Разработка системы компенсации искажений напряжения




Page 1


background image







Page 2


background image

78

качество электроэнергии

Разработка системы 

компенсации искажений 

напряжения

Настоящая

 

статья

 

посвящена

 

анализу

 

проблемы

 

провалов

 

напряжения

 

на

 

нефте

 

перерабатывающих

 

предприятиях

 

ПАО

 «

НК

 «

Роснефть

». 

Проведен

 

ана

лиз

 

комплексных

 

исследований

 

энергоснабжения

 

двух

 

крупных

 

предприятий

 

и

 

имеющихся

 

современных

 

решений

 

проблемы

 

провалов

 

напряжения

По

 

ре

зультатам

 

исследований

 

предложена

 

система

 

компенсации

 

перепадов

 

напря

жения

 (

СКПН

). 

Показана

 

принципиальная

 

схема

 

СКПН

принцип

 

и

 

режимы

 

ее

 

работы

Обоснована

 

целесообразность

 

применения

 

СКПН

 

на

 

нефтеперерабаты

вающих

 

предприятиях

.

Ключарев

 

Д

.

В

., 

менеджер Управления 
сетевыми активами 
Департамента энергетики 
ПАО «НК «Роснефть»

Швыров

 

И

.

В

.,

к.т.н., эксперт 
направления 
ООО «Прикладной 
инженерный и учебный 
Центр «Сапфир»

Князев

 

Л

.

А

.,

заместитель генераль-
ного директора 
ООО «Прикладной 
инженерный и учебный 
Центр «Сапфир»

П

ромышленные предпри-
ятия, в частности нефте-
п е р е р а б а т ы в а ю щ и е, 
имеют  сложные  техно-

логические процессы, и даже крат-
ковременное  нарушение  элек-
троснабжения (прерывания, про-
валы  напряжения)  отдельных 
установок может привести к зна-
чительным экономическим ущер-
бам (аварийные остановы, после 
которых  происходит  длительный 
запуск  технологического  про-
цесса).  В  некоторых  случаях, 
аварийные  остановы  технологи-
ческих установок могут быть свя-
заны с вопросами экологии и без-
опасности персонала.

Основными  причинами  прова-

лов напряжения на шинах 6–10 кВ 
распределительного  пункта  (РП) 
или  трансформаторной  подстан-
ции  (ТП),  обслуживающих  техно-
логические  установки  нефтепе-
рерабатывающих  предприятий, 
являются:

 

– короткие замыкания (КЗ) в схе-

ме  внешнего  электроснабже-
ния  предприятия  (наиболее 
тяжелые 

для 

потребителя 

электроэнергии аварии);

 

– короткие  замыкания  в  схеме 

внутреннего 

электроснабже-

ния предприятия;

 

– различного  рода  коммутации 

(аварийные 

или 

плановые 

переключения/отключения, 
прямые пуски мощных электро-
двигателей и др.). 
Короткие  замыкания  происхо-

дят по ряду причин, а именно: 

 

– грозовые перенапряжения;

 

– износ сетевого (неудовлетвори-

тельное  состояние  изоляции, 
износ  опор  линий  электропе-
редачи  (ЛЭП),  неудовлетвори-
тельное 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  сис-
теме  (ЭЭС)  провалы  напряжения 
также  характеризуются  опреде-
ленными  параметрами  (длитель-
ность,  глубина).  Количество  про-
валов  напряжения,  фиксируемых 
на промышленных производствах, 
может  исчисляться  десятками 
(в  год)  в  зависимости  от  грозово-
го  сезона,  организации  системы 
электроснабжения, 

состояния 

оборудования и др.

Сложность  вопроса  обеспе-

чения  качественного  электро-
снабжения  для  промышленных 
предприятий  с  точки  зрения  ис-
ключения  провалов  напряжения, 
вызванных 

возмущениями 

во 

внешней сети и влияющих на не-
прерывность 

технологического 

процесса у потребителя, заключа-
ется в отсутствии в обязательной 
нормативной  документации  тре-
бований к предельно-допустимым 
значениям  напряжения  в  точках 
поставки.  Так,  нормы  техноло-
гического  проектирования  элек-
троснабжения 

промышленных 

предприятий  [1]  устанавливают 
требования  к  независимости  ис-







Page 3


background image

79

точников  питания  и  к  значениям 
остаточного напряжения на резер-
вирующем источнике питания при 
КЗ  на  резервируемом  источнике: 
«Если  значение  провала  напря-
жения и его длительность таковы, 
что  вызывают  отключение  элек-
троприемников на оставшемся ис-
точнике питания, то эти источники 
питания не могут считаться неза-
висимыми.  Значение  остаточного 
напряжения  на  резервирующем 
источнике  питания  при  коротком 
замыкании на резервируемом ис-
точнике  питания  должно  быть  не 
менее 0,7×

U

ном

». 

Однако  данные  нормы  имеют 

рекомендательный характер и при 
проектировании  ЭЭС  и  планиро-
вании режимов не учитываются. 

Таким  образом,  поставщики 

электроэнергии  не  несут  ответ-
ственности  перед  потребителя-
ми за провалы, кратковременные 
прерывания  напряжения  и  пере-
напряжения. В таких условиях по-
требители должны своими силами 
обеспечивать  необходимое  (на 
свое  усмотрение)  качество  элек-
троэнергии, даже если кратковре-
менные  нарушения  электроснаб-
жения потребителя происходят по 
вине  сетевых  или  генерирующих 
компаний  (износ  оборудования, 
оснащение  ЛЭП  только  ступен-
чатыми  релейными  защитами, 
неудовлетворительное  состояние 
трасс ЛЭП, отсутствие мероприя-
тий по ликвидации грозовых пере-
напряжений). 

Здесь  следует  отметить,  что 

в  России,  в  целом,  плотность 
электрических  сетей  достаточно 
низкая  и  в  подавляющем  боль-
шинстве случаев требования, при-
веденные в [1], не могут быть вы-
полнены  в  полном  объеме  физи-
чески.

На  сегодняшний  день  не  су-

ществует  единого  (оптимального) 
решения  задачи  по  обеспечению 
устойчивости  к  провалам  напря-
жения  потребителей  технологи-
ческих установок нефтеперераба-
тывающих предприятий. Решение 
данной задачи требует комплекс-
ного  рассмотрения  как  внеш-
ней,  так  и  внутренней  системы 
электроснабжения  предприятий, 
вопросов  ответственности  техно-
логических  установок,  чувстви-
тельности  электрооборудования 

Рис

. 1. 

Глубина

 

провала

 

напряжения

 

на

 

разных

 

секциях

 6 

кВ

 

одной

 

ТП

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

U

, о.е.

t

, c

0

1

2

3

0,5

1,5

2,5

3,5

4

Напряжение на 1 секции 
6 кВ ТП 6/0,4 кВ

Напряжение на 2 секции 
6 кВ ТП 6/0,4 кВ

к  провалам  напряжения,  а  так-
же  стоимости  и  эффективности 
предлагаемых  схемотехнических 
решений.  Такие  комплексные  ис-
следования проводились для двух 
крупных 

нефтеперерабатываю-

щих предприятий ПАО «НК «Рос-
нефть» и включали в себя:

 

– разработку  математических 

моделей  для  внешней  и  внут-
ренней систем электроснабже-
ния предприятий;

 

– исследования  установившихся 

режимов,  расчеты  динамиче-
ской устойчивости электродви-
гателей, анализ независимости 
источников  внешнего  электро-
снабжения;

 

– определение  наиболее  ответ-

ственного  электрооборудова-
ния  технологических  устано-
вок;

 

– разработку  и  оценку  эффек-

тивности 

схемотехнических 

решений  в  системе  высокого 
напряжения (внешнее электро-
снабжение);

 

– разработку  типовых  решений 

для внутренней системы элек-
троснабжения;

 

– технико-экономический анализ 

затрат  на  реализацию  схемо-
технических решений.
Анализ  архивной  информации 

(актов,  осциллограмм)  и  резуль-
татов  расчетов  уровней  остаточ-
ного напряжения при трехфазных 
на  землю,  двухфазных  на  землю 
и  однофазных  на  землю  корот-
ких  замыканиях,  ликвидируемых 
действием  основных  защит,  поз-
воляет  сделать  вывод  о  высокой 

зависимости 

(«электрической 

близости»)  источников  питания 
(низкая  плотность  электрических 
сетей).  На  рисунке  1  приведен 
типовой случай провала напряже-
ния  по  двум  вводам  во  внутрен-
ней  системе  электроснабжения, 
вызванного  КЗ  во  внешней  сети 
35–220 кВ.

В общем случае возможно по-

вышение независимости источни-
ков питания [2], но направленные 
на  это  действия  могут  привести 
к снижению надежности смежных 
потребителей  в  ЭЭС,  значитель-
ным капитальным вложениям для 
сетевых  организаций  или  самих 
промышленных 

предприятий. 

Кроме  того,  изменение  тополо-
гии  существующих  электрических 
сетей 110–220 кВ может привести 
к  кратковременному  выделению 
некоторых  генераторов  электро-
станций  на  изолированный  энер-
горайон,  что  в  ряде  случаев 
может  спровоцировать  полное 
погашение  всего  энергорайона 
(выделение с избытком генерации 
с  последующим  срабатыванием 
автоматов безопасности). 

Так,  в  соответствии  с  выше-

сказанным,  оборудование  блоков 
автоматического  ввода  резерва 
(БАВР),  применяемое,  в  том  чис-
ле,  на  исследуемых  предприяти-
ях, для ряда происшествий (одно-
временные  провалы  напряжения 
по двум вводам) имеет ограниче-
ния в работе, что в свою очередь 
приводит  к  отключению  некото-
рых потребителей (подтверждает-
ся актами расследований).

 5 (68) 2021







Page 4


background image

80

Технологические 

установки 

НПЗ  являются  достаточно  круп-
ными  потребителями  электро-
энергии  (более  8  МВт),  причем 
электроснабжение  организовано 
как  на  среднем  6/10  кВ,  так  и  на 
низком  0,4  кВ  напряжении.  Ос-
новными  потребителями  техно-
логических  установок  являются 
электродвигатели 

— 

насосы, 

компрессоры, вентиляторы (мощ-
ность  отдельных  высоковольтных 
электроприводов  может  состав-
лять несколько МВт).

Все  решения  по  внедрению 

дополнительного  оборудования, 
предназначенного  для  повыше-
ния  надежности  электроснабже-
ния  технологических  установок, 
рассматривались  на  схеме  упро-
щенного  типового  узла  (рису-
нок  2).  Данная  схема  отражает 
общую  концепцию  организации 
электроснабжения  технологиче-
ских  установок  НПЗ  в  части  пи-
тания  установок  на  двух  классах 
напряжения  от  двух  источников 
питания, а также основные группы 
ответственных потребителей. 

Следует  отметить,  что  отклю-

чения нагрузки на среднем классе 
напряжения  из-за  провалов  на-
пряжения происходят значительно 
реже,  чем  на  низком  напряжении 
и,  более  того,  часто  отключения 
низковольтных (вспомогательных) 
электродвигателей (0,4 кВ) приво-
дят  к  останову  основных  высоко-
вольтных агрегатов (6–10 кВ) тех-
нологической установки.

В  силу  специфики  технологи-

ческих  процессов  нефтеперера-
батывающих предприятий кратко-
временное  отключение  (минуты) 
одних  потребителей  допустимо, 
а  других  —  нет  (срабатывание 
технологических  защит,  наруше-
ние  технологии  и  т.д.).  На  осно-
вании  данной  логики  для  каж-
дой  технологической  установки 
следует  формировать  перечень 
особой  категории  потребителей, 
останов 

которых 

недопустим 

и  требует  отдельного  внимания. 
В  большинстве  случаев  суммар-
ная  мощность  особой  категории 
потребителей 0,4 кВ технологиче-
ской  установки  находится  в  диа-
пазоне 0,2–1 МВт. 

На  рынке  электротехническо-

го  оборудования  для  решения 
проблем, связанных с провалами 

Рис

. 2. 

Унифицированный

 

типовой

 

узел

ПН

 — 

печные

 

насосы

СН

 — 

сырье

вые

 

насосы

Д

 — 

дымососы

КО

 — 

компрессорное

 

оборудование

ВЭ

 — 

вспо

могательные

 

электродвигатели

Н

 — 

остальная

 

нагрузка

 

напряжения,  предлагаются  ди-
намические  компенсаторы  иска-
жений  напряжения  (ДКИН)  и  ис-
точники бесперебойного питания 
(ИБП).  Данное  оборудование 
предназначено для установки во 
внутренних  сетях  электроснаб-
жения  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  особенно-
стей работы оборудования ДКИН 
следует  отметить  ограничен-
ность  диапазона  эффективного 
действия при провалах напряже-
ния, так, ДКИН не рассчитаны на 
компенсацию  глубоких  провалов 
и  прерываний  напряжения.  В  то 
же  время,  с  точки  зрения  стои-
мости  оборудования  и  эксплуа-
тационных  затрат,  ДКИН  имеют 
преимущества  перед  ИБП,  осо-
бенно если требуется учитывать 
пусковые токи нагрузки на защи-
щаемой секции. В любом случае 

затраты  на  реализацию  данных 
технических  решений  достаточ-
но существенны, поэтому приме-
нение того или иного типа обору-
дования должно подтверждаться 
технико-экономическим  обосно-
ванием (сравнением).

СИСТЕМА

 

КОМПЕНСАЦИИ

 

ИСКАЖЕНИЙ

 (

ПЕРЕПАДОВ

НАПРЯЖЕНИЯ

По  результатам  проведенных  ис-
следований  было  принято  реше-
ние  разработать  устройство  для 
компенсации перепадов напряже-
ния в сети 0,4 кВ, которое объеди-
няет функции динамического ком-
пенсатора искажений напряжения 
(ДКИН)  и  системы  накопления 
энергии  (СНЭ)  в  одном  устрой-
стве  —  системе  компенсации  ис-
кажений  (перепадов)  напряжения 
(СКПН).  Принципиальная  схема 
СКПН,  на  которой  отражены  ос-
новные  элементы,  представлена 
на рисунке 3.

Рис

. 3. 

Принципиальная

 

схема

 

СКПН

Вольтодобавочный 

трансформатор

Быстродействующий 

контактор

Инвертор

Питающая

сеть

Панель 

оператора

Датчики

САУМЗ

СУ ПЧ

СУ СК

Коммута-

ционное 

устройство

Активный 

выпрямитель

Накопитель

энергии

К потребителю

Байпас

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ







Page 5


background image

81

Схема имеет два плеча:

 

– через  инвертор  и  вольтодоба-

вочный трансформатор;

 

– через  активный  выпрямитель 

к нагрузке.
Такая  схема  позволяет  обес-

печивать  режим  компенсации 
и  режим  автономного  питания 
нагрузки  по  разным  цепям.  Для 
оптимизации  массогабаритных 
характеристик,  удобства  обслу-
живания  и  снижения  совокупной 
стоимости  владения  оборудова-
нием СКПН в качестве накопите-
лей энергии применяются супер-
конденсаторы. В то же время под 
конкретные условия и специфику 
задач могут применяться аккуму-
ляторные  батареи  необходимой 
емкости.

Цепь  байпаса  организована 

с  целью  перевода  нагрузки  на 
прямое питание от сети в случа-
ях  наладки  или  необходимости 
тес товых/диагностических  опе-
раций  в  основной  части  схемы 
СКПН.

Быстродействующий 

контак-

тор позволяет производить отклю-
чение  защищаемых  потребите-
лей от питающей сети менее чем
за  полупериод,  тем  самым  обес-
печивая  практически
безынерционный  пере-
ход  между  режимом 
ожидания (или нормаль-
ным  режимом)  и  авто-
номным  питанием  на-
грузки от накопителей.

Вольтодобавочный 

трансформатор  обеспе-
чивает согласование ди-
апазона  эффективного 
регулирования выходно-
го  напряжения  типового 
инвертора  с  необходи-
мым напряжением воль-
тодобавки, а также обес-
печивает  гальваничес-
кое  разделение  выход-
ных  цепей  инвертора
и  линии  электроснабже-
ния, что позволяет сумми-
ровать  выходное  напря-
жение  инвертора  и  ЭДС
питающей  сети.  В  режи-
ме  ожидания  через  вто-
ричную  обмотку  транс-
форматора  протекает 
рабочий  ток  нагрузки, 
следовательно, от харак-
теристик  трансформа-

тора  в  большей  степени  зависит
КПД  при  работе  СКПН  в  данном 
режиме.

Активный  выпрямитель  обес-

печивает  поддержание  заряда 
накопителей  энергии  в  режиме 
ожидания  и  компенсации  прова-
лов  напряжения.  В  случае  пре-
рывания  питающего  напряжения 
переводится  в  режим  автоном-
ного  инвертора  и  обеспечивает 
электропитание потребителей от 
накопителей энергии.

Система  автоматики,  управ-

ления,  мониторинга  и  защиты 
обеспечивает следующие основ-
ные функции при работе СКПН:

 

– управления  работой  СКПН 

в  ручном  (местном)  и  автома-
тическом режимах;

 

– контроль  качества  электро-

энергии  в  точке  подключения 
СКПН;

 

– предотвращение работы СКПН 

и  входящего  в  него  оборудо-
вания  в  недопустимых  режи-
мах,  длительной  работы  этого 
оборудования  в  граничных 
режимах  и  выхода  из  строя 
указанного оборудования;

 

– отображение 

информации 

о работе СКПН на собственном 

дисплее  и  элементах  сигнали-
зации;

 

– взаимодействия с АСУ ТП верх-

него уровня.
Таким  образом,  СКПН  явля-

ется  универсальным  решением, 
позволяющим  обеспечить  беспе-
ребойную  работу  ответственных 
потребителей,  при  любых  видах 
провалов  и  прерываниях  напря-
жения.  Для  СКПН  характерны 
следующие основные режимы ра-
боты:
•  Компенсация  перепадов  на-

пряжения  (0,5–1,25

U

ном

  без 

ограничения  длительнос ти). 
В  режиме  компенсации  на-
пряжение на активный выпря-
митель поступает со стороны 
нагрузки и является стабили-
зированным. В данном режи-
ме  энергия  от  накопителей 
не  используется,  поэтому 
техническая 

возможность 

устройства  компенсировать 
перепады  напряжения  в  пи-
тающей  сети  определяется 
не  емкостью  суперконденса-
торов,  а  характеристиками 
элементов схемы. Компенса-
ция  перепадов  напряжения 
в  данном  случае  осущест-

вляется  через  воль-
тодобавочный  транс-
форматор. 
•  Питание  потреби-
телей  за  счет  энер-
гии  накопителей  (при 
более  значительных 
провалах  или  пре-
рываниях 

напряже-

ния  питающей  сети). 
В  данном  режиме  ак-
тивный  выпрямитель 
переходит  в  режим 
автономного 

инвер-

тора  и  обеспечивает 
электропитание 

по-

требителей от накопи-
телей энергии.

Для проверки функ-

циональности,  резуль-
татов  моделирования 
и  оценки  эффектив-
ности  работы  СКПН 
в  реальной  электро-
технической  системе 
изготовлен  макетный 
образец  малой  мощ-
ности  (30  кВА).  Внеш-
ний  вид  представлен 
на рисунке 4.

Рис

. 4. 

Макет

 

СКПН

 5 (68) 2021







Page 6


background image

82

Испытания  макета  СКПН  про-

водились  в  схеме  физической 
модели энергосистемы на цифро-
аналоговом физическом комплек-
се (ЦАФК) АО «НТЦ ЕЭС».

Схема  максимально  прибли-

женной  к  реальным  условиям 
эксплуатации, физической моде-
ли  энергосистемы  представлена 
на рисунке 5 и включает:

 

– два  синхронных  генератора 

(Г1 и Г2) со своими блочными 
трансформаторами, 

под-

ключаемые  в  схему  через 
контакторы  КГ1  и  КГ2  соот-
ветственно;

 

– четыре  линии  электропере-

дачи;

 

– трансформатор Т2, предназна-

ченный для внесения гармони-
ческих  искажений  (3-й  гармо-
ники),  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  моде-
лирования  коротких  замыка-
ний  в  схеме  внешнего  и  внут-
реннего электроснабжения;

 

– измерительные  трансформа-

торы  тока  (ТТ1,  ТТ2)  и  транс-
форматоры  напряжения  (ТН1, 
ТН2). 
Физическая  модель  оснаще-

на  системой  измерения  режим-
ных  параметров  (напряжения, 
тока,  мощности,  частоты,  угла 
и  др.)  с  погрешностью  измере-
ния входной информации не бо-
лее 0,5%.

Программа  испытаний  вклю-

чала  в  себя  79  опытов,  каждому 
из которых соответствовала своя 
схема и виды возмущений, в том 
числе  предельные  провалы  на-
пряжения, отключение питающей 
сети,  пуски  асинхронного  двига-
теля и КЗ в сети.

Результаты  опытов  показали 

высокую  эффективность  рабо-
ты  СКПН  в  различных  режимах, 
даже  при  самых  сложных  (пре-
дельных)  возмущениях  в  элек-
тротехнической системе. 

Вн е д р е ни е  о б о рудо в ани я 

СКПН  на  промышленных  пло-
щадках  позволит  значительно 
снизить  влияние  внешних  воз-
мущений на потребителей и тех-

нологические процессы в целом. 
СКПН  является  оптимизирован-
ным  решением  для  задач  по 
борьбе  с  перепадами  и  кратко-
временными  прерываниями  на-
пряжения,  при  этом  в  рамках 
предложенной  структуры  СКПН 
за счет выбора необходимых па-
раметров  элементов  (например, 
емкости  накопителей)  возмож-
но  решение  задач  другого  про-
 филя.

В настоящее время существу-

ет  высокая  заинтересованность 
в  применении  оборудования 
СКПН  со  стороны  производ-
ственных  площадок,  профиль-
ных служб технологов и энерге-
тиков. 

На  сегодняшний  день  раз-

работана  конструкторская  до-
кументация,  по  которой  ведется 
изготовление  головных  образ-
цов  СКПН  200  кВА,  опытно-про-
мышленные  испытания  которых 
пройдут  на  одной  из  площадок 
ПАО  «НК  «Роснефть»  в  реаль-
ных условиях. В силу ограничен-
ности  места  для  размещения 
дополнительного  оборудования 
в  существующих  помещениях 
распределительных  устройств 
предполагается  реализация  ре-
шения в контейнерном исполне-
нии.  

Рис

. 5. 

Схема

 

испытательного

 

стенда

ЛИТЕРАТУРА
1.  НТП ЭПП-94. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. Нормы технологического проектиро-

вания, 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 // Из-

вестия НТЦ ЕЭС, 2018, № 1(78). С. 11–22.

КАЧЕСТВО 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ



Читать онлайн

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×Uном».

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.

Рис. 1. Глубина провала напряжения на разных секциях 6 кВ одной ТП

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.

Рис. 2. Унифицированный типовой узел: ПН — печные насосы, СН — сырьевые насосы, Д — дымососы, КО — компрессорное оборудование, ВЭ — вспомогательные электродвигатели, Н — остальная нагрузка

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.

Рис. 3. Принципиальная схема СКПН

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 (0,5–1,25Uном 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.
Рис. 4. Макет СКПН

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).
Рис. 5. Схема испытательного стенда

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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 2(71), март-апрель 2022

О предельных значениях отклонения частоты напряжения генерирующих установок ТЭЦ и гистограммах ее распределения

Учет электроэнергии / Тарифообразование / Качество электроэнергии
Тукшаитов Р.Х. Семенова О.Д. Иванова В.Р.
Спецвыпуск «Россети» № 1(24), март 2022

Эффективность различных мероприятий по повышению качества электрической энергии

Учет электроэнергии / Тарифообразование / Качество электроэнергии
Тимур Данник, Виктория Дубровская (АО «Россети Тюмень» Сургутские электрические сети)