Шевырёв

УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ
СЕТЯХ В УСЛОВИЯХ ШИРОКОГО
ПРИМЕНЕНИИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Суслов М. А. (ОАО «Гипротюменнефтегаз)
Чуриков А. М. (ООО «Электротехническая промышленная компания»)
Шевырёв Ю. В. (НИТУ «МИСиС»)
До 60% нефти в России добывается механизированным способом с
использованием установок центробежных электронасосов (УЦЭН).
На кусте скважин может работать 15-20 УЦЭН. Суммарная
потребляемая мощность достигает 1500 кВт и более.
Неопределённость в объёмах запасов жидкости и необходимость плавного
изменения темпов её отбора обусловили появление станций управления
ПЭД с преобразователями частоты (ПЧ).
Массовое применение ПЧ при механизированной добыче нефти
является причиной значительного искажения синусоидальной формы
напряжения в нефтепромысловых сетях.
Улучшение качества электроэнергии в условиях широкого применения
частотно-регулируемых
электроприводов
является
актуальной
проблемой.
В докладе приведены:
- результаты измерений показателей качества электроэнергии (ПКЭ) на
Приобском месторождении ООО «РН-Юганскнефтегаз»;
- рекомендации по улучшению качества электроэнергии в условиях
широкого применения ПЧ для ПЭД.
Объект исследования: участок распределительной сети 35 кВ с центром
питания - подстанция 110/35кВ «Озерная».
Питание кустов скважин осуществляется по трем двухцепным воздушным
линиям 35 кВ: «Дружная», «Талая» и «Вербная».
Однолинейная схема питания кустов от
ПС 110/35/6 кВ «Озёрная»
Однолинейная схема
электроснабжения куста 286 бис
от линии 35 кВ «Вербная»
Распределение преобразователей частоты по кустам
«Талая»
СЭС
35 кВ
1
система
шин
2
система
шин
«Вербная»
«Дружная»
Куст
290
бис
291
бис
291
287
286
286
бис
288
289
бис
289
290
nпч
8
6
6
13
7
9
10
6
4
5
ΣРпч кВт
1229
1162
657
1143
501
1345
587
367
302
582
nпч
6
6
7
5
5
8
11
6
5
2
ΣРпч кВт
936
994
686
386
377
1003
846
614
570
252
Куст 287
Установка компенсации реактивной мощности
Тип УКРМ 6,5-900 – К УХЛ 1
U ном= 6,3 кВ. Частота 50 Гц. Q ном=900 кВАр
СУ“Электон-5” ПЭД 225 кВт
ЧРП Борец 06 ПЭД 70 кВт
Исследование ПКЭ на сборных шинах 6кВ ПС 35/6 кВ
Форма напряжения на сборных шинах 6 кВ
Форма тока на вводе РУ-6 кВ
Результаты измерений ПКЭ на сборных шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ
№
куста
№
Ток ввода,
ввода
А Напряжение, кВ
Ki, %
Ku, %
Коэф.
мощн.
1
84
6,27
19,5
6,3
0,95
2
51
6,15
23
6,35
0,98
1
63
6,28
12,5
5,85
0,98
2
88
6,52
15,2
6,1
0,97
1
52
6,16
19
6,1
0,97
2
99
6,23
52
9,7
0,86
286
286 бис
287
Влияние БСК-6 кВ на коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и
напряжения.
При подключенной БСК.
Коэффициент искажений напряжения 9,7%, коэффициент искажений тока 52%.
При отключении БСК.
Коэффициент искажений напряжения 6,7%, коэффициент искажений тока 20%.
Уровень 5-й гармоники снизился в 2,5 раза, 11-й гармоники в 7 раз
Форма тока на вводе РУ-6кВ
при включенной БСК
Форма тока на вводе РУ-6кВ
при отключенной БСК
Исследование ПКЭ на вводах РУ-0.4 кВ КТПН-6/0.4 кВ
Форма напряжения на шинах 0,4 кВ
Форма тока на вводе РУ-0.4 кВ
Результаты измерений ПКЭ на вводах РУ-0.4 кВ КТПН-6/0.4 кВ
Куст №286 бис
Куст №287
КТПН №1 КТПН №2 КТПН №1Б КТПН №1
КТПН №3Б
Uл, В
404
413
407
407
405
Iф, A
465
575
660
327
245
Ku, %
5,5
6,3
11,0
8,5
6,5
Ki, %
60
40,4
29
20
23
ВЫВОДЫ ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ ПКЭ
В НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ СЕТИ
1. Частотные приводы УЦЭН являются причиной возникновения искажений
синусоидальности кривых тока и напряжения в сети.
2. В спектре кривых напряжения и тока наиболее ярко выражены 5-я, 7-я, 11-я и
13-я гармоники, что характерно для преобразователей частоты с
неуправляемым 6-ти пульсным выпрямителем во входной цепи.
3. Уровень нелинейных искажений формы напряжения на сборных шинах 0,4 кВ
может превышать нормально допустимый по ГОСТ Р 54149-2010.
4. Уровень нелинейных искажений формы напряжения на сборных шинах 6 кВ
превышал нормально допустимый по ГОСТ Р 54149-2010. На шинах, к которым
подключена БСК-6 кВ, превышен предельно допустимый уровень.
5. Коэффициент мощности, измеренный на сборных шинах 6 кВ при
отключённом БСК, находится в пределах 0,95-0,97.
6. Для обеспечения надёжной работы БСК-6 кВ необходимо устанавливать
защитный дроссель, исключающий резонансные явления.
Решением проблемы повышения качества электроэнергии является
применение фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ).
При разработке ФКУ необходимо учитывать следующие факторы:
разветвлённая система электроснабжения; взаимное влияние ПЧ на
соседних кустах; переменный характер нагрузок; изменение числа
одновременно
работающих насосных
установок.
Игнорирование
указанных факторов приводит к ошибкам при выборе ФКУ.
На первом этапе проектирования ФКУ необходима оценка влияния
частотных преобразователей на качество электроэнергии в
нефтепромысловых сетях.
Для
решения
этой
задачи
разработана
модель
системы
электроснабжения, которая учитывает разветвлённую электрическую сеть,
параллельно работающие ПЧ, реальные нагрузки электроприводов,
размещение батарей статических конденсаторов (БСК).
Особенностью разработанной модели является учёт взаимного влияния
кустов с размещёнными на них ПЧ, питающихся от соседних линий 35 кВ.
Расчётная схема замещения однолинейной схемы питания кустов от
ПС 110/35/6 кВ «Озёрная»
Расчётная схема замещения куста
Влияние числа кустов с ПЧ на качество электроэнергии
Коэффициент искажения
синусоидальной формы напряжения
сети на шинах 0,4 кВ ПС 6/0,4 кВ Куст
288 (Линия 35 кВ «Дружная»)
Коэффициент искажения
синусоидальной формы напряжения
сети на шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ Куст 290
(Линия 35 кВ «Дружная»)
Коэффициент искажения
синусоидальной формы напряжения
сети на шинах 35 кВ ПС 110/35/6 кВ
«Озёрная»
Наиболее простым и экономичным решением снижения
искажений напряжения сети
является применение
ступенчатых ФКУ
При проектировании ФКУ необходим системный подход,
учитывающий все элементы системы электроснабжения, схемы
их соединений, взаимное влияние ФКУ, сетевых реакторов и
отдельных кустов друг на друга.
При разработке ступенчатых ФКУ возможно 2 варианта:
высоковольтный вариант на 6 кВ;
низковольтный вариант на 0,4 кВ.
В обоих случаях необходимо обеспечить настройку фильтров, при
которой коэффициент искажения КU не превышает нормативных
значений.
1. Высоковольтный вариант ФКУ на 6 кВ.
Состав ФКУ – 2 ступени.
Влияние числа кустов с ФКУ 6 кВ на качество электроэнергии
Коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети на
шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ. Включение ФКУ на шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ
При расчётах подключение ФКУ на шины 6 кВ осуществляется только
на одном кусте (куст 286 бис. Линия 35 кВ «Вербная»).
Суммарная активная нагрузка принята равной Р=1749 кВт
Расчёт коэффициента искажения на шинах 6 кВ
Включена 1 ступень ФКУ
Включены 2 ступени ФКУ
Lф, мГн
9,0
9,75
10,5
11,2
Без ФКУ
Lф, мГн
9,0
9,75
10,5
11,2
Fрез, Гц
250
243
235
227
-
Fрез, Гц
250
243
235
227
Крез
5,0
4,87
4,7
4,54
10,6
Крез
5,0
4,87
4,7
4,54
КU, %
4,75
5,05
6,1
6,86
КU, %
3,8
4,1
4,8
5,4
16,3
При принятых допущениях о нагрузках для условий Приобского
месторождения нефти ООО «РН-Юганскнефтегаз» определены
параметры ФКУ, при которых обеспечивается нормативный
коэффициент искажения на шинах 6 кВ ПС 35/6.
Расчёт коэффициента искажения на шинах 0,4 кВ при
высоковольтном варианте ФКУ
Включена 1 ступень ФКУ
Lф, мГн
9,0
9,75
10,5
11,2
Fрез, Гц
250
243
235
Крез
5,0
4,87
КU, %
11,0
11,6
Включены 2 ступени ФКУ
Без ФКУ
Lф, мГн
9,0
9,75
10,5
11,2
227
Fрез, Гц
250
243
235
227
4,7
4,54
Крез
5,0
4,87
4,7
4,54
12,1
12,5
КU, %
11,0
11,3
11,5
11,7
15,9
На шинах 0,4 кВ коэффициент искажения не достигает нормально
допустимого значения. Для его получения необходимо включение ФКУ на
шинах 0,4 кВ
Включение на шинах 0,4 кВ
низковольтной ТРГ позволяет
плавно регулировать
реактивную мощность.
2. Низковольтный вариант ФКУ на 0,4 кВ.
Состав ФКУ - от 2 до 3 ступеней.
Коэффициент КU на шинах 0,4 кВ и 6 кВ при включении ФКУ на шины 0,4 кВ
Fрез, Гц
250
243
235
227
Без ФКУ
Крез
5,0
4,87
4,7
4,54
КU, % на 7,5
7,59
7,6
7,8
16,28
4,8
5,4
6,0
10,6
шинах
0,4 кВ
КU, % на 3,9
шинах
6,0 кВ
При принятых допущениях о нагрузках для условий Приобского
месторождения нефти ООО «РН-Юганскнефтегаз» определены параметры
ФКУ, при которых обеспечивается нормативный коэффициент искажения
на шинах 0,4 кВ ПС 6/0,4.
ФКУ уменьшает коэффициент искажения КU на шинах 6 кВ.
3. Включение сетевого реактора
Чтобы увеличить надёжность работы
преобразователя при больших
искажениях синусоидальной формы
напряжения сети, его необходимо
подключать к питающей сети через
специальный сетевой реактор Lр
Lр, мГн
КU, % между выводами
трансформатора 6/0,4 кВ
и реактором
КU, % на шинах 6,0 кВ
0,014
0,028
0,042
0.056
10,5
9,5
8,7
7,8
4,5
4,0
3,5
3,1
Включение сетевого реактора приводит к дополнительному уменьшению КU
на шинах 0,4 кВ и 6,0 кВ.
4. Низковольтное ФКУ с инверторной регулирующей группой
Преимущества:
1. Плавное регулирование реактивной мощности.
2. Меньшие мощность и стоимость активного фильтра по сравнению
со случаем применения активного фильтра без ФКГ
5. В некоторых случаях могут быть предложены
нестандартные решения
Схема
с
индивидуальными
инверторами (И1, И2, И3) и общей
шиной постоянного тока, получающей
питание от общего выпрямителя,
выполненного по двенадцатипульсной
схеме (В1, В2)
СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ РЕШЕНИЙ ПО
ПОВЫШЕНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
коэффициент
искажения
синусоидальности
напряжения на
шинах 6 кВ
Вариант ФКУ
коэффициент
мощности
отклонение
напряжения на
шинах 0,4 кВ
коэффициент
искажения
синусоидальности
напряжения на
шинах 0,4 кВ
Высоковольтное ФКУ - С
≈1
< 5%
< 12%
< 5%
Высоковольтное ФКУ - К
≈1
< 5%
< 12%
< 5%
Низковольтное ФКУ - С
≈1
< 5%
< 8%
< 5 - 8%
Высоковольтное ФКУ - С
совместно с реакторами
≈1
< 5%
< 8 -12%
< 5%
< 5%
< 8%
<5 - 8%
Низковольтное ФКУ - С
совместно с АФ
≈1
СТОИМОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ
РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Наименование
Оборудования
Количество в
проекте
Общая стоимость в проекте
Базовый вариант
КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У1
49
УКРМ-6 6кВ (1000кВАр) в блок-контейнере
20
100%
Вариант 1 (высоковольтный)
КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У1
49
ФКУ 6кВ с ТРГ (2x500кВАр + 500кВАр) в контейнерном исполнении
20
154%
Вариант 2 (ДФКУ-0,4кВ в контейнерном исполнении)
КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У1
49
Динамическое ФКУ (300 кВАр) + реакторы в контейнерном исполнении
49
207%
Вариант 3 (КТП-6/0,4 контейнерного типа с ДФКУ-0,4кВ)
КТП-1000/6/0,4 в сочетании с линейными реакторами, ДФКУ (200 кВАр) и
активным фильтром (100А)
49
197%
Вариант 4 (КТП-6/0,4 контейнерного типа с гибридным ФКУ-0,4кВ)
КТП-1000/6/0,4 в сочетании с линейными реакторами и ДФКУ (300 кВАр)
49
181%
Вариант 5 (Активный фильтр 6кВ, 1800А)
КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У1
49
Активный фильтр (6кВ, 1800А) в контейнерном исполнении
20
428%
Заключение.
При применении ПЧ для регулирования производительности
УЦЭН уровень нелинейных искажений в нефтепромысловых сетях
превышает установленные ГОСТом допустимые значения.
Для обеспечения надёжной работы
и ограничения высших
гармоник полупроводниковые преобразователи рекомендуется
подключать к питающей сети через специальный сетевой реактор.
Установки компенсации реактивной мощности усиливают
искажения напряжения сети вследствие резонансных явлений, что
может привести к авариям.
Для подавления высших гармоник и компенсации реактивной
мощности требуется применение фильтро-компенсирующих
устройств.
При выборе и проектировании ФКУ следует выполнять натурные
измерения гармонического состава тока и напряжения сети.
Упростить процесс проектирования ФКУ может применение
специализированных программ и математических моделей
системы электроснабжения.
Проектирование ФКУ является сложной многофакторной задачей,
решать которую невозможно без учета архитектуры промысловых
сетей, знания мощности и характера нелинейных нагрузок.
Для нормализации искажений напряжения на сборных шинах 6кВ
ПС-35/6кВ необходимо применять фильтры гармоник на всех
КТПН-6/0,4кВ, с большой долей нелинейных нагрузок. Установка
ФГ на сборных шинах отдельных КТПН не приводит к требуемому
снижению искажений напряжения.
Благодарим за внимание