Анализ главных параметров электросети при аварийных режимах на нефтяных предприятиях и использование средств автоматического включения резерва



Анализ главных параметров электросети при аварийных режимах внефтяных предприятиях ииспользование средств автоматического включения резерва

Миниахметов Альмир Анфирович, заместитель директора, учитель физики, информатики и ИКТ

МБОУ СОШ № 1 с. Аскино Республики Башкортостан

Абдуллин Салават Айдарович, студент

Уфимский государственный авиационный технический университет

В статье рассмотрены основные параметры электрической сети для случая аварийных ситуаций на нефтеперерабатывающих предприятиях. Приведена схема короткого замыкания и срабатывания устройства автоматического ввода резерва, схема замещения для проведения расчета токов короткого замыкания. Предложены основные физико-технические зависимости для расчета токов короткого замыкания. Проанализированы технические характеристики устройств автоматического ввода резерва, устройств релейной защиты и автоматики. Показаны физические расчеты основных параметров электросети для устройства автоматического включения резерва на примере подстанции нефтеперерабатывающего завода Республики Башкортостан с одинарным токоограничивающим реактором. Рекомендован метод выбора устройства релейной защиты и автоматики на основе проведенных расчетов коэффициента чувствительности отсечки и удовлетворения техническим требованиям чувствительности. Приведенные расчеты позволяют создавать и внедрять новые инновационные устройства автоматического ввода резерва с достижением времени переключения из аварийного режима меньше секунды.

Ключевые слова: энергетика, электроснабжение, релейная защита, автоматика, одностороннее питание, автоматическое включение резерва, короткое замыкание, нефтедобыча, коэффициент чувствительности отсечки

Analysis of the basic parameters of electrical network at operating emergency conditions in petroleum companies and the use of resources of automatic circuit-breaker

Miniakhmetov Almir Anfirovich, headmaster’s assistant, teacher of physics, computer science and information technologies

Askino Secondary School № 1, Republic of Bashkortostan

Abdullin Salavat Aidarovich, student

Ufa State Aviation Technical University

The article considers the basic parameters of electrical network in case of operating emergency conditions at refining ventures. Provided a short circuit diagram, automatic circuit-breaker application response, and equivalent circuit for short circuit current analysis. Suggested basic physicotechnical characteristic curves for short circuit current analysis. Analysed technical characteristics of automatic circuit-breaker application, relay protection and automatic equipment application. Shown physical calculations of the basic parameters of electric network for automatic circuit-breaker application in terms of electric power substation of a refining venture of the Republic of Bashkortostan with a unitary electric line reactor. Recommended an approach of choice of relay protection and automatic equipment application on the basis of a shut-down sensitivity factor and the observation of technical requirements of sensitivity. The calculations are provided in order to create and introduce innovative automatic circuit-breaker applications with operating emergency conditions switch-over time less that a second.

Key words: energetics, electric supply, relay protection, automatic equipment, single power supply, automatic circuit-breaker, short circuit, oil recovery, shut-down sensitivity factor

1. Надежность электроснабжения, в основном, зависит от отсутствия короткого замыкания в схемах внутреннего и внешнего конструкций приборов и оборудований. Из-за большого уровня износа электрооборудования, число коротких замыканий, обусловливающих провалы напряжения, возрастает с каждым годом. В такой ситуации решение проблемы надежности электроснабжения возлагается только на самих потребителей электроэнергии [1].

Последнее наиболее актуально для предприятий со сложными технологическими процессами и средствами автоматизации. Например, предприятия по добыче и переработке нефти, газа, предприятия водоснабжения, водоотвода и другие.

С другой стороны, для работы высоковольтных электродвигателей, низковольтных электродвигателей приводов насосов, устройств управления элементами технологических процессов этих предприятий, сильное влияние оказывают провалы питающего напряжения [2], которые могут длиться лишь несколько секунд. Такие провалы питающего напряжения происходят несколько десятков раз в год и приводят к большим ущербам, несмотря на то, что они длятся считанные секунды.

Конечно, чтобы обеспечить высокую степень надежности электроснабжения потребителей, используют схемы питания одновременно от двух и более источников (например, линий, трансформаторов), поскольку аварийное отключение одного из них уже не приведет к исчезновению напряжения на выводах электрических приемников.

Однако, несмотря на эти очевидные преимущества многостороннего питания потребителей, огромное число подстанций, имеющих два и более источника питания, работают по схеме одностороннего питания [3]. Подобным способом питаются также секции собственных нужд электростанций, так как эта схема является менее надежной, но более простой схемой электроснабжения.

В то же время, согласно [4], указанная схема позволяет снижать токи короткого замыкания, уменьшить потери электроэнергии в питающих трансформаторах, для более простой релейной защиты, создания необходимого режима по напряжению перетокам мощности.

При развитии электрической сети, одностороннее питание часто является единственно возможным, так как ранее установленное оборудование и релейная защита не позволяют осуществить параллельную работу источников питания.

Недостатком одностороннего питания является то, что аварийное отключение рабочего источника приводит к прекращению питания потребителей. В основном, такой недостаток устраняют путем быстрого автоматического включения резервного источника, или включением выключателя, на котором осуществлено деление сети. Для выполнения этой операции широко используют специальное устройство автоматического включения резерва (далее АВР) [5], особенно в предприятиях как нефтеперерабатывающие заводы.

2. Постановка цели. В связи с этим, целью данной работы является выявление и анализ различных способов повышения надежности электроснабжения с использованием средств автоматического включения резерва на примере нефтеперерабатывающего предприятия Республики Башкортостан.

Актуальность статьи состоит в том, что проведен анализ работы устройства автоматического включения резерва с выявлением преимуществ и недостатков с целью обеспечения надежного и непрерывного электроснабжения потребителей.

Научная новизна исследования состоит в том, что выявлены причины провалов напряжения и перерыва питания, вызывающие потерю устойчивости электроснабжения, нарушения технологического процесса, а также расчетные приемы по их устранению.

3. Краткая теория. На нефтеперерабатывающих заводах, создающих продукцию с высокой, добавочной стоимостью, с непрерывным многоэтапным процессом производства, нарушение технологического процесса [6] может нанести существенный экономический ущерб.

Особенности переработки нефтепродуктов обусловливают территориальную разобщенность технологических установок, большую протяженность питающих сетей (напряжение 35, 110, 220 кВ), разветвленную сеть (напряжение 6 кВ), и, как следствие, высокую вероятность повреждений, что влечет за собой посадки напряжения во всей сети электроснабжения предприятия.

Поэтому, опираясь на [7], можно сказать, что для сохранения технологического процесса, перерыв питания систем управления не должен превышать время ~ 0,1–0,4 с.

Одним из способов повышения надежности электроснабжения ответственных отраслей, получающих электропитание от двух независимых источников, как раз и является использование средств АВР.

Основными недостатками существующих устройств АВР являются: (1) работа только при трехфазных коротких замыканиях; (2) отказы в срабатывании для сложных систем электроснабжения нефтедобычи с несколькими подстанциями; (3) довольно большое время работы устройств во время аварий.

Анализируя приведенные недостатки можно сказать, что главная задача повышения надежности работы схемы электроснабжения нефтеперерабатывающего предприятия, является определение технической возможности применения автоматического быстродействующего устройства включения резервного источника питания. А также, выявление допустимости возможных режимов переключений, определяемой статусом питающей сети.

Даже в современных электромеханических устройствах автоматического включения резервного питания [8], время цикла переключения достигает ~ 3–5 с, а переходные процессы могут затягиваться больше 10 с. При этом, действие устройства АВР не может обеспечить полноценные условия для самозапуска всех электродвигателей. Это может привести к нарушению текущего технологического процесса.

Если же применять устройства АВР второго поколения с быстродействующими микропроцессорными пусковыми органами [9], то можно обеспечить переключение за время меньшее, чем 0,1 с. Однако, внедрение таких устройств, требует установки быстродействующих выключателей и защит, что резко повлияет на себестоимость и окупаемость.

С другой стороны, суммарная мощность самозапускаемых электродвигателей не может превышать 30 % номинальной мощности питающего трансформатора. Это означает, что не требуется гашение поля и ресинхронизация синхронных двигателей, а токи включения двигателей составляют всего лишь ~ 2,5 номинальной силы тока, что позволяет заметно увеличить ресурс электродвигателей.

Большинство промышленных производств получают питание через двухтрансформаторные понизительные подстанции напряжением (220–110–35)/6 кВ, с независимыми секциями на напряжении 6 кВ. Каждая такая секция (рабочая/резервная) получает питание от своего трансформатора через выключатель ввода, а секционный выключатель нормально отключается. При повреждении же в сети, питающей одну из секций, устройство АВР отключает свой ввод питания и выключает секционный выключатель.

Поэтому, устройство АВР представляет собой один из способов обеспечения резервным электроснабжением нагрузок [10], подключенных к системе электроснабжения, имеющей не менее двух питающих вводов и направленный на повышение надежности системы электроснабжения. Вообще, АВР должен срабатывать за минимально возможное время, после отключения рабочего источника питания. Устройство должно срабатывать всегда, в случае исчезновения напряжения на шинах потребителей, независимо от причины возникновения аварии.

Есть еще одно требование, обусловленное недопустимостью многократного включения резервных источников в систему с неустраненным коротким замыканием, это срабатывание устройства АВР только однократно. Обычно, реализацию схем АВР осуществляют с помощью средств релейной защиты и автоматики [11].

Бесперебойное питание можно также реализовать по-другому, осуществив электропитание каждого потребителя от двух источников одновременно, однако подобная схема имеет ряд недостатков. Токи короткого замыкания при параллельной работе источников питания гораздо выше, чем при раздельном питании потребителей, в питающих трансформаторах потери электроэнергии гораздо выше. Наконец, релейная защита, намного сложнее, чем при раздельном питании. Это означает, что возникает необходимость дополнительного учета перетоков мощности, влияющий на режим работы всей системы

Наконец, в качестве измерительного органа для АВР в высоковольтных сетях служат реле минимального напряжения [12], или реле контроля фаз, подключенные к защищаемым участкам через трансформаторы напряжения. В случае снижения напряжения на защищаемом участке электрической сети, реле дает сигнал в схему АВР. Однако, условие отсутствия напряжения (например, вводной выключатель был отключен намеренно) еще не является достаточным для того, чтобы устройство АВР начало незамедлительно свою работу.

Поэтому, важно уметь правильно реализовать механизм срабатывания устройства АВР. Устройство должно включаться, когда по любым причинам пропадает питание, или оно становится недостаточным (или даже неполноценным) для потребителя, пропадает одна из фаз тока, или напряжение недостаточной величины.

При этом, естественно, происходит отключение некорректного (или основного) ввода питания, и подключение другого, корректного (скажем, нормального) ввода. В этом случае, потребитель не попадает на ограничение и остается с необходимым напряжением.

Полагаем, что этот довольно простой механизм, предназначен для защиты не только интересов потребителя электрической энергии, но и защиты работы электроустановок и мощных приборов в промышленном масштабе от перебоев питания.

4. Расчет токов короткого замыкания. При проектировании и эксплуатации любой электроэнергетической системы, приходиться считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Наиболее распространенными, и в тоже время, опасными видами повреждений, являются короткие замыкания [13].

Предотвращение возникновения аварий или их развитие при повреждениях в электрической части энергосистемы, может быть обеспечено путем быстрого отключения поврежденного элемента, для чего применяется релейная защита и автоматика.

Нами были проведены расчеты основных параметров электросети для устройства АВР, работающего на напряжении 10 кВ, используемые в подстанциях на нефтеперерабатывающем заводе ПАО АНК «Башнефть» Республики Башкортостан.

Объектом проектирования является кабельная линия напряжением 10 кВ. Сеть напряжением 0,4 кВ имеет длину 300 м и выполнена проводом А70 (силовой провод неизолированный). Установлено устройство АВР на низшем напряжении. Коэффициент загрузки трансформаторов подстанций равен 1. Коэффициент загрузки линий составляет ~ 0,8. Линия напряжением 0,4 кВ загружена на 28 % от общей мощности трансформаторного питания. Коэффициент мощности для всех видов потребителей составляет ~ 0,8. Исходная схема для расчетов приведена на рис. 1.

Рис. 1. Исходная схема короткого замыкания и срабатывания устройства АВР

Опираясь на [14], составим схему замещения для расчета токов короткого замыкания, согласно приведенным выше техническим характеристикам электросети.

Рис. 2. Принципиальная схема замещения для расчета токов короткого замыкания

4.1. Определение сопротивлений элементов сети. Для начала определим сопротивление первого генератора Z₁.

(1)

где X_d1 — сверхпереходное сопротивление генератора, согласно техническим данным, принимаем равным 0,128 Ом; U_н — номинальное напряжение, равное 10 кВ; S_н — номинальная мощность генератора.

Определим сопротивление второго генератора Z₂.

(2)

Теперь определим полное сопротивление генератора Z_г:

(3)

Согласно [15], определим сопротивление линии с напряжением 10 кВ, учитывая активное сопротивление линии R₀ для проводника АС-120 (силовой провод неизолированный), равное 0,25 Ом/км; индуктивное сопротивление линии Х₀ для проводника АС-120 (силовой провод неизолированный), равное 0,38 Ом/км; длину линии L₁₀ (км) на 10 кВ.

(4)

Так как имеем две воздушные линии на 10 кВ одинакового сечения и длины, то их сопротивления, соответственно, равны. Данные линии соединены параллельно, значит, их можно представить в виде результирующего сопротивления Z_л10.

(5)

Исходя из того, что одинарный токоограничивающий реактор [16] типа РБ 10–630–1.0У3 рассчитан на длительно допустимый ток при естественном охлаждении 630 А при номинальном напряжении 10 кВ, рассчитаем сопротивление реактора:

(6)

где Х_р — относительное сопротивление реактора (в процентах), равен 6 % согласно исходным данным; I_н.р. — номинальный ток реактора (в кА), равен 0,63 кА согласно техническим данным; U_ср — среднее напряжение линии.

4.2. Определение сопротивления кабельной линии. Учитывая, что индуктивное сопротивление на 1 км кабеля мало зависит от сечения, то из [17] следует, что для кабелей напряжением 10 кВ величину индуктивного сопротивления можно принять равной Х₀ =0,08 Ом/км. Активное сопротивление для кабеля сечением 150 мм принимаем равным R₀ = 0,194 Ом/км. Вычислим сопротивление кабельной линии Z_кл.

(7)

Определим сопротивление для линии напряжением 0,4 кВ.

(8)

где R₀ — активное сопротивление для проводника А-35 (силовой провод неизолированный), равное 0,85 Ом/км; Х₀ — индуктивное сопротивление линии для проводника А-35 (силовой провод неизолированный), равное 0,35 Ом/км; L_0,4 — длина линии (в км) напряжением 0,4 кВ.

Составим схему замещения с учетом выполненных упрощений.

Рис. 3. Схема замещения для расчета токов короткого замыкания в точке К2

4.3. Определение тока короткого замыкания вточке К2. Для начала определим полное сопротивление до точки К2.

(9)

Ток трехфазного короткого замыкания в точке К2 будет равен:

(10)

Вычислим ток двухфазного короткого замыкания в точке К2:

(11)

Определим номинальный ток двигателя:

(12)

Основываясь на технические данные из [18], по допустимому нагреву берем кабель сечением S на 16 мм²; индуктивное сопротивление линии Х₀ берем равное 0,08 Ом/км; учтем удельную проводимость провода для алюминия .

Вычислим активное R₀ и полное Z_кз сопротивления линии:

(13)

(14)

4.4. Выбор устройств релейной защиты иавтоматики. Защиту от многофазных замыканий следует рассматривать в двухфазном исполнении [19], и включать в одни и те же фазы по всей сети данного напряжения, для обеспечения отключения в большинстве случаев двойных замыканий на землю только одного места повреждения.

Защита, как правило, должна быть выполнена в однорелейном, двухрелейном или трехрелейном исполнении. Выберем для этого реле тока замыкания и размыкания РТ85/1.

Определим ток установки для указанного типа реле:

(15)

где k_н — коэффициент надежности, равный 1,2; k_в — коэффициент возврата для реле типа РТ-85, равный 0,85; k_сх — коэффициент схемы для неполной звезды, равный 1; n_т — коэффициент трансформации для трансформаторов тока, равный 60; I_нагр — ток нагрузки, проходящий по кабельной линии.

Вычислим ток срабатывания отсечки.

(16)

Так как ток установки почти соответствует значению ~ 12 А, то принимаем установку реле на бóльший ток срабатывания отсечки ~ 70 А.

Наконец, определим коэффициент чувствительности отсечки, с учетом того, что вычисленное значение должно быть больше 2, для удовлетворения требованиям чувствительности.

(17)

Таким образом, согласно проведенным расчетам, можно сказать, что время срабатывания отсечки и коэффициент срабатывания отсечки реле РТ85/1 удовлетворяют требованиям, позволяющим использовать данную релейную защиту на подстанциях нефтеперерабатывающих заводов.

5. Выводы, заключение. На современном этапе, грамотные физико-технические расчеты, дальнейшее развитие и совершенствование устройств АВР с повышением надежности его работы, обеспечением быстродействия до уровня, необходимого для сохранения динамической устойчивости комплексной электродвигательной нагрузки, позволит сохранить непрерывность технологического процесса нефтедобычи, снизить вероятность возникновения опасных режимов (например, гидравлических ударов, разливов нефти), повысить экономичность работы нефтедобывающего комплекса.

Это означает, что существующие устройства АВР на подстанциях 35/6 кВ нефтедобычи, нефтепереработки с разным составом нагрузок подстанций, имеющие времена срабатывания 5–20 с, перестанут быть причиной отключения технологических агрегатов при кратковременных нарушениях электроснабжения в питающих линиях (например, 35, 110 кВ, полная потеря питания).

С другой стороны, даже одно успешное переключение, возможно сможет обеспечить непрерывность работы установки, исключит необходимость процесса повторного (следующего) запуска (переключения). То есть, правильные расчеты вполне могут обеспечить полную окупаемость вложений, необходимых для установки комплектов на узлы.

Таким образом, современные устройства АВР вполне могут обеспечить подключение отдельного источника электроэнергии (например, генератор, аккумуляторная батарея), или включить выключатель, разделяющий сеть, при этом перерыв питания можно довести до 0,3–0,8 с.

Значит, при проектировании инновационных схем АВР, важно учитывать пропускную способность питающего трансформатора, а также мощность источника энергии, питающих параллельную систему. Это условие является основным и необходимым инструментом для осуществления надежной и постоянной работы крупных предприятий.

Поэтому, внедрение устройств АВР в системы электроснабжения предприятий нефтегазовой отрасли, возможно только после тщательной оценки существующей схемы электроснабжения, расчета параметров сети при аварийных режимах и экономической эффективности от внедрения устройства, а также полном представлении всех трудностей, возникающих при эксплуатации данного оборудования.

Литература:

1. Мурзакаев П. Электроснабжение дата-центров: эффективность и надежность для сохранения данных. // Автоматизация и IT в энергетике. — М.: Издательство «Издательский дом ИД АВИТ-ТЭК», 2016. — № 7 (84). — С. 20–24.

2. Пупин В. М., Куфтин Д. С., Сафонов Д. О. Анализ провалов напряжений в сетях предприятий и способы защиты электрооборудования. // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. — М.: Издательство «Издательский дом Панорама», 2013. — № 4. — С. 40–46.

3. Романюк Ф. А., Шевалдин М. А. Принципы выполнения токовой защиты линий с односторонним питанием от междуфазных коротких замыканий. // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. — Минск: Издательство «Белорусский национальный технический университет», 2015. — № 1. — С. 5–11.

4. Фигурнов Е. П., Стороженко Е. А., Петрова Т. Е., Бодров П. А. Релейная защита. Техническое обслуживание защит. — Учебное пособие. — Ростов-на-Дону: Издательство «Ростовский государственный университет путей сообщения», 2004. — 79 с.

5. Тимербаев А. И., Кузнецов А. С. Исследование режимов работы устройства быстродействующего автоматического включения резерва SUE3000 в электроустановках 6КВ ОАО «Газпром Нефтехим Салават». // Современные проблемы науки и образования в техническом вузе. — Материалы Всероссийской научно-практической конференции. — Уфа: Издательство «ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет», 2013. — С. 125–128.

6. Валеев А. И., Марченко Г. Н. Обеспечение системной надежности электроснабжения промышленных потребителей. // Энергетика Татарстана. — Казань: Издательство «ООО Редакция журнала Энергетика Татарстана», 2009. — № 2. — С. 45–51.

7. Вахрушев П. В., Моисеенко А. Б. Поиск однофазных замыканий на землю в распределительных сетях электроснабжения 6–10 кВ. // Научно-технический вестник ОАО «НК РОСНЕФТЬ». — М.: Издательство «ЗАО Нефтяное хозяйство», 2011. — № 4. — С. 51–53.

8. Гамазин С. И., Пупин В. М., Цырук С. А. Кратковременные нарушения нормального электроснабжения потребителей и современные способы их защиты. // Электрика. — М.: Издательство «Наука и технологии ООО», 2008. — № 7. — С. 8–11.

9. Кожевникова Е. С., Кубарьков Ю. П., Синельникова С. Н., Челпанов В. В. Повышение надежности схемы электроснабжения нефтеперерабатывающего предприятия. // Труды Кольского научного центра РАН. — Самара: Издательство «Кольский научный центр РАН», 2011. — № 5. — С.170–178.

10. Гаязов А. М. Быстродействующий автоматический ввод резерва (БАВР) в системах электроснабжения с синхронными и асинхронными двигателями. // Новые технологии — нефтегазовому региону. — Материалы Международной научно-практической конференции. — Тюмень: Издательство «Тюменский индустриальный университет», 2016. — С. 308–311.

11. Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Открытая архитектура релейной защиты и автоматики. // Международный научно-исследовательский журнал. — Екатеринбург: Издательство «Соколова Марина Владимировна», 2013. — № 12–1 (19). — С. 110–111.

12. Филиппов В. В. Контроль включения сетевого резерва делительной автоматикой. // Молодой ученый. — Чита: Издательство «ООО Издательство Молодой ученый», 2015. — № 8 (88). — С. 324–326.

13. Крысанов В. Н., Астафьев С. В. Быстродействующее регулирование напряжения при коротком замыкании в высоковольтных линиях. // Электротехнические комплексы и системы управления. — Воронеж: Издательство «ЗАО Воронежский инновационно-технологический центр», 2010. — № 1. — С. 56–60.

14. Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций. — М.: Издательство «Энергоатомиздат», 1989. — 608 с.

15. Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. — М.: Издательство «Высшая школа», 1991. — С. 75.

16. Федоров А. А. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. — М.: Издательство «Энергоатомиздат», 1987. — 592 с.

17. Будзко И. А., Лещинская Т. Б. Электроснабжение сельского хозяйства. — М.: Издательство «Колос», 2000. — С. 185.

18. Каганов И. Л. Курсовое и дипломное проектирование. — М.: Издательство «Агропромиздат», 1990. — С. 75.

19. Правила устройств электроустановок. — 6 издание. — М.: Издательство «Госэнергонадзор», 2000. — 608 с.