29.06.2015 Инженерная практика №04/2015

Эффективное развитие и устойчивое функционирование нефтедобывающего комплекса Самарской области во многом определяется надежностью электроснабжения потребителей всех уровней технологической цепи и всех классов номинального напряжения. Один из ответственных узлов технологической цепи добычи и транспорта сырой нефти — площадка добычи нефти, обслуживающая добывающие и нагнетательные скважины.

В последнее время широкое применение в нефтедобыче получили погружные электрические центробежные насосы, регулирование скорости вращения которых осуществляется двухзвенным преобразователем частоты [1]. Использование двухзвенных преобразователей частоты с неуправляемым выпрямителем вызывает генерацию высших гармоник тока и напряжения (5, 7, 11 и т. д.) по элементам системы электроснабжения [2-4], что приводит к нарушению установленных норм электромагнитной совместимости.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК

Мы провели исследование состава и уровня высших гармоник напряжения, создаваемых станциями управления погружными электродвигателями, и сравнили их с нормированными значениями, регламентируемыми в межгосударственном стандарте ГОСТ 32144-2013 [5].

Система электроснабжения значительной части трансформаторных подстанций 6(10)/0,4 кВ, питающих погружные электродвигатели (далее ПЭД) с частотным приводом, выполнена по магистральной схеме (рис. 1). На трансформаторных подстанциях установлен один трансформатор марки ТМ полной мощностью 100-630  кВА  со  схемой  соединения обмоток «звезда/звезда с нейтралью». На станциях управления ПЭД используются преобразователи частоты без фильтров высших гармоник в сторону сети.

Для сокращения количества измерений было выполнено ранжирование энергообъектов на группы по установленной мощности электропривода с частотным управлением и мощности и типу станции управления. Анализ групп типовых энергообъектов выявил две ключевые особенности. Во-первых, это широкий диапазон установленной мощности ПЭД — от 32 до 400 кВт; и, во-вторых, преимущественное применение станций управления типа «Электон-05» и Centrilift 4500. Порядок ожидаемых токов высших гармоник (ВГ), генерируемых указанными станциями управления определяется по выражению [2-4]:

где p — пульсность преобразователя; k = 1, 2, 3…

Для станций управления ПЭД используются шестипульсные преобразователи частоты, поэтому порядок ожидаемых ВГ, обладающих наибольшей амплитудой, равен n = 5, 7, 11, 13…

Показатели, характеризующие искажение кривой напряжения сети, называются коэффициентом гармонических составляющих напряжения [5]

и суммарным коэффициентом гармонических составляющих напряжения [5]:

где

U₍₁₎ — фактическое измеренное действующее значение напряжения основной частоты сети 50 Гц (первой гармоники);

U_(n) — фактическое измеренное действующее значение напряжения высшей гармоники n-го порядка.

Исследования высших гармоник напряжения проводились в период с апреля по сентябрь 2014 года на Богатыревском, Речном, Половецком, Кинзякском, Пиненковском месторождениях Самарской области.Анализ полученных результатов измерений позволил сделать вывод о том, что наибольшие искажения синусоидальной формы питающего напряжения (не удовлетворяющие нормам ГОСТ 32144-2013 [5] в части превышения значений коэффициентов гармонических составляющих напряжения и суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения) вносят станции управления Centrilift 4500 при питании мощных ПЭД типа MOTOR 450 и DOMINATOR 456.

Иллюстрации искажений напряжения и тока, полученных при испытаниях электрической энергии на ТП-38 при работе погружного электродвигателя DOMINATOR 456 (50 Гц Uном=2936 В, Iном=78,5 А, 360 л.с.) от станции управления Centrilift 4500, приведены на рис. 2-5 и представлены в таблицах 1 и 2.

Анализ результатов измерения KU(n), приведенных в таблицах 1 и 2, свидетельствует о том, что наибольшее искажение синусоидальной формы кривой напряжения вносит 5-я гармоника, обладающая наибольшей мощностью искажения по сравнению с другими гармониками высших порядков, нормы ГОСТ на которые также превышены. Поэтому для снижения искажения кривой напряжения на практике рекомендуется компенсировать высшие гармоники низших порядков (3, 5, 7), обладающие, как правило, большими мощностями искажения.

НЕГАТИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Несоблюдение условий электромагнитной совместимости систем электроснабжения и электрооборудования нефтедобывающего комплекса по уровню высших гармоник напряжения может приводить к негативным техническим и экономическим последствиям.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

• перегрузки в распределительных сетях из-за увеличения действующего тока;
• перегрузки в нулевых (нейтральных) проводниках из-за суммирования токов высших гармоник, кратных трем, которые генерируются однофазными нелинейными нагрузками;
• перегрузки, вибрация и преждевременное старение трансформаторов и электродвигателей, а также повышенный шум трансформаторов;
• перегрузки и преждевременное старение конденсаторов для повышения коэффициента мощности;
• искажение формы питающего напряжения, которое может повлиять на «чувствительные» нагрузки;
• помехи в цепях связи и релейной защиты ВЛ 10 кВ.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ:

• преждевременное старение оборудования означает необходимость его замены раньше запланированного срока, если в нем с самого начала не был предусмотрен запас мощности;
• перегрузки в распределительной сети могут привести к более высоким уровням потребления энергии и увеличению потерь;
• искажение формы кривой тока, способное вызывать ложное срабатывание автоматических выключателей, что может приводить к остановке производственного процесса.

По полученным результатам измерений также была проведена оценка потерь активной мощности в системе электроснабжения ПЭД, которая заключается в поэтапном определении дополнительных потерь активной мощности в кабельных и воздушных линиях электропередачи и силовых трансформаторах 6(10)/0,4 кВ, 35/6(10) кВ по выражению [2-4]:

 

где I_n — ток высших гармоник; R — сопротивление элемента (линии, трансформатора) системы электроснабжения; K_rn ≈√n — коэффициент, учитывающий влияние поверхностного эффекта (для силовых трансформаторов принимается Kr5 = 2,1; Kr7 = 2,5; Kr11 = 3,2; Kr13 = 3,7) [2–4].

Для оценки дополнительных потерь активной мощности, возникающих при искажениях напряжения и тока, проведена серия расчетов для системы электроснабжения ТП-38 Пиненковского месторождения, питающей погружной электродвигатель DOMINATOR 456сер от станции управления Centrilift 4500. Результаты расчетов показывают, что протекание токов высших гармоник по элементам приведенной выше системы электроснабжения приводит к дополнительным потерям активной мощности в них в объеме 17 тыс. кВт-год.

ВЫВОД

Зафиксированы недопустимые нарушения качества электроэнергии по составу и уровню высших гармоник напряжения в системах электроснабжения ПЭД с частотным управлением от станций управления Centrilift 4500, что приводит к снижению функциональной надежности системы электроснабжения нефтяных скважин и дополнительным потерям электроэнергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Меньшов Б.Г. Электротехнические установки в нефтегазовой промышленности. — М.: Недра, 2000. — 270 с.
2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 2004. — 358 с.
3. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях, М.: Энергоатомиздат, 2005.
4. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др. — М.: Изд-во МЭИ, 2006. — 320 с.
5. ОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.