Анализ отклонений частоты, несинусоидальности и несимметрии напряжения в автономной энергосистеме нефтедобывающего предприятия

44

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В

недрение

новых

технологий

в

об

-

ласти

производства

и

потребле

-

ния

электрической

энергии

ставит

новые

задачи

для

научных

и

ин

-

женерных

кадров

. 

В

частности

, 

массовое

использования

частотных

электроприво

-

дов

привело

не

только

к

известным

поло

-

жительным

эффектам

, 

но

и

создало

ряд

проблем

, 

которые

потребовали

новых

инженерных

, 

научных

и

конструкторских

решений

в

области

разработки

средств

снижения

уровня

высших

гармоник

, 

но

-

вых

конструкций

электродвигателей

и

не

-

посредственно

технологий

преобразова

-

ния

частоты

.

Важнейшее

отличие

автономных

энер

-

госистем

от

больших

централизованных

энергообъединений

 — 

соизмеримость

номинальных

мощностей

электростан

-

ций

и

наиболее

крупных

потребителей

электроэнергии

. 

В

качестве

таких

потре

-

бителей

, 

как

правило

, 

выступают

мощные

электроприводы

. 

Причем

нагрузка

в

таких

энергосистемах

зачастую

носит

резкопе

-

ременный

характер

, 

и

ее

влияние

на

ре

-

жимные

параметры

и

показатели

каче

-

ства

электроэнергии

значительно

выше

, 

чем

в

централизованных

энергосистемах

. 

Современная

автономная

энергосис

-

тема

нефтегазодобывающего

предприятия

Зырянов

В

.

М

., 

к

.

т

.

н

., 

с

.

н

.

с

., 

доцент

кафедры

Автоматизированных

электро

-

энергетических

систем

НГТУ

НЭТИ

Нестеренко

Г

.

Б

., 

руководитель

проблемной

рабочей

группы

 «

Применение

и

особенности

интеграции

систем

накопления

электрической

энергии

в

электроэнергетические

системы

» 

Национального

исследовательского

комитета

по

тематическому

направлению

С

6 

«

Активные

системы

распределения

электроэнергии

и

распределенные

энергоресурсы

» 

РНК

СИГРЭ

Пранкевич

Г

.

А

., 

к

.

т

.

н

., 

ассистент

кафедры

Автоматизированных

электро

-

энергетических

систем

НГТУ

НЭТИ

Хатыленко

Р

.

М

., 

аспирант

кафедры

Автоматизированных

электро

-

энергетических

систем

НГТУ

НЭТИ

Ключевые

слова

:

качество

электрической

энергии

, 

автономная

энергосистема

, 

нефтяное

месторождение

, 

резкопеременная

нагрузка

, 

буровая

установка

, 

дизельная

электростанция

, 

система

накопления

электрической

энергии

Анализ отклонений частоты, 
несинусоидальности 
и несимметрии напряжения 
в автономной энергосистеме 
нефтедобывающего предприятия

УДК

 621.316.7:621.313.17

Рассмотрена

проблема

качества

электрической

энергии

в

совре

менных

автономных

энергосистемах

. 

Приведены

ре

-

зультаты

мониторинга

режимных

параметров

автономной

ди

-

зельной

электростанции

в

системе

электроснабжения

буровой

установки

БУ

 4500/270 

ЭК

-

БМ

на

нефтедобывающем

предприя

-

тии

. 

Проведен

анализ

нагрузочной

диаграммы

электростанции

по

активной

мощности

, 

анализ

отклонений

частоты

, 

несину

-

соидальности

и

несимметрии

напряжения

при

выполнении

нормальных

технологических

операций

при

бурении

скважи

-

ны

. 

Выявлены

многочисленные

отклонения

показателей

ка

-

чества

электроэнергии

от

нормированных

значений

, 

рассмот

-

рены

причины

возникновения

подобной

ситуации

. 

Кроме

того

, 

анализ

показал

, 

что

резкие

изменения

мощности

нагрузки

не

поз

воляют

применять

в

подобной

энергосистеме

газопорш

-

невые

генераторные

установки

без

пересмотра

количества

и

мощности

генераторных

агрегатов

или

без

применения

сис

-

темы

накопления

электрической

энергии

.

45

представляет

собой

не

просто

совокупность

тради

-

ционных

генераторных

агрегатов

и

электродвига

-

телей

, 

электрически

связанных

между

собой

. 

Это

комплексный

объект

, 

в

составе

которого

имеются

система

мониторинга

и

диспетчеризации

с

высоким

уровнем

автоматизации

технологического

процесса

, 

а

также

различные

типы

дорогостоящего

высокотех

-

нологичного

электрооборудования

. 

Выход

из

строя

какого

-

либо

элемента

системы

, 

неблагоприятные

режимы

работы

оборудования

или

его

простой

не

-

минуемо

влекут

за

собой

значительные

экономиче

-

ские

потери

. 

Например

, 

резкие

набросы

и

сбросы

нагрузки

приводят

к

повышенному

расходу

топлива

дизельными

генераторами

, 

при

этом

его

транспор

-

тировка

является

сложной

и

дорогостоящей

логи

-

стической

задачей

. 

Предпочтительнее

использовать

газопоршневые

генераторные

установки

  (

ГПУ

), 

ра

-

ботающие

на

местном

топливе

 — 

природном

или

попутном

газе

. 

Однако

необходимо

учитывать

, 

что

резкопеременная

нагрузка

, 

характерная

для

систем

электроснабжения

добывающих

предприятий

, 

может

приводить

к

недопустимым

отклонениям

показате

-

лей

качества

электроэнергии

и

отключению

ГПУ

тех

-

нологическими

защитами

 [1, 2].

Показатели

качества

электрической

энергии

игра

-

ют

решающую

роль

в

обеспечении

благоприятных

условий

эксплуатации

оборудования

энергосисте

-

мы

. 

Так

, 

высокий

уровень

гармонических

состав

-

ляющих

напряжения

может

приводить

к

выходу

из

строя

конденсаторных

батарей

и

вызывать

допол

-

нительные

потери

электроэнергии

в

сети

. 

Несим

-

метрия

напряжений

также

ведет

к

дополнительным

потерям

электроэнергии

и

повреждению

некоторых

типов

электрооборудования

  (

электрических

машин

, 

преобразовательного

оборудования

, 

конденсатор

-

ных

батарей

). 

Отклонения

частоты

и

, 

прежде

все

-

го

, 

ее

ударные

  (

с

большой

скоростью

) 

изменения

при

резкопеременном

характере

нагрузки

негативно

сказываются

на

генераторных

агрегатах

, 

а

также

на

электродвигателях

и

технологических

механизмах

потребителей

, 

приводя

к

их

ускоренному

износу

или

выходу

из

строя

. 

Кроме

того

, 

при

этом

возрастает

расход

топлива

и

увеличиваются

потери

электро

-

энергии

 [3].

Значения

показателей

качества

электроэнер

-

гии

в

автономной

энергосистеме

главным

образом

определяются

характером

графика

нагрузки

и

соот

-

ношением

номинальных

мощностей

наиболее

круп

-

ных

потребителей

электроэнергии

и

электростанции

. 

Нормы

показателей

качества

электроэнергии

уста

-

новлены

в

ГОСТ

 32144-2013 [4], 

а

методы

их

измере

-

ний

 — 

в

ГОСТ

 30804.4.30-2013 [5].

Как

следствие

, 

оценка

показателей

качества

элек

-

троэнергии

в

автономных

энергосистемах

нефтега

-

зодобывающих

предприятий

имеет

большое

практи

-

ческое

значение

. 

На

основании

такой

оценки

может

быть

принято

решение

о

необходимости

применения

дополнительных

мер

, 

способных

обеспечить

опти

-

мальные

условия

для

осуществления

технологиче

-

ских

процессов

. 

Например

, 

внедрение

систем

на

-

копления

энергии

  (

СНЭ

), 

фильтрокомпенсирующих

устройств

  (

ФКУ

) 

на

основе

силовой

электроники

и

другой

преобразовательной

техники

позволяет

по

-

высить

технико

-

экономические

показатели

работы

добывающих

предприятий

, 

а

также

создает

дополни

-

тельный

спрос

на

разработку

, 

развитие

и

внедрение

инновационных

продуктов

отечественного

произ

-

водства

. 

Применение

СНЭ

в

автономных

энергосис

-

темах

позволяет

уменьшить

скорость

изменения

нагрузки

на

генераторные

агрегаты

до

допустимого

уровня

, 

что

полностью

исключает

аварийное

отклю

-

чение

ГПУ

при

бросках

мощности

, 

а

также

снижает

расход

топлива

. 

При

наличии

в

составе

СНЭ

под

-

системы

преобразования

с

необходимыми

харак

-

теристиками

и

соответствующей

системы

управле

-

ния

СНЭ

способна

осуществлять

генерацию

токов

, 

различных

по

гармоническому

составу

, 

амплитуде

и

фазе

, 

для

снижения

уровня

несинусоидальности

и

несимметрии

в

точке

подключения

. 

ОБЪЕКТ

ИССЛЕДОВАНИЯ

На

одном

из

нефтедобывающих

предприятий

Си

-

бирского

федерального

округа

на

шинах

дизельной

электростанции

, 

от

которой

оно

получает

электро

-

энергию

, 

проведен

мониторинг

режимных

парамет

-

ров

. 

В

ходе

мониторинга

выполнялась

регистрация

мгновенных

значений

фазных

напряжений

и

токов

.

При

регистрации

токов

использовались

штатные

измерительные

трансформаторы

тока

. 

К

их

вто

-

ричным

цепям

подключались

токовые

клещи

 Fluke 

i200S. 

Регистрация

фазных

напряжений

проводи

-

лась

с

помощью

штатных

измерительных

трансфор

-

маторов

напряжения

. 

Подключение

к

вторичным

це

-

пям

трансформатора

напряжения

осуществлялось

с

помощью

осциллографических

щупов

. 

К

токовым

клещам

и

осциллографическим

щупам

с

помощью

измерительных

кабелей

подключался

цифровой

за

-

поминающий

осциллограф

 Yokogawa DL850, 

имею

-

щий

 16 

аналоговых

каналов

и

максимальную

частоту

выборки

 10 

МВыб

/

с

. 

В

настоящей

работе

измерения

выполнялись

с

частотой

 10 

кВыб

/

с

.

Мониторинг

проводился

на

электростанции

мощ

-

ностью

 3000 

кВт

, 

имеющей

в

своем

составе

три

дизель

-

генераторные

установки

  (

ДГУ

) Cummins 

но

-

минальной

мощностью

 1000 

кВт

 (1250 

кВА

) 

и

но

-

минальным

напряжением

 6,3 

кВ

, 

обеспечивающей

электроэнергией

кустовую

площадку

, 

где

основным

потребителем

электроэнергии

является

буровая

установка

 (

рисунок

 1). 

Комплектная

буровая

установка

БУ

 4500/270 

ЭК

-

БМ

с

электроприводами

постоянного

и

переменного

тока

с

частотным

регулированием

, 

в

блочно

-

модульном

исполнении

предназначена

для

бурения

разведочных

и

эксплуатационных

скважин

на

нефть

и

газ

роторным

способом

и

забойными

двигателями

в

неэлектрифи

-

цированных

районах

в

различных

климатических

ус

-

ловиях

. 

Основные

параметры

системы

электроснаб

-

жения

буровой

установки

представлены

в

таблице

 1. 

Основное

коммутационное

оборудование

: 

вакуумные

выключатели

 BB/TEL. 

Для

защиты

от

перенапряже

-

ний

используются

разрядники

РВО

-6 

У

1 

и

ограничи

-

тели

перенапряжений

нелинейные

ОПНп

-6. 

Релейная

защита

построена

на

основе

блоков

микропроцессор

-

ной

релейной

защиты

 «

Сириус

».

№

 4 (79) 2023

46

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

К

шинам

 6 

кВ

подключено

ФКУ

 1350 

квар

, 

настроен

-

ное

на

 5 

и

 7 

гармоники

, 

к

шинам

 0,4 

кВ

 — 

асинхронный

двигатель

вспомогательной

лебедки

с

преобразовате

-

лем

частоты

; 

электроприводы

постоянного

тока

насо

-

сов

, 

ротора

, 

лебедки

, 

подачи

долота

 (

включая

двигатель

постоянного

тока

с

тиристорным

выпрямителем

); 

рабо

-

че

-

бытовой

комплекс

 (

бытовые

потребители

) 

и

котель

-

ная

; 

системы

управления

буровой

установки

. 

К

шинам

0,69 

кВ

 — 

асинхронный

двигатель

системы

верхнего

привода

с

преобразователем

частоты

; 

электродвига

-

тели

постоянного

тока

насосов

, 

электродвигатели

по

-

стоянного

тока

лебедки

; 

электро

-

двигатели

постоянного

тока

ротора

и

тиристорные

выпрямители

этих

электродвигателей

.

Процесс

сооружения

скважин

состоит

из

повторяющихся

опера

-

ций

: 

спуска

бурильных

труб

с

до

-

лотом

  (

инструмента

) 

в

скважину

, 

бурения

, 

наращивания

колонны

труб

, 

подъема

труб

 [6]. 

Кроме

того

, 

в

ряде

случаев

проводятся

вспо

-

могательные

работы

по

прора

-

ботке

пробуренного

интервала

, 

расширению

и

промывке

скважи

-

ны

, 

геофизические

исследования

и

испытания

. 

Основной

нагрузкой

при

сооружении

скважин

явля

-

ются

электроприводы

различных

агрегатов

буровой

установки

. 

На

обследуемом

объекте

ис

-

пользуется

вращательный

  (

ротор

-

ный

) 

способ

бурения

скважин

, 

при

котором

долото

не

только

внедряет

-

ся

в

породу

, 

но

и

скалывает

ее

под

действием

крутящего

момента

 [7]. 

При

спуске

инструмента

в

сква

-

жину

в

основном

нагружается

элек

-

тропривод

буровой

лебедки

. 

В

этом

режиме

потребление

электроэнер

-

гии

буровой

установкой

небольшое

, 

резких

изменений

режима

работы

практически

не

возникает

. 

При

непосредственном

бурении

нагружается

элек

-

тропривод

буровой

лебедки

и

электропривод

ротора

(

в

случае

индивидуального

исполнения

) — 

специаль

-

ного

вращательного

механизма

, 

который

вращает

бу

-

рильную

колонну

и

присоединенное

к

ней

долото

. 

Кро

-

ме

того

, 

в

это

время

работает

электропривод

бурового

насоса

, 

нагнетающего

буровой

раствор

в

скважину

 [6]. 

В

режиме

бурения

существенно

возрастает

мощ

-

ность

, 

потребляемая

буровой

установкой

, 

а

условия

Рис

. 1. 

Однолинейная

схема

системы

электроснабжения

Табл

. 1. 

Основные

характеристики

системы

электроснабжения

нефтедобывающего

предприятия

Наименование

параметра

Значение

Режим

работы

круглосуточный

Характер

нагрузки

резкопеременный

, 

от

 100 

кВт

до

полной

мощности

Состав

двигателей

два

асинхронных

двигателя

 30 

и

 600 

кВт

, 

пять

двигателей

постоянного

тока

по

 1000 

кВт

каждый

, 

один

двигатель

постоянного

тока

 90 

кВт

Установленная

мощность

потребителей

буровой

установки

5,9 

МВт

Питание

главных

приводов

от

сети

 6 

кВ

через

масляный

трехобмоточный

преобразовательный

транс

-

форматор

ТРМП

 3200/6 

БУХЛ

1, 2440 

кВА

, 6/0,69–0,69 

кВ

Фильтрокомпенсирующее

устройство

ФКУ

 1350 

квар

, 

подключено

к

шинам

 6 

кВ

Максимальная

потребляемая

мощность

потребителей

БУ

, 

с

учетом

жилого

городка

2410 

кВт

Используемые

системы

электроприводов

«

тиристорный

преобразователь

 — 

ЭД

постоянного

тока

», «

частотный

пре

-

образователь

 — 

ЭД

переменного

тока

»

Система

верхнего

привода

потребляемая

мощность

 750 

кВт

, 

питание

от

сети

 6 

кВ

Аварийное

электроснабжение

от

ДГУ

мощностью

 315 

кВт

Наличие

рекуперативного

режима

кратковременно

-

рекуперативный

режим

при

спускоподъемных

операциях

и

в

тормозных

режимах

работы

буровой

лебедки

Дизельные

генераторы

3



1250 

кВА

6 

кВ

6 

кВ

0,4 

кВ

0,69 

кВ

630 

кВА

6/0,4 

кВ

Двигатель

30 

кВт

Бытовая

нагрузка

Тирис

-

торный

преобра

-

зователь

Тирис

-

торный

преобра

-

зователь

Двигатель

постоянного

тока

 90 

кВт

Двигатель

постоянного

тока

 5



1000 

кВт

3200 

кВА

6/0,69/0,4 

кВ

ФКУ

 1350 

квар

6/0,69/0,4 

кВ

TT

TT

*

T

Н

*

TT

TT

TT

TT

TT

ТН

Воздушная

линия

АС

-70, 400 

м

Частично

регулируемый

привод

Двигатель

600 

кВт

Дизельный

генератор

3150 

кВт

Частично

регули

-

руемый

привод

f

1

f

2

f

1

f

2

AC

AC

DC

DC

DC

DC

DC

DC

47

работы

электродвигателей

значительно

утяжеляют

-

ся

 [7]. 

Особенно

заметно

это

проявляется

при

резких

сбросах

и

набросах

нагрузки

 (

при

бурении

скважины

во

время

мониторинга

броски

мощности

достигали

1700 

кВт

). 

Технологический

процесс

  «

наращивание

» 

харак

-

теризуется

прерыванием

процесса

бурения

и

удли

-

нением

бурильной

колонны

 [6]. 

После

наращивания

процесс

бурения

продолжается

.

Для

замены

изношенного

долота

производят

подъем

всей

бурильной

колонны

из

скважины

. 

В

та

-

ком

режиме

электропривод

постоянного

тока

буро

-

вой

лебедки

и

электродвигатель

переменного

тока

силового

верхнего

привода

испытывают

значитель

-

ные

нагрузки

. 

Продолжительность

этого

режима

ра

-

боты

варьируется

от

 20 

минут

до

 10 

часов

и

зависит

от

высоты

, 

на

которую

требуется

поднять

бурильную

колонну

. 

На

исследуемом

месторождении

ресурс

до

-

лота

составил

 4250 

м

.

Проработка

пробуренного

интервала

производит

-

ся

для

устранения

местных

сопротивлений

 (

уступов

, 

сужений

, 

искривлений

и

др

.), 

которые

могут

приво

-

дить

к

недоспуску

бурильной

ко

-

лонны

до

проектной

глубины

 [7]. 

По

своей

сути

проработка

пред

-

ставляет

собой

повторное

прохож

-

дение

ствола

скважины

. 

Нагруз

-

ка

на

оборудование

и

искажения

в

этом

случае

меньше

, 

чем

при

бурении

. 

Промывка

скважины

необходи

-

ма

для

очистки

нижней

части

ее

ствола

от

накопившегося

песка

и

других

загрязнений

. 

Во

время

промывки

в

скважину

по

промы

-

вочным

трубам

подается

промы

-

вочная

жидкость

 [8]. 

В

этом

случае

нагрузки

испытывают

электропри

-

вод

буровой

лебедки

и

электропри

-

вод

промывочного

насоса

. 

На

исследуемом

объекте

про

-

водились

в

том

числе

геофизи

-

ческие

исследования

скважины

. 

Работы

заключались

в

проведе

-

нии

исследовательских

и

изме

-

рительных

работ

 (

геофизических

, 

геологических

, 

геомеханических

и

др

.) 

при

проработке

, 

бурении

и

наращивании

. 

В

этом

случае

показатели

режима

зависят

от

предшествующего

технологиче

-

ского

процесса

.

АНАЛИЗ

ОТКЛОНЕНИЙ

ЧАСТОТЫ

При

обработке

результатов

мо

-

ниторинга

применялась

теория

мгновенной

мощности

 [9], 

которая

позволяет

рассчитать

все

компо

-

ненты

полной

мощности

и

других

режимных

параметров

. 

Кроме

того

, 

ее

применение

позволяет

исследовать

все

показатели

каче

-

ства

электроэнергии

в

точке

подключения

на

протя

-

жении

всего

времени

мониторинга

. 

Для

сетей

с

изо

-

лированной

нейтралью

мгновенная

мощность

имеет

вид

матричного

уравнения

в

осях

d

-

q

:

 p 

u

d 

u

q 

i

d

= 



, (1)

 q 

u

q 

–u

q 

i

q

где

p

и

q

 — 

активная

и

реактивная

мгновенные

мощ

-

ности

; 

u

d

и

u

q

, 

i

d

и

i

q

 — 

мгновенные

значения

напряже

-

ний

и

токов

в

осях

d

-

q

, 

соответственно

. 

Мгновенные

значения

параметров

сети

в

координатах

d

-

q

могут

быть

рассчитаны

с

помощью

преобразования

Парка

мгновенных

составляющих

в

координатах

a

-

b

-

c

.

На

рисунке

 2 

представлены

фрагменты

осцилло

-

грамм

параметров

сети

, 

полученных

в

ходе

монито

-

ринга

: 

мгновенных

значений

фазных

токов

и

напря

-

жений

 (

для

иллюстрации

выбрана

фаза

 A).

С

помощью

уравнения

 (1) 

рассчитаны

составля

-

ющие

мгновенной

мощности

p

и

q

. 

Далее

получен

-

ные

значения

проинтегрированы

и

усреднены

на

периоде

промышленной

частоты

. 

Дополнительно

рассчитана

частота

напряжения

. 

На

рисунке

 3 

при

-

Рис

. 2. 

Показатели

параметров

сети

, 

полученные

в

ходе

мониторинга

: 

a) 

мгновенное

значение

тока

; 

б

) 

мгновенное

значение

напряжения

Рис

. 3. 

Показатели

режимных

параметров

сети

: a) 

мгновенная

мощность

; 

б

) 

усредненные

на

периоде

активная

и

реактивная

мощности

; 

в

) 

частота

напряжения

а

)

0  200 400  600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0  200 400  600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Время

, 

с

То

к

, 

кА

Напр

яжение

, 

кВ

0,4

0,2

0

–0,2

–0,4

6
4
2
0
–

–4
–6

б

)

Время

, 

с

Мгнов

енная

мощность

, 

МВ

т

Част

от

а

, 

Гц

Ак

тивная

 (

реак

тивная

) 

мощность

, 

МВ

т

 (

Мв

ар

)

2

1

0

–1

51,5

51

50,5

50

2

1

0

–1

0  200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 

1800

0  200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 

1800

0  200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 

1800

а

)

в

)

б

)

Время

, 

с

Время

, 

с

Время

, 

с

Активная

мощность

Реактивная

мощность

№

 4 (79) 2023

48

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ведены

осциллограммы

рассчитанных

режимных

параметров

.

На

рисунке

 4 

представлены

диаграммы

изме

-

нения

активной

мощности

и

частоты

на

протяже

-

нии

 96 

часов

мониторинга

. 

На

рассматриваемом

интервале

времени

заметна

высокая

степень

не

-

равномерности

графика

нагрузки

. 

Мощность

, 

по

-

требляемая

буровой

установкой

, 

варьируется

от

50 

до

 2300 

кВт

. 

Зафиксировано

более

 100 

бросков

нагрузки

, 

превышающих

 30% 

номинальной

мощ

-

ности

электростанции

. 

В

ряде

случаев

мощность

этих

бросков

составляет

более

 70% 

от

мощности

, 

предшествующей

моменту

коммутации

нагрузки

, 

а

сами

броски

характеризуются

высокой

скоро

-

стью

изменения

мощности

. 

Такой

режим

работы

приемлем

для

дизельных

генераторов

, 

но

непри

-

емлем

для

ГПУ

. 

Для

электростанции

на

базе

ГПУ

, 

работающей

по

такому

графику

нагрузки

, 

необ

-

ходимо

увеличить

установленную

мощность

для

того

, 

чтобы

уменьшить

относительную

величи

-

ну

бросков

нагрузки

, 

приходящуюся

на

каждый

генератор

.

По

результатам

наблюдений

на

интервале

дли

-

тельностью

 96 

часов

рассчитаны

показатели

, 

харак

-

теризующие

изменения

частоты

. 

Результаты

расче

-

тов

сведены

в

таблицу

 2.

Среднеквадратичное

отклонение

частоты

со

-

ставляет

 0,0435 

Гц

. 

Это

свидетельствует

о

том

, 

что

регуляторы

скорости

ДГУ

в

целом

успешно

справля

-

ются

с

задачей

поддержания

частоты

на

уровне

но

-

минального

значения

. 

Среднее

значение

частоты

на

протяжении

 96 

часов

наблюдения

только

на

 0,031% 

отличается

от

номинального

значения

.

Наибольшее

зарегистрированное

отклонение

частоты

превышает

 3,4 

Гц

, 

причем

размах

отклоне

-

ний

частоты

выше

и

ниже

номинального

значения

в

этом

экстремальном

случае

составил

 6,086 

Гц

. 

Однако

даже

такое

отклонение

частоты

не

превыша

-

ет

предельно

допустимое

значение

, 

определенное

ГОСТ

 32144-2013 [4]. 

Многократно

за

время

мони

-

торинга

отклонение

частоты

превышало

величину

1 

Гц

, 

но

общее

время

такого

превышения

с

учетом

экстраполяции

на

недельный

период

укладывается

в

допустимый

интервал

времени

менее

 5%, 

что

так

-

же

соответствует

требованиям

ГОСТ

.

АНАЛИЗ

НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ

ТОКОВ

И

НАПРЯЖЕНИЙ

Отдельные

гармонические

составляющие

по

току

и

их

суммарный

коэффициент

 Total Harmonic Dis-

tortion — 

THD

I

на

территории

Российской

Федера

-

ции

не

нормируются

. 

Оценка

несинусоидальности

Рис

. 4. 

Показатели

параметров

сети

: a) 

нагрузочная

диаграмма

; 

б

) 

частота

напряжения

Табл

. 2. 

Основные

параметры

частоты

, 

полученные

по

результатам

мониторинга

Наименование

параметра

Ед

. 

изм

.

Значение

Среднеквадратичное

отклонение

частоты

Гц

0,0435

Среднеквадратичное

отклонение

скорости

изменения

частоты

 (ROCOF)

Гц

/

с

0,1579

Среднее

значение

частоты

Гц

50,0155

Минимальное

значение

частоты

Гц

47,3200

Максимальное

значение

частоты

Гц

53,4060

Ак

тивная

мощность

, 

МВ

т

2,5

2

1,5

1

0,5

0

22:35:00 04:35:00  10:35:00 16:35:00 22:35:00  04:35:00 10:35:00 16:35:00 22:35:00  04:35:00 10:35:00  16:35:00 22:35:00 04::35:00 10:35:00 16:35:00 22:35:00

22:35:00 04:35:00  10:35:00 16:35:00 22:35:00  04:35:00 10:35:00 16:35:00 22:35:00 04:35:00 10:35:00  16:35:00 22:35:00 04::35:00 10:35:00 16:35:00 22:35:00

а

)

Част

от

а

, 

Гц

54

53

52

51

50

49

48

47

б

)

Время

, 

чч

:

мм

:

сс

Время

, 

чч

:

мм

:

сс

49

производится

только

для

кривой

напряжения

. 

Для

этого

применя

-

ется

коэффициент

K

U

. 

Согласно

ГОСТ

 32144-2013 [4] 

для

сетей

напряжением

 6–25 

кВ

значение

коэффициента

K

U

не

должно

превышать

 5% 

в

течение

 95% 

времени

интервала

в

одну

неде

-

лю

и

 8% 

в

течение

 100% 

време

-

ни

интервала

в

одну

неделю

. 

Но

важно

понимать

, 

какие

гармони

-

ки

тока

содержатся

в

суммарной

кривой

тока

нагрузки

, 

поскольку

именно

они

вызывают

падения

напряжения

на

элементах

сети

и

накладываются

на

основную

гармонику

напряжения

, 

тем

са

-

мым

искажая

его

, 

и

именно

их

уровень

требуется

снижать

. 

Ко

-

эффициенты

THD

в

общем

виде

рассчитываются

по

следующей

формуле

:

Y

H

,

h

THD

Y

 =    



h

max

2

. (2)

h

=2

Y

H

,1

Коэффициент

K

U

рассчитывается

следующим

об

-

разом

:

U

1

K

U

=   



40

2

, (3)

h

=2

U

h

где

Y

 — 

обозначение

сигнала

  (

при

необходимости

заменяется

на

I

для

тока

и

U

для

напряжения

); 

h

 — 

порядок

гармоники

  (

целое

число

, 

равное

отноше

-

нию

частоты

гармоники

к

основной

частоте

системы

электроснабжения

); 

h

max

 — 

максимальный

порядок

гармоник

  (

обычно

принимается

равным

 40); 

Y

H

,

h

 — 

среднеквадратичное

значение

гармонической

со

-

ставляющей

порядка

h

; 

Y

H

,1

 — 

среднеквадратичное

значение

основной

составляющей

; 

U

h

 — 

среднеква

-

дратичное

значение

гармонической

составляющей

напряжения

порядка

h

; 

U

1

 — 

среднеквадратичное

значение

основной

составляющей

напряжения

.

В

настоящем

разделе

приведены

результаты

по

фазе

 A. 

Обработка

данных

по

фазам

В

и

С

показала

отсутствие

существенных

отличий

от

гармоническо

-

го

состава

фазы

А

.

На

рисунке

 5 

представлены

осциллограммы

ре

-

жимных

параметров

сети

на

напряжении

 6 

кВ

в

про

-

цессе

бурения

скважины

на

глубине

от

 3990 

м

до

Рис

. 5. 

Типичная

осциллограмма

режимных

параметров

в

нормальном

тех

-

нологическом

режиме

бурения

Рис

. 6. 

Пример

осциллограммы

с

выделением

наброса

нагрузки

4014 

м

. 

Гармонический

анализ

выполнен

для

участ

-

ков

осциллограмм

, 

выделенных

рамкой

. 

В

спектре

сигналов

тока

и

напряжения

преобладают

нечетные

гармоники

, 

не

кратные

трем

. 

Наибольшие

значения

амплитуды

  (

U

am

, 

I

am

) 

наблюдаются

у

гармоник

 11-

й

, 

17-

й

и

 23-

й

.

Следует

отметить

, 

что

при

резких

изменениях

режима

 (

наброс

/

сброс

нагрузки

) 

гармонический

сос

-

тав

токов

и

напряжений

имеет

существенную

осо

-

бенность

. 

В

этих

случаях

на

интервалах

времени

затухания

свободной

составляющей

фазного

тока

в

гармоническом

составе

токов

преобладающей

яв

-

ляется

вторая

гармоника

. 

Пример

наброса

нагрузки

с

выделенным

интервалом

времени

наброса

при

подъеме

инструмента

с

 2676 

до

 43 

м

представлен

на

рисунке

 6, 

а

гармонический

анализ

тока

и

напря

-

жения

 — 

на

рисунке

 7. 

Усредненные

результаты

гармонического

анали

-

за

для

основных

технологических

процессов

пред

-

приятия

и

доли

времени

каждого

из

этих

процессов

в

общем

времени

мониторинга

представлены

в

таб

-

лице

 3. 

Значения

всех

K

U

(

n

)

для

нечетных

гармоник

напряжения

, 

начиная

с

 11-

й

, 

для

всех

процессов

не

соответствуют

ГОСТ

 32144-2013 [4]. 

Суммарные

коэффициенты

гармонических

составляющих

по

напряжению

при

подъеме

инструмента

и

бурении

(45% 

времени

мониторинга

) 

превышают

допусти

-

мые

 8%, 

по

остальным

технологическим

операциям

Рис

. 7. 

Результаты

гармонического

анализа

при

набросе

нагрузки

без

учета

первой

гармоники

 (

цветом

выделена

преобладающая

гармоника

в

спектре

сигнала

)

Нагрузочная

диаграмма

Напряжение

фазы

А

Тока

фазы

А

200 400 600 800 1000 1200 

1400 1600 

1800

200  400  600  800  1000 1200 1400 1600 1800

200  400  600  800  1000 1200 1400 1600 1800

0,01 0,02 0,03  0,04 0,05 0,06

5  10 15 20 25 30 35 40

5  10 15 20 25 30 35 40

0,01 0,02 0,03  0,04 0,05 0,06

0

0

0

0

0

3
2
1

5
0

–5

0,5

0

–0,5

5
0

–5

150
100

50

0

0,4
0,2

0

–0,2
–0,4

8
6
4
2
0

p

, 

МВ

т

u

a

, 

кВ

i

a

, 

кА

i

a

, 

кА

u

a

, 

кВ

U

am

,

В

I

am

,

 A

t

, 

с

t

, 

с

t

, 

с

t

, 

с

t

, 

с

Номер

гармоники

Номер

гармоники

K

u

%

 = 5,79

THD

i

%

 = 4,30

Нагрузочная

диаграмма

Напряжение

фазы

А

200  400  600  800  1000 1200 1400 1600 1800

200  400  600  800  1000 1200 1400 1600 1800

0,01 0,02 0,03  0,04 0,05 0,06

0

0

0

0

2

1

0

10

5
0

–5

–10

10

5
0

–5

–10

p

, 

МВ

т

u

a

, 

кВ

u

a

, 

кВ

t

, 

с

t

, 

с

t

, 

с

5  10 15 20 25 30 35 40

5  10 15 20 25 30 35 40

600

400

200

Номер

гармоники

K

u

%

 = 14,0

50

40

30

20

10

THD

i

%

 = 67,1

0

t

,

с

Тока

фазы

А

200  400  600  800  1000 1200 1400 1600 1800

0,01 0,02 0,03 0,04  0,05 0,06

0

0

0,2

0

–0,2

0,2

0

–0,2

i

a

, 

кА

i

a

, 

кА

t

, 

с

t

, 

с

U

am

, 

В

I

am

, A

№

 4 (79) 2023

50

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

(42% 

времени

мониторинга

) 

превышают

допусти

-

мые

 5%.

Из

полученных

результатов

следует

, 

что

в

целом

для

всех

технологических

операций

гармонический

состав

напряжений

и

токов

принципиально

не

ме

-

няется

. 

Преобладающими

гармониками

напряжения

являются

 7, 11, 17 

и

 23. 

Преобладающими

гармо

-

никами

тока

являются

 5, 7, 11 

и

 17. 

При

этом

наи

-

большая

амплитуда

и

по

току

, 

и

по

напряжению

от

-

мечается

для

 11-

й

гармоники

. 

Такой

набор

гармоник

обусловлен

работой

выпрямителей

и

преобразова

-

телей

частоты

электропривода

буровой

установки

. 

На

данном

объекте

используются

шестипульсные

преобразователи

, 

которые

генерируют

в

сеть

гармо

-

ники

: 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 

и

другие

. 

Установлен

-

ные

ФКУ

, 

настроенные

на

 5-

ю

и

 7-

ю

гармоники

, 

не

обеспечивают

требуемого

значения

K

U

 (

менее

 5% 

на

95% 

времени

интервала

в

одну

неделю

и

менее

 8% 

на

 100% 

времени

интервала

в

одну

неделю

). 

АНАЛИЗ

НЕСИММЕТРИИ

ТОКОВ

И

НАПРЯЖЕНИЙ

В

отличие

от

других

нарушений

качества

электриче

-

ской

энергии

, 

несимметрия

напряжения

проявляется

лишь

в

долгосрочной

перспективе

. 

Особенно

остро

негативное

влияние

несимметрии

сказывается

на

ресурсе

и

надежности

работы

двигателей

, 

генера

-

торов

, 

трансформаторов

, 

конденсаторных

батарей

и

преобразовательного

оборудования

. 

Несимметрия

способствует

возникновению

дополнительных

по

-

терь

мощности

и

напряжения

, 

а

также

снижению

без

-

опасности

и

надежности

энергосистемы

 [10]. 

Несимметричная

нагрузка

приводит

к

протеканию

в

обмотке

статора

синхронного

генератора

токов

прямой

и

обратной

последовательностей

. 

Наличие

данных

токов

порождает

вращающиеся

магнитные

поля

, 

одно

из

которых

вращается

с

ротором

син

-

хронно

, 

а

другое

 — 

в

обратную

сторону

с

удвоенной

частотой

. 

В

обмотках

статора

при

этом

возникают

не

-

четные

гармоники

тока

, 

а

в

обмотке

ротора

 — 

четные

гармоники

тока

прямой

и

обратной

последователь

-

ностей

. 

Образующиеся

гармоники

приводят

к

допол

-

нительному

нагреву

обмоток

, 

снижая

срок

службы

изоляции

.

При

относительно

небольшом

уровне

несим

-

метрии

напряжений

порядка

 1% 

в

обмотках

асин

-

хронного

двигателя

создается

значительная

несим

-

метрия

токов

 (7–9%). 

В

то

же

время

несимметрия

напряжений

и

токи

обратной

последовательности

в

двигателе

снижают

его

располагаемую

мощность

из

-

за

возникновения

противодействующего

враща

-

ющего

момента

, 

что

приводит

к

дополнительному

нагреву

ротора

и

статора

. 

В

случае

достижения

ве

-

личины

значений

уровня

 3,5% 

у

асинхронного

дви

-

гателя

происходит

повышение

температуры

обмоток

до

 25%. 

При

превышении

величины

 5% 

у

асинхрон

-

ного

двигателя

появляется

и

резко

увеличивается

вибрация

. 

Это

приводит

к

необходимости

снижения

момента

на

валу

электродвигателя

до

 20%. 

Пере

-

численные

выше

факторы

приводят

к

существенно

-

му

снижению

КПД

асинхронного

двигателя

и

срока

его

службы

, 

что

может

повлечь

за

собой

негативные

последствия

в

части

технологии

производства

про

-

дукции

: 

недоотпуск

, 

брак

и

вынужденный

простой

оборудования

 [11]. 

Кроме

того

, 

следует

учитывать

, 

что

в

трехфазной

сети

высшие

гармоники

создают

магнитные

поля

различных

последовательностей

. 

Гармоники

, 

кратные

трем

 (

h

 = 3, 6, 9, 12…), 

во

всех

фазах

совпадают

по

углу

и

создают

нулевую

после

-

довательность

. 

Порядок

чередования

фаз

гармоник

h

 = 4, 7, 10, 13… (

h

–1 

делится

на

 3) 

совпадает

с

пря

-

мой

последовательностью

, 

а

h 

= 2, 5, 8, 11… (

h

+1 

де

-

лится

на

 3) — 

с

обратной

 [12].

К

причинам

возникновения

несимметрии

на

рас

-

сматриваемом

объекте

можно

отнести

следующие

факторы

: 

разновременность

включения

однофаз

-

ных

нагрузок

 (

например

, 

двигатели

постоянного

тока

механизмов

не

работают

одновременно

), 

неравно

-

мерность

распределения

однофазных

нагрузок

по

фазам

 (

существует

на

всех

объектах

электроэнерге

-

тики

ввиду

невозможности

абсолютно

равномерного

распределения

), 

разнородность

однофазных

либо

трехфазных

устройств

, 

чьи

внутренние

фазовые

характеристики

вследствие

ряда

причин

являются

несимметричными

 [11]. 

При

появлении

бросков

мощ

-

ности

, 

как

было

описано

выше

, 

в

обмотках

генерато

-

ра

возникают

высшие

гармоники

, 

которые

образуют

поля

различных

последовательностей

. 

Это

обуслав

-

ливает

рост

несимметрии

при

набросах

и

сбросах

нагрузки

.

Согласно

 [4] 

коэффициенты

несимметрии

на

-

пряжений

по

обратной

последовательности

K

2

U

Табл

. 3. 

Результаты

гармонического

анализа

для

основных

технологических

операций

Технологическая

операция

Преобладающие

гармоники

напряжения

K

U

, %

Преобладающие

гармоники

тока

THD

I

, %

Доля

времени

процесса

относительно

всего

времени

мониторинга

, %

Бурение

11, 17, 23

8,26

5, 11, 17

12,34

14,93

Проработка

11, 17, 23

6,27

5, 11, 17

9,40

18,54

Наращивание

7, 11, 17

5,92

3, 5, 11

13,52

8,61

Подъем

инструмента

11, 17, 23

8,33

3, 7, 11

13,85

30,42

Спуск

инструмента

3, 11, 17

4,31

3, 5, 11

10,17

12,85

Промывка

11, 17, 23

6,65

5, 11, 17

13,71

8,40

Геофизические

исследования

11, 17, 23

6,44

5, 11, 17

7,72

6,25

51

и

коэффициенты

несимметрии

напряжений

по

нуле

-

вой

последовательности

K

0

U

не

должны

превышать

2% 

в

течение

 95% 

времени

интервала

в

одну

неделю

и

 4% 

в

течение

 100% 

времени

интервала

в

одну

не

-

делю

, 

соответственно

. 

Коэффициенты

несимметрии

токов

по

обратной

последовательности

K

2

I

и

коэф

-

фициенты

токов

по

нулевой

последовательности

K

0

I

не

нормируются

 [4].

При

расчете

и

анализе

несимметрии

применяется

метод

симметричных

составляющих

. 

В

основе

это

-

го

метода

лежит

разложение

токов

и

напряжений

на

прямую

, 

обратную

и

нулевую

последовательности

. 

С

использованием

этого

метода

рассчитаны

симмет

-

ричные

составляющие

по

прямой

, 

обратной

и

нуле

-

вой

последовательности

фазных

токов

и

напряже

-

ний

, 

а

также

рассчитаны

значения

коэффициентов

несимметрии

. 

На

рисунке

 8 

представлен

пример

получасового

интервала

мониторинга

с

графиками

изменения

коэффициентов

несимметрии

по

обрат

-

ной

и

нулевой

последовательности

и

рассчитанными

усредненными

значениями

коэф

-

фициентов

несимметрии

по

об

-

ратной

и

нулевой

последователь

-

ности

для

токов

и

напряжений

.

Усредненные

значения

коэф

-

фициентов

несимметрии

напряже

-

ний

по

обратной

K

2

U

и

нулевой

K

0

U

последовательностям

рассчиты

-

ваются

по

следующим

формулам

:

 (4)

 (5)

где

N

 — 

количество

наблюдений

; 

K

2

Ui

и

K

0

Ui

 — 

значения

коэффици

-

ентов

несимметрии

напряжений

по

обратной

и

нулевой

последо

-

вательности

в

каждом

i

-

м

наблю

-

дении

, 

которые

рассчитываются

следующим

образом

:

 (6)

 (7)

где

U

1

i

, 

U

2

i

, 

U

0

i

 — 

значения

напря

-

жений

прямой

, 

обратной

и

нуле

-

вой

последовательности

в

каж

-

дом

i

-

м

наблюдении

.

Расчеты

коэффициентов

не

-

симметрии

для

токов

выполняют

-

ся

аналогично

.

Из