«КАБЕЛЬ-news», № 9, 2010
48
А
варийность электрообору-
дования на нефтегазовых
предприятиях вызывается
в основном особенностью его экс-
плуатации (частные коммутации,
повышенная влажность, высокая
температура, загрязненность,
вибрация и др.), старением изо-
ляции — около 70% электрообо-
рудования на ряде месторожде-
ний исчерпало свой нормативный
ресурс.
Электрические сети предпри-
ятий нефтегазовой отрасли рас-
считаны на рабочее напряжение
0,22—0,38 (НН), 0,5—35 (СН) и
110—220 (ВН) киловольт.
В сетях низкого напряжения
(НН) вследствие нарушений тре-
бований электромагнитной сов-
местимости (ЭМС) повреждается
изоляция не только сильноточно-
го оборудования, например элек-
тродвигателей, но и слаботочно-
го. Так, ЭВМ теряет «логику» уже
при выбросах напряжения с ам-
плитудой около 800 В, а выходит
из строя (как и изоляционная кон-
струкция) при напряжениях около
1100—1200 В. Перенапряжения
в сетях НН могут иметь опасную
для изоляции величину (крат-
ность К>20—50). Эти перенапря-
жения могут возникать по одной
из следующих причин:
• прямые разряды молнии на
воздушные линии (ВЛ) и пере-
ход грозовых волн через транс-
форматоры в сеть НН;
• индуктированные перенапря-
жения, возникающие непо-
средственно в сетях НН, при
ударах молнии вблизи ВЛ или
кабельных линий;
• прямые удары молнии на ли-
нии НН;
• индуктированные перенапря-
жения при межблочных разря-
дах молнии;
• резкие срезы волн при сра-
батываниях разрядников, ус-
тановленных со стороны высо-
кого напряжения трансформа-
торов, и переход волн в обмот-
ку НН, то есть в сеть НН;
• срабатывание предохраните-
лей силовых трансформато-
ров, резкий обрыв тока пер-
вичной обмотки, рассеивание
Çàùèòà ýëåêòðîñåòåé
íåôòåãàçîâûõ
êîìïàíèé
В электрических сетях предприятий нефтегазо-
вой отрасли наблюдается значительная аварийность
электрооборудования, которая в результате приводит
к серьезному ущербу — сокращению объемов добычи
и росту затрат на ремонтно-восстановительные работы.
Фирудин ХАЛИЛОВ,
д.т.н., профессор,
Наталия ШИЛИНА,
с.н.с., СПбГПУ
Актуально
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß
«КАБЕЛЬ-news», № 9, 2010
49
магнитной энергии, запасен-
ной в обмотке, в колебатель-
ном режиме, передача пере-
ходного процесса в обмотку
НН;
• то же, что и в предыдущем
случае, но при резком обрыве
тока с помощью коммутаци-
онных аппаратов (выключате-
лей);
• повторные зажигания дуги
между расходящимися контак-
тами коммутационной аппара-
туры, отключающей емкостную
нагрузку (линии, конденсатор-
ные батареи, ненагруженные
шины и т.д.);
• коммутации отключения и
включения электродвигателей.
Анализ результатов исследо-
ваний показывает, что в сетях НН
амплитуда грозовых перенапря-
жений может доходить до 20 кВ,
а максимальная амплитуда ком-
мутационных перенапряжений в
ряде случаев составляет не ме-
нее 2,0—3,0 кВ.
В мировой практике для глу-
бокого принудительного ограни-
чения перенапряжений, возника-
ющих в сетях НН, чаще всего
применяются либо «грубая защи-
та» (газоразрядные и вентильные
разрядники), обеспечивающая
напряжение на защищаемой изо-
ляции не более (4,0—4,5)U
нф
, где
U
нф
— номинальное фазное на-
пряжение либо «тонкая защита»,
обеспечивающая остающееся на-
пряжение на защищаемой изоля-
ции не более (2,5—3,0)U
нф
(ОПН
или последние совместно с R-C
цепочками, диодами Зенера и
т.д.).
Сети средних классов на-
пряжения (СН) нефтегазовых
предприятий подразделяются на
группы в зависимости от режима
заземления нейтрали, наличия
или отсутствия релейной защиты
от замыкания на землю, уязви-
мости их для грозовых перена-
пряжений, интенсивности потока
перенапряжений независимо от
их происхождения:
• сети питания 6 кВ станков ка-
чалок;
• сети 0,5—3 кВ погружных
электродвигателей электриче-
ских центробежных насосов;
• сети 6 кВ питания электрообо-
рудования буровых установок;
• сети 6 и 10 кВ насосных и ком-
прессорных станций;
• сети 6—35 кВ общего назначе-
ния объектов нефте- и газодо-
бычи.
Опыт эксплуатации показыва-
ет, что из электрооборудования
станков-качалок (трансформатор,
выключатель, кабель, электро-
двигатель) наибольшей аварий-
ностью обладают электродвига-
тели (около 8% от числа установ-
ленных в год). Не менее половины
этих аварий приходится на долю
перенапряжений, что подтверж-
дается результатами исследова-
ния характеристик неограничен-
ных перенапряжений.
Для электродвигателей 0,4 кВ
станков-качалок наиболее часты-
ми являются коммутационные пе-
ренапряжения. Положение усугуб-
ляется еще и тем, что в цепи этих
электрических машин все чаще
устанавливаются вакуумные кон-
такторы. В таблице 1 приведе-
ны значения ожидаемых одно-
годичной (К
1
), десятилетней (К
10
)
и пятидесятилетней (К
50
) крат-
ностей.
Грозовые импульсы в цепи
электродвигателей станков-кача-
лок, опасные для их изоляции, мо-
гут проникать через трансформа-
торы связи 6/0,4 кВ, защищенные
со стороны высокого напряжения
вентильными разрядниками. Для
надежной защиты изоляции элек-
трооборудования 0,4 кВ рекомен-
дуется устанавливать ограничи-
тели перенапряжений на стороне
как 6, так и 0,4 киловольт.
Анализ аварийности электро-
оборудования нефтяных место-
рождений указывает на большую
аварийность погружных электро-
двигателей (ПЭД), которые обе-
спечиваются электроэнергией по
схемам а) и б) рис. 1 с одним
Таблица 1. Характеристики перенапряжений в сетях 0,22—220 кВ
Наименование
U
ном
, кВ
К
1
К
10
К
50
Сети с двигателями
станков-качалок
0,22 (фаза-земля)
7,1
9,7
11
0,4 (фаза-земля)
6,2
8,0
8,2
Сети с погружными
электродви-
гателями
0,5—3
8,5
9,9
10,7
Сети буровых
установок
6 (дуговые)
3,0
3,2
3,4
6
(коммутационные)
3,65
3,9
4,1
6 (ферроре-
зонансные)
4,3
5,3
6,0
Сети насосных и
компрессорных
станций
6 (10) (дуговые)
3,1
3,3
3,5
6 (10)
(коммутационные)
3,8
4,05
6,15
Подстанции
общего назначения
6
2,5—2,8
2,7—3,1
2,9—3,3
10
3,3—3,5
3,7—3,9
4,0—4,1
35
2,8—3,1
3,3—3,5
3,6—3,9
110
1,5—2,3
1,85—2,8
1,75—3,1
220
1,5—2,3
1,85—2,8
1,75—3,1
Трансформаторы
110
1,6—3,9
1,9—4,3
2,1—4,5
220
1,6—3,9
1,9—4,3
2,1—4,5
Актуально
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß
«КАБЕЛЬ-news», № 9, 2010
50
и двумя трансформаторами.
В схеме (а) трансформатор Т
имеет обмотки 6 (10)/U
раб
/0,4,
где U
раб
=500—3000 В, во вто-
рой — трансформаторы Т
1
и Т
2
имеют обмотки 6 (10)/0,4 и 0,4/ U
раб
.
В обеих схемах U
раб
зависит от
глубины скважины.
Средний показатель надежно-
сти грозозащиты ПЭД по схеме
рис. 1а составляет порядка одно-
го года, то есть в течение одного
года грозовые импульсы на изо-
ляции ПЭД будут иметь амплиту-
ду больше уровня их изоляции.
Достаточно большим показате-
лем надежности грозозащиты яв-
ляется схема рис. 1б (более 100
лет), что достигается благодаря
двойному переходу волн через
трансформаторы Т
1
и Т
2
и их зна-
чительному ослаблению. С целью
обеспечения большой эксплуата-
ционной надежности в схеме а)
рис. 1 вентильные разрядники РВ
следует заменить ограничителя-
ми перенапряжений (ОПН). Кроме
того, следует подключать к нача-
лу кабеля К (после выключателя
В
2
— рис. 1а) ОПН, рассчитанный
на напряжение U
раб
.
В схемах электроснабжения
ПЭД перенапряжения при ду-
говых замыканиях на землю не
имеют существенного значения,
так как есть защита, которая
срабатывает при снижении изо-
ляции фаз по отношению к зем-
ле и не допускает повышения
напряжения до линейного. Глав-
ным образом в схемах электро-
снабжения ПЭД возникают ком-
мутационные перенапряжения,
вызванные наличием в цепи ва-
куумных контакторов. В табли-
це 1 приведены статистические
характеристики этих перенапря-
жений, а именно — значения К
1
,
К
10
и К
50
. Эти перенапряжения
представляют опасность для
изоляции погружных электро-
двигателей, так как кратность
допустимых внутренних перенапря-
жений определяется по формуле
К
доп
=(1,6U
ном
+0,8)
3
/(
2
U
ном
)
Актуально
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß
«КАБЕЛЬ-news», № 9, 2010
51
и при U
ном
=U
раб
=500, 1000, 1500,
2000, 2500 и 3500 В составляет
К
доп
=2,8-4,6. Поэтому они должны
быть глубоко ограничены с по-
мощью ОПН, устанавливаемых в
начале кабеля, правее выключа-
телей В
2
(рис. 1).
На рис. 2 приведена упрощен-
ная схема энергоснабжения бу-
ровой установки при напряжении
6 кВ, где ТСН — трансформатор
собственных нужд (400 кВ•А), МВ —
масляный выключатель, ВК
1
—
ВК
4
— вакуумные контакторы (ВК
3
и ВК
4
для выполнения реверса),
Д
1
, Д
2
— электродвигатели буро-
вых насосов (630 кВт), Д
3
— элек-
тродвигатель лебедки (600 кВт).
Анализ схемы грозозащиты бу-
ровой установки (рис. 2) показыва-
ет, что вентильный разрядник РВ
обеспечивает необходимую вели-
чину показателя надежности гро-
зозащиты (около 100 лет) других
видов оборудования. В то же время
показатель надежности грозоза-
щиты всех трех электродвигателей
(около 5 лет) имеет недостаточный
уровень, поэтому электродвигатели
должны быть защищены ограничи-
телями перенапряжений, установ-
ленными за контакторами ВК
1
—ВК
4
в их сторону.
В сети 6 кВ буровых установок
могут быть дуговые, коммутаци-
онные, а в присоединении транс-
форматора собственных нужд —
феррорезонансные перенапряже-
ния. Коммутационные перенапря-
жения имеют большую интенсив-
ность и амплитуду из-за частых
коммутаций электродвигателей
по ходу технологического процес-
са и наличия в присоединениях
электрических машин вакуумных
контакторов.
В табл. 1 приведены характери-
стики К
1
, К
10
и К
50
дуговых, комму-
тационных и феррорезонансных
перенапряжений, возникающих в
сети 6 кВ буровых установок. Со-
поставление данных этой таб-
лицы с уровнем изоляции U
доп
показывает, что для электродви-
гателей наибольшую опасность
Рис. 1. Принципиальные схемы электроснабжения ПЭД
по одному (а) и двум последовательно соединенным
трансформаторам (б)
Рис. 2. Упрощенная схема электроснабжения
буровой установки
представляют дуговые и комму-
тационные перенапряжения. Бла-
годаря сравнительно большому
запасу изоляции трансформатора
собственных нужд (ТСН) пере-
напряжения, в том числе ферро-
резонансные, не представляют
опасности для этого вида силово-
го электрооборудования.
Для нормальной работы элек-
трооборудования требуется при-
нудительное ограничение вну-
тренних перенапряжений. Для
этого можно рекомендовать уста-
новку ограничителей перенапря-
жений на зажимах электродви-
гателей или около их вакуумных
контакторов, а также в ячейке
трансформатора напряжения вза-
мен вентильного разрядника. Пер-
вые ОПН необходимы для защи-
ты изоляции всех трех электро-
двигателей при их коммутациях
и дуговых замыканиях на землю,
вторые — для защиты всего элек-
трооборудования. При работа-
ющих электродвигателях буровой
установки ОПН, расположенные в
их присоединениях, одновремен-
но будут принимать участие в за-
Актуально
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß
«КАБЕЛЬ-news», № 9, 2010
52
щите всего электрооборудования
от грозовых и внутренних перена-
пряжений.
Упрощенная схема электро-
снабжения насосных и компрес-
сорных станций приведена на
рис. 3. В ряде случаев питающие
трансформаторы Т
1
и Т
2
имеют
класс напряжения 110 кВ.
Поскольку сети 6 (10) кВ насо-
сных и компрессорных станций
кабельного исполнения, прямые
удары молнии в эти сети исклю-
чаются. Грозовые волны, прихо-
дящие по линиям 35 (110) кВ в
сети 6 (10) кВ, могут проникнуть
через трансформаторы связи Т
1
и Т
2
. Анализ показал, что послед-
ние, благодаря большой емкости
кабелей сети 6 (10) кВ на землю
и малой межобмоточной емкости
трансформаторов, представляют
небольшую опасность для изоля-
ции электрооборудования, в том
числе электродвигателей.
Результаты анализа аварийно-
сти электроустановок насосных и
компрессорных станций позволя-
ют отметить, что приблизительно
60% повреждений приходится на
электродвигатели, выключате-
ли, силовые трансформаторы и
кабели при воздействии на них
внутренних перенапряжений, воз-
никающих при дуговых замыка-
ниях на землю и при коммутациях
Рис. 3. Упрощенная схема электроснабжения
насосных и компрессорных станций
(главным образом электродви-
гателей). Значения К
1
, К
10
и К
50
в
сетях 6 (10) кВ насосных и ком-
прессорных станций приведены в
табл. 1. В этом случае также тре-
буется глубокое принудительное
ограничение перенапряжений на
изоляции электрооборудования в
первую очередь электродвигате-
лей.
Характеристики показателя
надежности грозозащиты под-
станций 6—220 кВ общего назна-
чения приведены в табл. 2.
Как показывает анализ дан-
ных опыта эксплуатации, этот по-
казатель на 30—50% меньше тре-
буемого.
Значения К
1
, К
10
и К
50
для
этих же подстанций при внутрен-
них перенапряжениях сведены в
табл. 1. Перенапряжения для изо-
ляции подстанций 6—220 кВ так-
же в ряде случаев представляют
значительную опасность.
Сегодня основная часть элек-
трооборудования различных мес-
торождений нефти и газа Рос-
сийской Федерации и других
стран СНГ проработала более
25—30 лет и исчерпала свой ре-
сурс. Во многих случаях показа-
тели надежности грозозащиты
от внутренних перенапряжений
значительно меньше требуемых
эксплуатацией. Поэтому должна
быть усовершенствована систе-
ма защиты сетей 0,4—220 кВ.
Эта проблема может быть ча-
стично решена путем замены
вентильных разрядников на не-
линейные ограничители перена-
пряжений.
Таблица 2. Показатель
надежности грозозащиты
подстанций
U
ном,
кВ
Показатель надежности
грозозащиты
6
120
10
150
35
200—300
110
300—400
220
400—600
Актуально
ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈß ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß
Оригинал статьи: Защита электросетей нефтегазовых компаний
В электрических сетях предприятий нефтегазовой отрасли наблюдается значительная аварийность электрооборудования, которая в результате приводит к серьезному ущербу — сокращению объемов добычи и росту затрат на ремонтно-восстановительные работы.
