вакуумными выключателями: ЭД в режиме, близком к холостому ходу; ЭД в пусковом режиме при практически заторможенном роторе с минимальной задержкой времени между моментами замыкания и размыкания контактов выключателя.

При отключении вакуумным выключателем вращающегося ЭД возможно появление опасных коммутационных перенапряжений, связанных со срезом тока в вакуумной дугогасительной камере. При разведении контактов дуга замыкает межконтактный промежуток через точки контактов, называемые катодными пятнами.

Незадолго до нуля тока концентрация паров металла становится недостаточной для поддержания горения дуги. Высокая скорость их диффузии, а также высокочастотные колебания на катоде приводят к ее распаду и погасанию раньше, чем ток пройдет через нулевое значение (т.н. «срез тока»). Процесс обмена энергией между емкостями присоединения и индуктивностью ЭД может привести к высоким кратностям перенапряжений на оборудовании.





Рис. 4. Ток (i_ф) в ВВ и напряжение (u_ф) на фазе при отключении развернувшегося ЭД


Частота процесса обычно не превышает 1,2 ¸ 7,5 кГц (рис. 4). Повторных пробоев межконтактного промежутка при отключении развернувшегося ЭД, как правило, не происходит, так как восстанавливающееся напряжение не превышает электрическую прочность промежутка. Но они могут возникать вследствие низкой скорости размыкания контактов (затирание движущихся частей привода). Повторное зажигание дуги ограничивает перенапряжения, однако, возникающий при этом импульс напряжения, воздействует на витковую изоляцию двигателя, как и при его включении. Отмечено также, что отключение вращающегося электродвигателя ВВ без повторных пробоев сопровождается свободными затухающими колебаниями напряжения со стороны нагрузки. Можно также констатировать отсутствие протекания импульсов тока через ОПН.

По результатам проведенного анализа процессов отключения развернувшихся электродвигателей токи среза для вакуумных камер КДВХ-10-20/630 выключателей ВБЭ-10 составляют 4,5 ÷ 6,5 А.

Отключение неразвернувшегося ЭД в пусковом режиме сопровождается наибольшими уровнями перенапряжений как от среза тока, так и от эскалации напряжения – явления, характерного только для вакуумных выключателей и в эксплуатации имеет место в следующих случаях:

• в результате действия релейной защиты и автоматики в момент пуска, в том числе и при их ложном срабатывании;
  
• при отключении затяжных пусков (например, при глубоких посадках напряжения в питающей сети);
  
• при ошибках и нарушениях эксплуатационным персоналом технологических инструкций (ЭД запущен по ошибке и тут же отключается; кратковременное включение ЭД с целью определения правильности его вращения);
  
• при отказе выключателя в конце операции включения, из-за нечеткой работы кинематики привода.
  

Отключения неразвернувшегося электродвигателя в схемах нефтеперекачивающих станций происходят в результате действия многочисленных технологических защит и устройств дистанционного управления выключателем. Дуга гаснет практически в нуле тока промышленной частоты одной из фаз, если контакты начинают расходиться до него за ≈ 0,5 ¸ 1,0 мс. Если после обрыва тока (контакты еще не разошлись) происходит его пробой, то возобновление дуги в выключателе и, следовательно, включение двигателя происходит через дуговой промежуток. Повторное зажигание приводит к высокочастотному переходному процессу, связанному с различным напряжением по обе стороны выключателя до возобновления дуги.

После гашения дуги следует восстановление напряжения на контактах и возможен новый пробой межконтактного промежутка. Это приводит к так называемой «эскалации напряжений», возникающей при увеличении амплитуды восстанавливающегося напряжения и импульсам перенапряжений (с частотой до 30 кГц) с крутыми фронтами на зажимах, а, следовательно, на главной и витковой изоляции ЭД.

Отключение неразвернувшегося двигателя с подключенными ОПН происходит без повторных пробоев межконтактного промежутка и, соответственно, без эскалации напряжений. Максимальные кратности перенапряжений достигают 1,5U_фm при частоте колебаний до 3 кГц. Использование ОПН ограничивает перенапряжения относительно земли, но не исключает падения на обмотку ЭД волн с крутым фронтом. Установлено, что последующие зажигания и эскалация напряжений не возникают при большой длине кабеля, питающего ЭД, и, следовательно, низкой скорости восстанавливающегося на контактах напряжения.




Рис. 5. Зависимость К_τ = f (τ) для перенапряжений при коммутациях ЭД:

1, 2, 3 – соответственно, усредненная кривая, верхние границы 90 и 95 % доверительного интервала

На рис. 5 приведены полученные расчетным путем и экспериментально зависимости К_τ = f (τ) для перенапряжений при коммутациях ЭД вакуумными выключателями (СПбГПУ, СамГТУ), которые по технологическим соображениям коммутировались часто, например, несколько раз в сутки. Зафиксированные коммутационные перенапряжения имеют естественную тенденцию к увеличению при росте временного интервала. При этом годовое число опасных перенапряжений приемлемо аппроксимируется законом: , при 1,75 ≤ К < 2,55 и , при К ≥ 2,55.

В четвертой главе рассмотрены процессы при ОДЗ в системах электроснабжения КПНС, связанные с возникновением электрической дуги и восстановлением электрической прочности дугового промежутка после погасания дуги и восстанавливающимся напряжением на этом промежутке. Сравнение этих двух факторов определяет процессы, связанные с повторными зажиганиями дуги. Оба процесса зависят от характеристик дугового канала после погасания дуги, носят случайный характер и в основном определяются случайными моментами первичного и вторичного зажигания, а также погасания первичной дуги

Как правило, дуга гаснет в момент прохождения полного тока дуги через нулевое значение. Следует отметить, что к наибольшим перенапряжениям приводит гашение дуги в момент первого прохождения тока дуги через нулевое значение. Если дуга горит в питающем кабеле, то, как известно, напряжения повторного зажигания дуги с увеличением их номера уменьшаются.

При анализе перенапряжений целесообразно рассматривать наиболее неблагоприятные условия дуговых процессов, к которым можно отнести: зажигание дуги в момент максимума э.д.с., вторичное зажигание дуги в момент максимума э.д.с., но другой полярности, гашение дуги в первый момент прохождения тока дуги через нулевое значение.

ОДЗ могут возникать и при феррорезонансных процессах, причиной появления которых является насыщение магнитопроводов трансформаторов напряжения (ТН) при погасании дуги в процессе ОДЗ, так как при этом на ТН возникают значительные перенапряжения. Как правило, феррорезонансные явления возникают в сетях, характеризующихся малыми емкостями, так как мощность трансформаторов напряжения для контроля изоляции, например, типа НТМИ невелика. Поэтому в кабельных сетях вероятность возникновения опасных феррорезонансных явлений существенно ниже, чем в воздушных сетях.





Оценим кратности перенапряжений, которые могут возникнуть в процессе, сопровождающем ОДЗ. Используя теорему об эквивалентном генераторе напряжения для аналитической оценки процессов при ОДЗ в системе электроснабжения КПНС, схему замещения рассматриваемой электрической сети можно представить в виде, приведенном на рис. 6, на основании которой можно записать выражение для определения тока замыкания



где , - импульсная переходная функция Дирака,


.


Исходя из очевидного допущения, что частоты собственных колебаний ω₀ и ω₁, определяемые по известным из теоретической электротехники выражениям существенно больше синхронной частоты ω, можно записать приближенное выражение для определения тока замыкания




На основании проведенного компьютерного исследования можно утверждать, что перенапряжения, возникающие при первичном зажигании дуги, не превышают уровня электрической прочности изоляции статора ЭД. При оценке уровня перенапряжений, возникающих при повторном зажигании дуги можно принять следующие допущения для получения результата с запасом, что вторичное зажигание дуги происходит через половину периода промышленной частоты (ω·t_з = π), а также напряжение на нейтрали, определенное в момент первого погасания дуги остается неизменным в течение интервала времени между погасанием дуги и её повторным зажиганием.

При повторном зажигании дуги перенапряжения на здоровых фазах достигают уровня порядка 3,5 U_фm, что превышает уровень электрической прочности изоляции ЭД. При последующих повторных зажиганиях дуги перенапряжения могут возрастать, но значительного отличия от приведенной кратности отмечено не было.

Для обеспечения ЭМС электрооборудования КПНС и, прежде всего, ЭД одним из возможных способов является построение системы защиты от перенапряжений с помощью специальных аппаратов типа ОПН. При этом можно рассматривать варианты мест установки аппаратов: 1) на всех присоединениях, 2) на секциях и на присоединениях.

Оба эти варианта при необходимости ограничения перенапряжений, возникающих при ОДЗ, имеют свои недостатки. Первый вариант установки ОПН лишь на присоединениях за выключателями приводит по существу к «распределенному» ОПН при ОДЗ. В этом случае требуется соблюдение точной настройки вольтамперных характеристик (ВАХ), так как при несоблюдении этого требования при ОДЗ будет «срабатывать» тот ОПН, ВАХ которого ниже, чем у остальных. Следовательно, потребуется устанавливать ОПН высокой удельной энергоемкости, что вряд ли экономически оправдано. Добиться же полного совпадения ВАХ аппаратов, согласно данным их производителей практически невозможно.

Второй вариант предполагает установку ОПН на шинах и на присоединениях. В этом варианте необходима также координация между ВАХ ОПН, установленного на шинах и на присоединениях. При этом требуемая координация ВАХ ОПН, установленных на шинах и на присоединениях приводит к необходимости снижения уровня ограничения ОПН на шинах по отношению к уровню ограничения ОПН на присоединениях примерно на 10-15%. Такое требование приводит к увеличению энергоемкости аппарата, установленного на шинах и не исключает полностью требования отсутствия разброса в ВАХ ОПН, установленных на присоединениях. При ОДЗ и ограничении перенапряжений при помощи ОПН максимальные перенапряжения составили не более 2,8·U_фm.

В сети 10 кВ КНПС ОАО «Самаранефтегаз» зафиксированы неограниченные и ограниченные перенапряжения (рис. 7), искусственно возбужденные при дуговых замыканиях одной из фаз на землю; в первом случае максимальная кратность составила K_max = 4,6, а во втором – K_max = 2,2, что значительно ниже кратности испытательного напряжения соответствующих машин. Еще более эффективно ОПН-10 ограничивает перенапряжения при феррорезонансных явлениях.



Рис. 7. Распределение перенапряжений в сетях НПС 10 кВ при наличии (1) и отсутствии (2) ОПН

Поэтому наиболее рациональным путем обеспечения надежной эксплуатации изоляции электрооборудования КПНС является оснащение нейтральной точки сети резистором, при котором перенапряжения при ОДЗ не превышают уровня допустимого для изоляции электродвигателей. В работе анализируется эффективность высокоомного резистивного заземления нейтральных точек сетей электроснабжения некоторых типичных компрессорных станций, характеризуемых различной структурой при рабочем и резервном питаниях секций, для ограничения перенапряжений, возникающих в процессе ОДЗ.

Величину высокоомного сопротивления резистора целесообразно выбирать, исходя из практического разряда емкости сети через сопротивление в нейтрали за время порядка половине периода промышленной частоты: R_N = 0,0011/C_ф. При включении в нейтраль сети КПНС резистора перенапряжения имеют величину величину на уровне (2,2 – 2,3)·U_m. Отсюда, можно сделать вывод , что применение резисторов для заземления нейтрали сети позволяет ограничить перенапряжения при ОДЗ до безопасного для ЭД уровня. При решении вопроса о целесообразности низкоомного или высокоомного сопротивления заземления нейтрали необходимо также принимать во внимание возможности обеспечения чувствительной и селективной защиты при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ).

Очевидно, что включение в нейтраль сети КПНС низкоомного сопротивления более надежно решает эту последнюю задачу. Однако протекание больших активных токов в этом случае в месте замыкания может привести к нарушению тепловой устойчивости электрооборудования и к его повреждению. При этом также теряется основное преимущество режима изолированной нейтрали – эксплуатация оборудования при ОЗЗ в течение некоторого времени.

При высокоомном же сопротивлении заземления нейтральной точки сети токи замыкания на землю даже при питании двух секций от одного резервного трансформатора не превышают величины порядка 20 А.

Расчеты распределения токов ОЗЗ по фидерам показывают, что при сопротивлении 500 ÷ 600 Ом удовлетворяются требования чувствительности и селективности токовой защиты нулевой последовательности. При этом обеспечивается надежное распознавание фидера, на котором произошло ОЗЗ и, если это требуется, его отключение. Следует отметить, что по рабочему вводу течет тот же ток, что и в поврежденном фидере. Поэтому для надежного несрабатывания защиты на рабочем вводе требуется отстройка этой защиты по времени. Такая отстройка обеспечивается уставкой по времени защиты присоединений на уровне 0,5 с, а уставка защиты на рабочем вводе – 0,8 ÷ 1,1 с. Таким образом, высокоомное сопротивление в нейтральной точке сети при приемлемом токе замыкания на землю для оборудования позволяет выполнить надежную и селективную защиту присоединений.

Сети КПНС, состоящие из кабельных линий имеют значительные токи замыканий на землю. В некоторых случаях они могут превышать установленные ПТЭ нормы, при этом необходимо устанавливать дугогасящие реакторы. Для снижения перенапряжений при ОДЗ, в этом случае, возможна параллельная установка резистора и ДГР.


Заключение

Наиболее значимыми процессами для обеспечения ЭМС при воздействиях на электрооборудование КПНС электромагнитных помех в виде перенапряжений являются коммутации вакуумными выключателями ЭД и однофазные дуговые замыкания на землю в их присоединениях. Поэтому анализ ЭМС производится путем сравнения характеристик помехоэмиссии - кратностей перенапряжений непосредственно на выводах ЭД и помеховосприимчивости – электрической прочности изоляции. Проведенные исследования позволяют обосновать для этого следующие выводы, рекомендации и мероприятия по обеспечению ЭМС.

1. Протекание процессов при коммутациях ЭД носит статистический характер и зависит от характеристик вакуумной дугогасительной камеры и самого выключателя, а также от параметров отключаемого присоединения (длины кабеля и мощности двигателя). Уточнение этих параметров возможно на основе анализа данных эксплуатации, натурных экспериментов, математического моделирования коммутационных процессов и проведения вычислительных экспериментов.

2. При включении электродвигателя вакуумными выключателями высокочастотные импульсы напряжений, опасные для витковой и главной изоляции ЭД, возникают в результате повторных зажиганий и погасаний дуги в промежутке между смыкающимися контактами. При этом их уровни зависят от разновременности включения отдельных полюсов выключателя, скорости смыкания и дребезга контактов. Наибольшие перенапряжения до уровня » 3,3U_фm возникают при совпадении моментов замыкания второй (третьей) фазы выключателя .

3. Максимальные кратности перенапряжений при включении ЭД КПНС составляют при заторможенном двигателе 2,05 и 3,3 (соответственно, при одновременном включении фаз и с разбросом), 2,75 и 4,8 – при АВР, 3,25 и 3,15 – при ОЗЗ в сети. При защите ЭД от перенапряжений, выполненной с помощью ОПН, кратности перенапряжений составили 2,6.

3. Эффективные мероприятия по ограничению перенапряжений (витковых) при включении: 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.

4. Максимальные перенапряжения до » 3,0U_фm, безопасные для новых и опасные для ЭД с заметным износом, возникают при отключении ЭД при пуске, сопровождающемся эскалацией напряжений. Установленные за выключателем ОПН прерывали эскалацию, что приводило к ограничению перенапряжения до » 2,5U_фm.

5. Отмечена нестабильность работы приводов ВВ (самопроизвольное отключение в конце операции включения), а также пониженная скорость разведения контактов, вызванная затираниями движущихся частей из-за несовершенства конструкции, а также недостатками эксплуатации. Отказ ВВ при его включении приводит к наиболее опасному по перенапряжениям отключению ЭД в процессе пуска.

6. Включение в нейтрали сетей КПНС высокоомных резисторов обеспечивает: исключение условий появления опасных феррорезонансных явлений, обусловленных насыщением магнитопроводов ТН, при любом режиме эксплуатации сети; снижение кратностей перенапряжений при ОДЗ до » 2,3U_фm; приемлемые по тепловой устойчивости электрооборудования токи замыкания на землю; чувствительность и селективность токовой релейной защиты нулевой последовательности при питании секций КПНС как по рабочим, так и по резервным вводам питания.

7. При однофазных дуговых замыканиях на землю возникают опасные для изоляции ЭД перенапряжения, которые достигают уровня » 3,0U_фm. Поэтому необходимо применение специальных средств защиты таких, как высоко и низкоомные резисторы в нейтрали сети, ОПН и компенсирующие реакторы.

8. При перекомпенсации емкости фаз сети скорость восстановления напряжения на дуговом промежутке существенно возрастает и, следовательно, возрастает вероятность повторного зажигания дуги, приводящего к перенапряжениям.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

• В изданиях по списку ВАК.
  

1. Соляков О.В. Принципы барьерного анализа электромагнитной совместимости / Бобров В.П., Гольдштейн В.Г., Соляков О.В., Танаев А.К. // Изв. Вузов «Электромеханика». Матер. XXVII сессии Всерос. научн. семинара АН РФ. Кибернетика электрических систем: 26 – 29 сентября 2005. ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск. 2005. № 3-4.с. 16-17.1.

2. Соляков О.В. Методические аспекты решения задачи электромагнитной совместимости / Гольдштейн В.Г., Соляков О.В., Сулейманова Л.М. // Сб. научных трудов. "Проблемы электромагнитной совместимости и контроля качества электрической энергии". Пензенский гос. ун-т.- Пенза. 2004.. с. 48 - 54.

3. Соляков О.В. Классификация перенапряжений и аварийность силовых трансформаторов предприятий электрических сетей. / Гольдштейн В.Г., Салтыков В.М., Соляков О.В., Сулейманова Л.М. // Вестник СамГТУ. Серия "Технические науки". Выпуск 41. - Самара, 2006. с. 148-157.

• В других изданиях.
  
  4. Соляков О.В. Нормирование срока службы массового электродвигательного парка на предприятиях нефтегазового комплекса./Гирфанов А.А., Гольдштейн В.Г., Соляков О.В. // Сб. трудов Всероссийской науч.-техн. конф. Часть 1. ТГУ.- Тольятти. 2004. с. 11-17.
     
  5. Соляков О.В. Моделирование электромагнитных помех грозового и внутреннего происхождения в сетях электроснабжения компрессорных станций. / Гольдштейн В.Г., Соляков О.В. // Сб. тез. докл. XI Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика". Том 3. МЭИ(ТУ). - М. 2005. с. 371-372.
     
  6. Соляков О.В. Учёт старения электроустановок при анализе электромагнитной совместимости. / Гольдштейн В.Г., Соляков О.В., Сулейманова Л.М.// Сб. тез. докл. X Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика". Том 3. МЭИ(ТУ). - М. 2004. с. 336.
     
  7. Соляков О.В. Практические результаты исследования электромагнитной совместимости электроустановок сетей высокого напряжения (тезисы). / Бобров В.П., Гольдштейн В.Г., Соляков О.В. // Сб. тез. докл. X Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика". Том 3. МЭИ(ТУ). - М. 2005. с. 349 - 350.
     
  8. Соляков О.В. Теоретические положения электромагнитной совместимости электроустановок. / Ведерников А.С., Гольдштейн В.Г., Соляков О.В. // Сб. трудов Всероссийской науч.-техн. конф. Часть 1. Тольяттинский госуниверситет.- Тольятти. 2004. с. 136-139.
     
  9. Соляков О.В. Принципы анализа электромагнитной совместимости электрооборудования электрических сетей и систем электроснабжения. / Бобров В.П., Гольдштейн В.Г., Соляков О.В., Танаев А.К. // Сб. матер. I Международной научн.-практ. конференции "Энергетика, материальные и природные ресурсы…". Ассоциация энергетиков Западного Урала. – Пермь. 2005. с. 29-33.
     
  10. Соляков О.В. / Исследования электромагнитной совместимости электрооборудования компрессорных и перекачивающих станций нефтедобычи. Соляков О.В. // Сб. тр. V Mеждунар. науч.-техн. конф. "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий". - Мариуполь, Украина. 2005. с.116 – 120.
      

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка принципов, методов и математических моделей для анализа ЭМС [1, 2, 7, 8, 9], анализ результатов исследований ЭМС электроустановок КПНС [4,5,10], статистическая обработка данных по перенапряжениям и аварийности [3, 6].


Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04. Протокол № 06 от 17.04.2007. Заказ № 334. Формат 60х84 1/16. Бумага тип. №1. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Самарский государственный технический университет. Типография СамГТУ. 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус