Размещено на http://allbest.ru

Московский энергетический институт (технический университет)

Новые технологии защиты электрооборудования от нарушений в питающих сетях

В.М. Пупин

1. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КРАТКОВРЕМЕННЫХ НАРУШЕНИЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Основными причинами нарушения надежности электроснабжения потребителей являются короткие замыкания в схемах внешнего (110,220, 330, 500 кВ) и внутреннего электроснабжения. Провалы напряжения у потребителей электроэнергии настолько неизбежны, насколько неизбежны короткие замыкания в электрических сетях, число которых растет по мере старения и износа электрооборудования. Сегодня уровень износа оборудования в электроэнергетике составляет 70-80 %, а реформа электроэнергетики не дает возможности предприятиям чувствовать уверенность в завтрашнем дне [1].

В современных условиях, когда кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) предприятий приобретают массовые масштабы, решение проблемы надежности электроснабжения возложено на самих потребителей электроэнергии.

Работа низковольтных электродвигателей приводов маслонасосов, вентиляторов и аналогичных механизмов, включенных в технологические защиты техпроцессов, микропроцессорной техники, систем телекоммуникаций, АСУ производственным процессом, стандартных блоков цифровых технологий и интернета часто подвергаются короткими по продолжительности провалами питающего напряжения, которые происходят 20-30 раз в год и приводят к дорогостоящим экономическим ущербам, даже если их длительность составляет миллисекунды [2-3].

За прошедшие 20 лет с участием автора были проведены энергетические обследования предприятий Газпрома, Транснефти, ОАО «Сургутский завод стабилизации конденсата», ОАО «Лукойл-Усинскнефтегаз», ОАО «Аммофос», ОАО «Оренбургский газоперерабатывающий завод», ОАО «Карельский Окатыш», ООО «Тобольск-нефтехим», ОАО «Сибнефть-ННГ», ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» (ОЭМК), ОАО «Сибур-ПЭТФ», ООО «Тольяттикаучук», Курское и Истьинское УМГ ОАО «Мострансгаз», ОАО «ВСМПО-АВИСМА», Комсомольского ГП ООО «Ноябрьскгаздобыча», МГУП «Мосводоканал», ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» (РНПК), собрана и проанализирована статистика аварийных режимов.

Схемы электроснабжения предприятий включают от 2 до 15 ГПП, которые получают электроснабжение через ВЛ напряжением 110-500 кВ [2-3]. Внутризаводские схемы электроснабжения потребителей предприятий отличаются сложной разветвленной структурой и конфигурацией электрической сети, обеспечивающей снабжение основных производств (подстанций) от двух источников. Так, из экспериментальных исследований провалов напряжения на шинах РП-53 ОАО «Карельский Окатыш» выявлено, что

- 4 раза наблюдались провалы глубиной свыше 10-И5 % и длительностью от 0,17 до 0,86 с (рис. 1);

- 3 раза наблюдались провалы напряжения глубиной свыше 16 % и длительностью 1-2 мс;

- 5 раз наблюдались провалы глубиной свыше 5,4-И0 % и длительностью от 0,21 до 0,86 с;

- 4 раза наблюдались провалы напряжения глубиной 4,6-^5,0 % и длительностью от 0,10 до 0,81 с;

- 2 раза наблюдались провалы напряжения величиной 100 %.

Потери производства дробильно-обогатительной фабрики при отключении ВЛ № 220 20.06.2005 г. составили 4517 т. Суммарные потери от недовыпуска продукции на «Карельский Окатыш» или ожидаемый экономический эффект при внедрении БАВР на предприятии за 2005 г. составит около 30 млн руб.

Анализ нарушений электроснабжения предприятий ООО «Тобольск-нефтехим» выявил, что наблюдается 8 (2004 г.) -- 12 (2005 г.) случаев посадок и провалов напряжений (с остаточным напряжением 7,9-9,2 кВ и длительностью от 0,13 до 0,30 с, после которых (даже при успешной работе АПВ иАВР) имели место остановы насосов, компрессоров, частотных приводов [3].

Электроснабжение потребителей нефтедобычи осуществляется, как правило, от подстанций

35/6 кВ, запитанных по воздушным линиям 35 кВ от ГПП 110/35/6 кВ, которые получают питание от разных ВЛ энергосистемы и трансформаторов напряжением 220 и 500 кВ.

Рис. 1. Осциллограммы провала напряжения глубиной 12,72 % и длительностью 440 мс на РП-53 18.04.2006 г.

По данным, предоставленным на момент проведения энергообследований ОАО «Сибнефть-ННГ», за период с января по ноябрь 2006 г. произошло 905 отключений, в результате которых было недобыто 59449,32 ф нефти.

Статистика аварийных нарушений подтверждает, что 30-40 % всех нарушений нефтедобывающих предприятий происходит по вине питающих Ноябрьских электрических сетей (НЭС) сторонних организаций, а еще 40 % вызвано влиянием атмосферных и природных воздействий (табл. 1). На предприятии ОАО «Сибнефть-ННГ» в 2004 г. произошло 867 случаев КНЭ с общими потерями нефти 34439 ф (в 2005 г. -- 1058 случаев и 48892 ф соответственно).

Таблица 1. Классификация причин возникновения КНЭ и данные по потерям нефти от них

Статистика провалов напряжений на ОЭМК свидетельствует, что было [2]:

· 20 (45,45 %) однофазных провалов напряжения глубиной 9,4-И00 % и длительностью 48-И46 мс;

· 8 (18,2 %) двухфазных провалов напряжения глубиной 8,4^-29,50 % и длительностью 72-И 84 мс;

· 16 (36,35 %) трехфазных провалов напряжения глубиной 13,3-^77,6 % и длительностью 78-^-203 мс.

Результаты исследований провалов напряжений в системе электроснабжения ОЭМК показали, что:

- глубина и длительность провала напряжения по фазам различна для одного и того же аварийного режима;

- при пуске высоковольтных СД на РП 95К наблюдаются провалы напряжения глубиной до 11,9 % и длительностью до 3,8 с;

- при пуске высоковольтных ЭД на РП 97К провалы напряжения глубиной до 10,7 % и длительностью до 3,5 с;

- при пуске электродвигателей, запитанных от ПС 11.1 К, наблюдаются провалы напряжения глубиной до 12,3 % и длительностью до 5,1 с.

За период с августа 2004 по август 2007 гг. регистраторами аварийных событий, установленных на вводах 330 кВ, ГПП зафиксированы свыше 40 автоматических запусков регистраторов, вызванных провалами напряжений.

Анализ осциллограмм и проведенные нами исследования ОЭМК показали, что параметры провалов напряжения практически одинаковы по всем четырем вводам ПО кВ предприятия и отражаются далее на всех подстанциях и потребителях, присоединенных к ГПП.

Анализ расчетно-экспериментальных исследований показал, что остаточные напряжения в начальный момент восстановления для большинства подстанций равны (0,39-Ю,55)Ј/НОМ. При таких остаточных напряжениях с учетом длительности переходных процессов 1^-3 с, нарушается непрерывность технологических процессов производств, запитанных от указанных подстанций.

Статистика регистрации аварийных событий за период с августа 2004 г. по август 2007 г. свидетельствует, что в год имеет место от 10 до 14 провалов напряжения, вызванных 3-фазными КЗ глубиной от 11,2 % до 77,6 % и длительностью 135-К200 мс. напряжение электроснабжение аварийный

Отключения потребителей и систем управления происходят при провалах напряжения глубиной свыше 20 %. Длительность провала напряжения влияет на число отключившихся потребителей.

Анализ аварийных ситуаций на ОЭМК показал, что причинами отключений электрооборудования служат: сбои в системах управления технологическими процессами (Sematic); срабатывание защит преобразователей напряжения в электроприводах постоянного и переменного тока; отключения контакторов и магнитных пускателей напряжением 380 В и нарушение устойчивости электродвигательной нагрузки [2].

Технологическая схема производства ОАО «Сибур-ПЭТФ» содержит большое число АД с частотными преобразователями в цепи питания, и проведенные исследования выявили, что при посадках напряжения глубиной более 20 % и длительностью от 20 мс имели место как останов агрегатов, так и отходы аморфного гранулята до 27 ф за один провал.

На предприятиях ОАО «Газпром» ведется учет аварийных остановов цехов и газоперекачивающих агрегатов. Согласно статистике за 1997 г. произошло 88 остановов компрессорных цехов и 194 останова газоперекачивающих агрегатов.

По сравнению с 1996 г. их общее количество уменьшилось на 36 (29 %) для компрессорных цехов и 91 (31,9 %) для газоперекачивающих агрегатов.

По вине энергосистемы в 1997 г. произошло 39 остановов компрессорных цехов, что составило 44,3 % от всех остановов, и 93 останова газоперекачивающих агрегатов, что составило 47,9% всех остановов.

Наибольшее количество аварийных остановов компрессорных цехов в 1997 г. имело место на предприятиях «Вол-готрансгаз» (21 отключение), «Волгоградтрансгаз» (12 отключений), «Сургутгазпром» (11 отключений) и «Тюментрансгаз» (11 отключений).

За рассматриваемый период наиболее ненадёжными элементами электроустановок компрессорных станций были электрические аппараты напряжением до 1000 В (33,3 % отключений в 1996 году и 28,0 % отключений в 1997 г.), электропривод напряжением свыше 1000 В (7,2% в 1996 г. и 5,3 % в 1997 г.), распределительные устройства 6-10 кВ (13,0% в 1996 г. и 26,7% в 1997 г.), ТП 10-6/0,4 (17,4% в 1996 г. и 4,0 % в 1997 г.), внутристанционные кабельные линии до 1000В (7,2 % в 1996 г. и 9,3 % в 1997 г.) и источники постоянного тока (5,8 % в 1996 г. и 13,3% в 1997 г.).

Статистика аварийных режимов работы потребителей ОАО «ВСМПО-АВИСМА» за период с ноября 2006 по август 2007 г. г. приведена на рис. 2.

Проведенный анализ нарушений в работе машин и механизмов ОАО «ВСМПО-АВИСМА» выявил, что посадки (провалы) напряжений в питающих и распределительных сетях составляют от 28 до 70 % всех нарушений.

За период с августа 2006 г. по настоящее время на шинах ГПП-35/6 кВ РНПК ведется регистрация аварийных событий по вводам.

Проведенный анализ нарушений электроснабжения РНПК показал, что за 2,8 года произошло 25 случаев КНЭ во внешних питающих сетях. Из них на летние месяцы приходится 14 случаев; на весенние месяцы -- 7 случаев и на осенние месяцы -- 4 случая. В 20 случаях причиной нарушений являлись КЗ в электрических сетях внешнего электроснабжения.

Проведенный мониторинг качества электроэнергии выявило, что: а) провалы напряжения глубиной менее 20 % составили 83,7 %; б) провалы напряжения глубиной более 20 % составили 16,3 %; в) провалы напряжения глубиной более 40 % составили 2,1 % и провалы напряжения глубиной более 80 % составили 1,6 %.

Из собранной и обработанной статистики провалов напряжения за 2008 г. выявлено, что однофазные провалы напряжения составили 52,4 %; трехфазные провалы напряжения около 32,4 %. Также выявлено, что провалы напряжения, обусловленные КНЭ со стороны ПС «Факел» составили 39 %, а со стороны ООО «Ново-Рязанская ТЭЦ» - 61 %.

На предприятиях ОАО «АК «Сибур» в 2004 г.. имели место 40 и 14 случаев нарушений электроснабжения по вине питающих и внутризаводских энергосистем соответственно.

Проведенные исследования в МГУП «Мосводоканал» подтвердили, что в питающих сетях имеют место до 17 случаев провалов напряжения в год, обусловленные однофазными, междуфазными и трехфазными КЗ в питающих сетях, следствием которых являются остановы насосов и разрывы трубопроводов.

Глубина провалов составляла от 11 до 30 %, а длительность от 0,2 до 8,0 с.

2. БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ АВР С ОБЩИМ ВРЕМЕНЕМ НЕ БОЛЕЕ 65 мс

Проведенный анализ нарушений электроснабжения выявил, что успешная работа существующих устройств АВР и АПВ за время 0,5--5 с приводит к ущербам до нескольких миллионов руб. за каждое нарушение [4].

Для исключения ущербов и обеспечения непрерывности технологических процессов предложена усовершенствованная модель пускового устройства адаптивного АВР, которая отличается от известных новым надежным алгоритмом определения аварийного режима для сложных схем добычи нефти с несколькими подстанциями 35/6 кВ и позволяет сохранить непрерывность технологических процессов.

Для получения времен реакции 7-15 мс и достижения общего времени переключения на резервный ввод не более 65 мс нами реализовано пусковое устройство, которое включает орган минимального напряжения, особое реле направления мощности, орган контроля углов сдвига между напряжениями первой и второй секции, орган минимального тока [5].

Пусковое устройство снабжено особым алгоритмом работы реле направления тока (РНТ).

Характеристика срабатывания РНТ в комплексной плоскости представлена на рис. 3. Направление тока (мощности) определяется расчетным путем и считается прямым (от источника к шинам), если:

Ниже приведена сравнительная таблица (табл. 2) разрабатываемого устройства и зарубежных аналогов.

Таблица 2

Расчетными исследованиями типовой нефтедобывающей ПС КНС-11 (рис. 4), которое содержит 4 распредустройства напряжением 6 кВ и от которых запитана как высоковольтные СД и АД, так и электроцентробежные насосы. На схеме замещения отмечены вероятные места внешних КЗ (точки Кь К7, К8 , причем для точки К8 моделировалась удаленность места КЗ от шин ПО кВ).

Места внутренних КЗ (точки Кг, Кз, bQ, K5, Kg, Kg, Кю) выбраны так, чтобы проверить надежность работы предлагаемого алгоритма для обеспечения непрерывности технологического процесса нефтедобычи (т.е. исключения остановов ЭЦН, др. технологического оборудования). Расчетами выявлено, что новое устройство БАВР работает (в отличии от существующих) в 29 случаях нарушений нормального электроснабжения [5].

В результате промышленных испытаний и эксплуатации устройства с декабря 2008 г. выявлено:

а) оно надежно работает при самых сложных нарушениях в питающих сетях;

б) обеспечивает удержание даже низковольтной электродвигательной нагрузки;

г) трижды успешно сработало за время эксплуатации;

д) рекомендовано специалистами и обслуживающим персоналом ОАО «Самотлорнефтегаз» для повсеместного внедрения на объектах нефтедобычи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гамазин СИ., Пупин В.М., Марков Ю.В. Обеспечения надежности электроснабжения и качества электроэнергии // Промышленная энергетика. 2006. № 11. С.51-56.

2. Пупин В.М., Егорова М.С. Электроснабжение Ос-кольского электрометаллургического комбината и повышение надежности электрообеспечения основных потребителей // Электрика. 2008. № 3. С. 21-32.

3. Ивкин О.Н., Киреева Э.А., Пупин В.М., Марки-танов Д.В. Применение динамических компенсаторов искажений напряжения с целью обеспечения надежности электроснабжения потребителей // Главный энергетик. 2006. № 1.С. 28-38.

4. Жуков В.А., Гумиров Д.Т., Пупин В.М. Микропроцессорный быстродействующий АВР как средство обеспечения надежного электроснабжения ответственных потребителей. «Обеспечение надежности работы энергетического оборудования». Дзержинск, ОАО «НИПОМ». 18-21 июня 2007. С. 98-104.

5. Гумиров Д.Т., Жуков В.А., Пупин В.М. Повышение надежности работы электроцентробежных насосов и станков-качалок при авариях в питающих сетях предприятий нефтедобычи // Главный энергетик. 2009. № 9. С. 56-66.

6. Труды конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», 2010 г., МЭИ, www.energy2010.mpei.ru

АННОТАЦИЯ

Новые технологии защиты электрооборудования от нарушений в питающих сетях. Московский энергетический институт (технический университет). В. М. Пупин

Показано, что проблема, связанная с воздействием кратковременных нарушений электроснабжения на работу потребителей электрической энергии, становится все более острой по мере усложнения технологических процессов предприятий и использования средств автоматизации.

Для защиты электрооборудования, чувствительного к провалам напряжения, предложено новое поколение быстродействующих устройств автоматического ввода резервного (БАВР) электропитания потребителей и математическое моделирование переходных процессов в аварийных режимах сетей.

Внедрение нового устройства быстродействующего автоматического ввода резервного электропитания на ПС-35/6 кВ ТНК-ВР позволило исключить потери нефти до 350 ф в сутки; подтвердило лучшее в мире время реакции устройства на аварийный режим; исключило риски и последствия от аварийных режимов, вызванных природными и техногенными обстоятельствами, для объектов с непрерывным производственным процессом; обеспечило переход к безлюдным технологиям обслуживания подстанций нефтедобычи, разбросанных на десятки километров.

Размещено на Allbest.ru