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 УЦЭН. Суммарная потребляемая мощность достигает 1500 к Вт 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 110/35 кВ «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 СЭС 35 кВ «Талая»«Вербная»«Дружная»Куст 290 бис 291 бис бис бис система шин n пч ΣР пч к Вт система шин n пч ΣР пч к Вт

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 к ВАр

СУЭлектон-5 ПЭД 225 к Вт ЧРП Борец 06 ПЭД 70 к Вт

Исследование ПКЭ на сборных шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ Форма напряжения на сборных шинах 6 кВ

Форма тока на вводе РУ-6 кВ

куста ввода Ток ввода, АНапряжение, кВK i, %K u, % Коэф. мощн ,2719,56,30, ,15236,350, бис 1636,2812,55,850, ,5215,26,16,10, ,16196,10, ,23529,70,86 Результаты измерений ПКЭ на сборных шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ

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-6 кВ при включенной БСК Форма тока на вводе РУ-6 кВ 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

Куст 286 бис Куст 287 КТПН 1КТПН 2КТПН 1БКТПН 1КТПН 3Б U л, В I ф, A K u, %5,56,311,08,56,5 K i, %6040, Результаты измерений ПКЭ на вводах РУ-0.4 кВ КТПН-6/0.4 кВ

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 импульсным выпрямителем во входной цепи. 3. Уровень нелинейных искажений формы напряжения на сборных шинах 0,4 кВ может превышать нормально допустимый по ГОСТ Р Уровень нелинейных искажений формы напряжения на сборных шинах 6 кВ превышал нормально допустимый по ГОСТ Р 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, 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

Коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети на шинах 0,4 кВ ПС 6/0,4 кВ Куст 288 (Линия 35 кВ «Дружная») Влияние числа кустов с ПЧ на качество электроэнергии 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 К U не превышает нормативных значений.

1. Высоковольтный вариант ФКУ на 6 кВ. Состав ФКУ – 2 ступени.

Коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети на шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ. Включение ФКУ на шинах 6 кВ ПС 35/6 кВ Влияние числа кустов с ФКУ 6 кВ на качество электроэнергии

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 к Вт L ф, м Гн 9,09,7510,511,2 Без ФКУ F рез, Гц ­- К рез 5,04,874,74,54 10,6 К U, %4,755,056,16,86 16,3 Включена 1 ступень ФКУ L ф, м Гн 9,09,7510,511,2 F рез, Гц К рез 5,04,874,74,54 К U, %3,84,14,85,4 Включены 2 ступени ФКУ Расчёт коэффициента искажения на шинах 6 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 6 кВ ПС 35/6.

Расчёт коэффициента искажения на шинах 0,4 кВ при высоковольтном варианте ФКУ Включена 1 ступень ФКУВключены 2 ступени ФКУ L ф, м Гн 9,09,7510,511,2Без ФКУ F рез, Гц К рез 5,04,874,74,54 К U, %11,011,612,112,515,9 L ф, м Гн 9,09,7510,511,2 F рез, Гц К рез 5,04,874,74,54 К U, %11,011,311,511,7 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.

F рез, Гц Без ФКУ К рез 5,04,874,74,54 К U, % на шинах 0,4 кВ 7,57,597,67,816,28 К U, % на шинах 6,0 кВ 3,94,85,46,010,6 Коэффициент К U на шинах 0,4 кВ и 6 кВ при включении ФКУ на шины 0,4 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 К U на шинах 6 кВ.

3. Включение сетевого реактора L р, м Гн 0,0140,0280, К U, % между выводами трансформатора 6/0,4 кВ и реактором 10,59,58,77,8 К U, % на шинах 6,0 кВ4,54,03,53,1 Включение сетевого реактора приводит к дополнительному уменьшению К U на шинах 0,4 кВ и 6,0 кВ. Чтобы увеличить надёжность работы преобразователя при больших искажениях синусоидальной формы напряжения сети, его необходимо подключать к питающей сети через специальный сетевой реактор L р

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

Наименование Оборудования Количество в проекте Общая стоимость в проекте Базовый вариант КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У % УКРМ-6 6 кВ (1000 к ВАр) в блок-контейнере 20 Вариант 1 (высоковольтный) КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У % ФКУ 6 кВ с ТРГ (2x500 к ВАр к ВАр) в контейнерном исполнении 20 Вариант 2 (ДФКУ-0,4 кВ в контейнерном исполнении) КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У % Динамическое ФКУ (300 к ВАр) + реакторы в контейнерном исполнении 49 Вариант 3 (КТП-6/0,4 контейнерного типа с ДФКУ-0,4 кВ) КТП-1000/6/0,4 в сочетании с линейными реакторами, ДФКУ (200 к ВАр) и активным фильтром (100А)49197% Вариант 4 (КТП-6/0,4 контейнерного типа с гибридным ФКУ-0,4 кВ) КТП-1000/6/0,4 в сочетании с линейными реакторами и ДФКУ (300 к ВАр) 49181% Вариант 5 (Активный фильтр 6 кВ, 1800А) КТП-СЭЩ-К(М)(ВК)-1000/6/0,4-93У % Активный фильтр (6 кВ, 1800А) в контейнерном исполнении 20 СТОИМОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

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 6 кВ ПС-35/6 кВ необходимо применять фильтры гармоник на всех КТПН-6/0,4 кВ, с большой долей нелинейных нагрузок. Установка ФГ на сборных шинах отдельных КТПН не приводит к требуемому снижению искажений напряжения.

Благодарим за внимание