Защита электросетей нефтегазовых компаний

Page 1
background image

Page 2
background image

«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


Page 3
background image

«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

(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


Page 4
background image

«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

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


Page 5
background image

«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


Page 6
background image

«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


Читать онлайн

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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»