Разработка системы компенсации искажений напряжения

Настоящая статья посвящена анализу проблемы провалов напряжения на нефтеперерабатывающих предприятиях ПАО «НК «Роснефть». Проведен анализ комплексных исследований энергоснабжения двух крупных предприятий и имеющихся современных решений проблемы провалов напряжения. По результатам исследований предложена система компенсации перепадов напряжения (СКПН). Показана принципиальная схема СКПН, принцип и режимы ее работы. Обоснована целесообразность применения СКПН на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Промышленные предприятия, в частности нефтеперерабатывающие, имеют сложные технологические процессы, и даже кратковременное нарушение электроснабжения (прерывания, провалы напряжения) отдельных установок может привести к значительным экономическим ущербам (аварийные остановы, после которых происходит длительный запуск технологического процесса). В некоторых случаях, аварийные остановы технологических установок могут быть связаны с вопросами экологии и безопасности персонала.

Основными причинами провалов напряжения на шинах 6–10 кВ распределительного пункта (РП) или трансформаторной подстанции (ТП), обслуживающих технологические установки нефтеперерабатывающих предприятий, являются:

• короткие замыкания (КЗ) в схеме внешнего электроснабжения предприятия (наиболее тяжелые для потребителя электроэнергии аварии);
• короткие замыкания в схеме внутреннего электроснабжения предприятия;
• различного рода коммутации (аварийные или плановые переключения/отключения, прямые пуски мощных электродвигателей и др.).

Короткие замыкания происходят по ряду причин, а именно:

• грозовые перенапряжения;
• износ сетевого (неудовлетворительное состояние изоляции, износ опор линий электропередачи (ЛЭП), неудовлетворительное состояние заземления опор ЛЭП) и подстанционного оборудования;
• прочие причины (гнездование птиц, схлестывание проводов, вандализм, проникновение на энергообъект животных).

В зависимости от места и типа КЗ в электроэнергетической системе (ЭЭС) провалы напряжения также характеризуются определенными параметрами (длительность, глубина). Количество провалов напряжения, фиксируемых на промышленных производствах, может исчисляться десятками (в год) в зависимости от грозового сезона, организации системы электроснабжения, состояния оборудования и др.

Сложность вопроса обеспечения качественного электроснабжения для промышленных предприятий с точки зрения исключения провалов напряжения,
вызванных возмущениями во внешней сети и влияющих на непрерывность технологического процесса у потребителя, заключается в отсутствии в обязательной нормативной документации требований к предельно-допустимым значениям напряжения в точках поставки. Так, нормы технологического проектирования электроснабжения промышленных предприятий [1] устанавливают требования к независимости источников питания и к значениям остаточного напряжения на резервирующем источнике питания при КЗ на резервируемом источнике: «Если значение провала напряжения и его длительность таковы, что вызывают отключение электроприемников на оставшемся источнике питания, то эти источники питания не могут считаться независимыми. Значение остаточного напряжения на резервирующем источнике питания при коротком замыкании на резервируемом источнике питания должно быть не менее 0,7×U_ном».

Однако данные нормы имеют рекомендательный характер и при проектировании ЭЭС и планировании режимов не учитываются.

Таким образом, поставщики электроэнергии не несут ответственности перед потребителями за провалы, кратковременные прерывания напряжения и перенапряжения. В таких условиях потребители должны своими силами обеспечивать необходимое (на свое усмотрение) качество электроэнергии, даже если кратковременные нарушения электроснабжения потребителя происходят по вине сетевых или генерирующих компаний (износ оборудования, оснащение ЛЭП только ступенчатыми релейными защитами, неудовлетворительное состояние трасс ЛЭП, отсутствие мероприятий по ликвидации грозовых перенапряжений).

Здесь следует отметить, что в России, в целом, плотность электрических сетей достаточно низкая и в подавляющем большинстве случаев требования, приведенные в [1], не могут быть выполнены в полном объеме физически.

На сегодняшний день не существует единого (оптимального) решения задачи по обеспечению устойчивости к провалам напряжения потребителей технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий. Решение данной задачи требует комплексного рассмотрения как внешней, так и внутренней системы электроснабжения предприятий, вопросов ответственности технологических установок, чувствительности электрооборудования к провалам напряжения, а также стоимости и эффективности предлагаемых схемотехнических решений. Такие комплексные исследования проводились для двух крупных нефтеперерабатывающих предприятий ПАО «НК «Роснефть» и включали в себя:

• разработку математических моделей для внешней и внутренней систем электроснабжения предприятий;
• исследования установившихся режимов, расчеты динамической устойчивости электродвигателей, анализ независимости источников внешнего электроснабжения;
• определение наиболее ответственного электрооборудования технологических установок;
• разработку и оценку эффективности схемотехнических решений в системе высокого напряжения (внешнее электроснабжение);
• разработку типовых решений для внутренней системы электроснабжения;
• технико-экономический анализ затрат на реализацию схемотехнических решений.

Анализ архивной информации (актов, осциллограмм) и результатов расчетов уровней остаточного напряжения при трехфазных на землю, двухфазных на землю и однофазных на землю коротких замыканиях, ликвидируемых действием основных защит, позволяет сделать вывод о высокой зависимости («электрической близости») источников питания (низкая плотность электрических сетей). На рисунке 1 приведен типовой случай провала напряжения по двум вводам во внутренней системе электроснабжения, вызванного КЗ во внешней сети 35–220 кВ.

В общем случае возможно повышение независимости источников питания [2], но направленные на это действия могут привести к снижению надежности смежных потребителей в ЭЭС, значительным капитальным вложениям для сетевых организаций или самих промышленных предприятий. Кроме того, изменение топологии существующих электрических сетей 110–220 кВ может привести к кратковременному выделению некоторых генераторов электростанций на изолированный энергорайон, что в ряде случаев может спровоцировать полное погашение всего энергорайона (выделение с избытком генерации с последующим срабатыванием автоматов безопасности).

Так, в соответствии с вышесказанным, оборудование блоков автоматического ввода резерва (БАВР), применяемое, в том числе, на исследуемых предприятиях, для ряда происшествий (одновременные провалы напряжения по двум вводам) имеет ограничения в работе, что в свою очередь приводит к отключению некоторых потребителей (подтверждается актами расследований).

Технологические установки НПЗ являются достаточно крупными потребителями электроэнергии (более 8 МВт), причем электроснабжение организовано как на среднем 6/10 кВ, так и на низком 0,4 кВ напряжении. Основными потребителями технологических установок являются электродвигатели — насосы, компрессоры, вентиляторы (мощность отдельных высоковольтных электроприводов может составлять несколько МВт).

Все решения по внедрению дополнительного оборудования, предназначенного для повышения надежности электроснабжения технологических установок, рассматривались на схеме упрощенного типового узла (рисунок 2). Данная схема отражает общую концепцию организации электроснабжения технологических установок НПЗ в части питания установок на двух классах напряжения от двух источников питания, а также основные группы ответственных потребителей.

Следует отметить, что отключения нагрузки на среднем классе напряжения из-за провалов напряжения происходят значительно реже, чем на низком напряжении и, более того, часто отключения низковольтных (вспомогательных) электродвигателей (0,4 кВ) приводят к останову основных высоковольтных агрегатов (6–10 кВ) технологической установки.

В силу специфики технологических процессов нефтеперерабатывающих предприятий кратковременное отключение (минуты) одних потребителей допустимо, а других — нет (срабатывание технологических защит, нарушение технологии и т.д.). На основании данной логики для каждой технологической установки следует формировать перечень особой категории потребителей, останов которых недопустим и требует отдельного внимания. В большинстве случаев суммарная мощность особой категории потребителей 0,4 кВ технологической установки находится в диапазоне 0,2–1 МВт.

На рынке электротехнического оборудования для решения проблем, связанных с провалами напряжения, предлагаются динамические компенсаторы искажений напряжения (ДКИН) и источники бесперебойного питания (ИБП). Данное оборудование предназначено для установки во внутренних сетях электроснабжения НПЗ. Подключение ДКИН или ИБП в схему типового узла обычно осуществляется на ввод каждой секции на напряжение 0,4 кВ или 6/10 кВ. Из особенностей работы оборудования ДКИН следует отметить ограниченность диапазона эффективного действия при провалах напряжения, так, ДКИН не рассчитаны на компенсацию глубоких провалов и прерываний напряжения. В то же время, с точки зрения стоимости оборудования и эксплуатационных затрат, ДКИН имеют преимущества перед ИБП, особенно если требуется учитывать пусковые токи нагрузки на защищаемой секции. В любом случае затраты на реализацию данных технических решений достаточно существенны, поэтому применение того или иного типа оборудования должно подтверждаться технико-экономическим обоснованием (сравнением).

СИСТЕМА КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ (ПЕРЕПАДОВ) НАПРЯЖЕНИЯ

По результатам проведенных исследований было принято решение разработать устройство для компенсации перепадов напряжения в сети 0,4 кВ, которое объединяет функции динамического компенсатора искажений напряжения (ДКИН) и системы накопления энергии (СНЭ) в одном устройстве — системе компенсации искажений (перепадов) напряжения (СКПН). Принципиальная схема СКПН, на которой отражены основные элементы, представлена на рисунке 3.

Схема имеет два плеча:

• через инвертор и вольтодобавочный трансформатор;
• через активный выпрямитель к нагрузке.

Такая схема позволяет обеспечивать режим компенсации и режим автономного питания нагрузки по разным цепям. Для оптимизации массогабаритных характеристик, удобства обслуживания и снижения совокупной стоимости владения оборудованием СКПН в качестве накопителей энергии применяются суперконденсаторы. В то же время под конкретные условия и специфику задач могут применяться аккумуляторные батареи необходимой емкости.

Цепь байпаса организована с целью перевода нагрузки на прямое питание от сети в случаях наладки или необходимости тестовых/диагностических операций в основной части схемы СКПН.

Быстродействующий контактор позволяет производить отключение защищаемых потребителей от питающей сети менее чем за полупериод, тем самым обеспечивая практически безынерционный переход между режимом ожидания (или нормальным режимом) и автономным питанием нагрузки от накопителей.

Вольтодобавочный трансформатор обеспечивает согласование диапазона эффективного регулирования выходного напряжения типового инвертора с необходимым напряжением вольтодобавки, а также обеспечивает гальваническое разделение выходных цепей инвертора и линии электроснабжения, что позволяет суммировать выходное напряжение инвертора и  ЭДС питающей сети. В режиме ожидания через вторичную обмотку трансформатора протекает рабочий ток нагрузки, следовательно, от характеристик трансформатора в большей степени зависит КПД при работе СКПН в данном режиме.

Активный выпрямитель обеспечивает поддержание заряда накопителей энергии в режиме ожидания и компенсации провалов напряжения. В случае прерывания питающего напряжения переводится в режим автономного инвертора и обеспечивает электропитание потребителей от накопителей энергии.

Система автоматики, управления, мониторинга и защиты обеспечивает следующие основные функции при работе СКПН:

• управления работой СКПН в ручном (местном) и автоматическом режимах;
• контроль качества электроэнергии в точке подключения СКПН;
• предотвращение работы СКПН и входящего в него оборудования в недопустимых режимах, длительной работы этого оборудования в граничных режимах и выхода из строя указанного оборудования;
• отображение информации о работе СКПН на собственном дисплее и элементах сигнализации;
• взаимодействия с АСУ ТП верхнего уровня.

Таким образом, СКПН является универсальным решением, позволяющим обеспечить бесперебойную работу ответственных потребителей, при любых видах провалов и прерываниях напряжения. Для СКПН характерны следующие основные режимы работы:

• Компенсация перепадов напряжения (0,5–1,25U_ном без ограничения длительности).
  В режиме компенсации напряжение на активный выпрямитель поступает со стороны нагрузки и является стабилизированным. В данном режиме энергия от накопителей не используется, поэтому техническая возможность устройства компенсировать перепады напряжения в питающей сети определяется не емкостью суперконденсаторов, а характеристиками элементов схемы. Компенсация перепадов напряжения в данном случае осуществляется через вольтодобавочный трансформатор.
• Питание потребителей за счет энергии накопителей (при более значительных провалах или прерываниях напряжения питающей сети).
  В данном режиме активный выпрямитель переходит в режим автономного инвертора и обеспечивает электропитание потребителей от накопителей энергии.

Для проверки функциональности, результатов моделирования и оценки эффективности работы СКПН в реальной электротехнической системе изготовлен макетный образец малой мощности (30 кВА). Внешний вид представлен на рисунке 4.

Испытания макета СКПН проводились в схеме физической модели энергосистемы на цифроаналоговом физическом комплексе (ЦАФК) АО «НТЦ ЕЭС».

Схема максимально приближенной к реальным условиям эксплуатации, физической модели энергосистемы представлена на рисунке 5 и включает:

• два синхронных генератора (Г1 и Г2) со своими блочными трансформаторами, подключаемые в схему через контакторы КГ1 и КГ2 соответственно;
• четыре линии электропередачи;
• трансформатор Т2, предназначенный для внесения гармонических искажений (3‑й гармоники), подключаемый в схему через контактор К2;
• шины бесконечной мощности (ШБМ) с трансформатором Т1, коммутируемые посредством контактора К1;
• асинхронный двигатель (М1), подключаемый контактором КН-1 через трансформатор к шинам Ш2;
• активные и индуктивные нагрузки Н2–Н5, подключаемые контакторами КН2-КН5 через трансформаторы к шинам Ш2;
• автоматику (КЗ_1 и КЗ_2), предназначенную для моделирования коротких замыканий в схеме внешнего и внутреннего электроснабжения;
• измерительные трансформаторы тока (ТТ1, ТТ2) и трансформаторы напряжения (ТН1, ТН2).

Физическая модель оснащена системой измерения режимных параметров (напряжения, тока, мощности, частоты, угла и др.) с погрешностью измерения входной информации не более 0,5%.

Программа испытаний включала в себя 79 опытов, каждому из которых соответствовала своя схема и виды возмущений, в том числе предельные провалы напряжения, отключение питающей сети, пуски асинхронного двигателя и КЗ в сети.

Результаты опытов показали высокую эффективность работы СКПН в различных режимах, даже при самых сложных (предельных) возмущениях в электротехнической системе.

Внедрение оборудования СКПН на промышленных площадках позволит значительно снизить влияние внешних возмущений на потребителей и технологические процессы в целом. СКПН является оптимизированным решением для задач по борьбе с перепадами и кратковременными прерываниями напряжения, при этом в рамках предложенной структуры СКПН за счет выбора необходимых параметров элементов (например, емкости накопителей) возможно решение задач другого профиля.

В настоящее время существует высокая заинтересованность в применении оборудования СКПН со стороны производственных площадок, профильных служб технологов и энергетиков.

На сегодняшний день разработана конструкторская документация, по которой ведется изготовление головных образцов СКПН 200 кВА, опытно-промышленные испытания которых пройдут на одной из площадок ПАО «НК «Роснефть» в реальных условиях. В силу ограниченности места для размещения дополнительного оборудования в существующих помещениях распределительных устройств предполагается реализация решения в контейнерном
исполнении. 

ЛИТЕРАТУРА

1. НТП ЭПП-94. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования, 1-я редакция. URL: http://magtu-epp.narod.ru/literature/Project_electro_supply_NTP.pdf.
2. Козлов А.В. О повышении уровня независимости источников электроснабжения промышленных предприятий // Известия НТЦ ЕЭС, 2018, № 1(78). С. 11–22.