Высшие гармоники тока и проблемы на нефтегазовом месторождении.
Current harmonics and oil-gas condensate field problems.
Объект.
Нефтегазовое месторождение находится в Арктической зоне России, в труднодоступной местности. Электроснабжение от Единой энергетической системы отсутствует. Объект расширяется, и с появлением нового оборудования возникают новые проблемы.
Проблема в формулировках Заказчика.
Искажения напряжения приводят к нештатной работе электроустановок.
Искаженная синусоида напряжения на шинах 0,4 кВ трансформаторной подстанции.
Просто спросить...?
Технология, электроснабжение и электрооборудование.
Технологический процесс непрерывный, требования к надежности электроснабжения высокие. Основные источники электроэнергии - газотурбинные электростанции. Генераторное напряжение – 10 кВ и 6 кВ, суммарная генерация составляет несколько десятков МВт, существенно зависит от времени года и технологической нагрузки. Распределение электроэнергии осуществляется через ЗРУ 110 кВ на напряжении 110 кВ по воздушным ЛЭП протяженностью в десятки километров. Трансформаторы 110/10 кВ имеют единичную установленную мощность до 25 МВА.
Нагрузки месторождения определяются в основном работой низковольтных электроприводов в БКТП аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа.
Аппараты воздушного охлаждения газа на месторождении.
На всех БКТП установлены преобразователи частоты ведущих европейских производителей, укомплектованные входными дросселями.
Преобразователи частоты Altivar с входными дросселями на БКТП.
Доля нелинейной нагрузки на месторождении достигает 60 % (при мощности генерации в десятки МВт). Действующие установки компенсации высших гармоник отсутствуют. Все конденсаторные установки на шинах 0,4 кВ подстанций отключены.
Результаты обследований и измерений.
На первом этапе измерения выполнялись в течение 9 дней при текущих нагрузках, характерных для зимнего периода эксплуатации (середина февраля). Общее количество полученных файлов измерений – 68.
|
|
| Измерения в РП-10 кВ несколькими приборами FLUKE одновременно. | Спектр гармоник напряжения на сборных шинах РП-10 кВ. |
Установлено, что на всех уровнях напряжения имеют место нарушения норм качества электроэнергии в части обеспечения электромагнитной совместимости технических средств (ЭМС). Нелинейные искажения тока и напряжения в сетях месторождения определяются частотно-регулируемыми приводами установок АВО газа. Искажения от работы электроприёмников 0,4 кВ передаются в сети через трансформаторы 10/0,4 кВ и 110/10 кВ и оказывают влияние на все электроустановки месторождения.
Высшие гармоники тока от низковольтных преобразователей частоты в БКТП приводят к искажениям напряжения в сетях 110 кВ, превышающим допустимые ГОСТ значения в 3 раза.
Искажения формы напряжения сети вызывают ложные срабатывания модулей автоматического ввода резерва (МАВР) и нештатные переключения вводов. Реле напряжения производят ложные срабатывания по «низкому напряжению» при нормальном действующем значении трехфазного напряжения на шинах. Системы автоматического управления котлами формируют ложные сигналы аварии, приводящие к отключению котлов. Источники бесперебойного питания отключаются с кодами ошибок «сбой синхронизации».
Имеют место также:
- перегрев силовых трансформаторов;
- перегрев источников бесперебойного питания;
- нештатные отключения преобразователей частоты и отказы преобразователей частоты;
- нештатная работа систем автоматизации на электростанциях.
Указанные нарушения были отмечены несмотря на холодную погоду, при которой нагрузка на АВО газа относительно небольшая. «Летние» режимы предстояло моделировать, и для этого на нескольких БКТП проведены испытания с «разгоном» всех вентиляторов до максимальной скорости (до 50 Гц на выходе преобразователей частоты).
Ток на вводе 0,4 кВ трансформатора БКТП при разгоне частотно-регулируемых приводов до 50 Гц достигает 1165 А.
Измерения проводились как при питании по двум вводам, так и по одному, с замкнутым секционным выключателем.
Мощность активная на вводе 0,4 кВ трансформатора БКТП при разгоне частотно-регулируемых приводов до 50 Гц достигает 750 кВт.
Гармоники напряжения существенно растут с ростом нагрузки преобразователей частоты.
Искажения напряжения на вводе 0,4 кВ трансформатора БКТП при разгоне частотно-регулируемых приводов до 50 Гц достигают 14 %.
Полученные на первом этапе данные измерений были применены для моделирования поведения электроустановок в режиме «лето». Модель показала, в частности, что при работе всех БКТП с максимальной нагрузкой и суммарной мощности генерации 30 МВА коэффициент нелинейных искажений напряжения на шинах 10 кВ составит в среднем 15,7% (с учётом взаимного влияния площадок месторождения).
Результаты моделирования нелинейных искажений напряжения на шинах 10 кВ.
На втором этапе измерения проводились в течение 5 дней в конце августа («летом») в электроустановках 0,4 кВ, 6 кВ, 10 кВ, 110 кВ. Общее количество файлов измерений – 51. Результаты оказались близкими к расчетным. В качестве примера ниже – обработка замера на РП 10 кВ (Ввод от Тр-ра 110/10 кВ мощностью 16 МВА).
Мощность полная в режиме «лето» - до 3 МВА.
Спектр гармоник – «классический» для частотно-регулируемых приводов с преобладанием гармоник 5-го и 7-го порядка.
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ku (THDu) на шинах 10 кВ в режиме «лето» - более 16 %.
На стороне 110 кВ измеренные значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения Ku (THDu) составляют 6,9 %, а в электроустановках 0,4 кВ достигают 18,4 %.
Такие искажения создают высокие риски нештатной работы электроустановок.
Выводы и предложения.
1. Установить активные фильтры АДФ-У в помещениях БКТП АВО газа, по одному на каждую секцию шин 0,4 кВ. Работа фильтров возможна как при разомкнутом, так и при замкнутом секционном выключателе. Свободное место для конструктива 600*600*2000 мм напольного исполнения имеется на всех БКТП. Компенсация высших гармоник тока непосредственно в местах их возникновения кардинально улучшит обстановку на месторождении в части обеспечения электромагнитной совместимости технических средств.
Активные фильтры должны обеспечивать работу в одном из двух режимов компенсации:
- компенсация высших гармоник тока при подключении трансформаторов тока на сборные шины;
- непосредственная компенсация искажений напряжения без использования трансформаторов тока.
Выбор одного из двух режимов компенсации должен осуществляться с панели оператора.
2. Активные фильтры целесообразно установить также на присоединениях ответственных электроприёмников, наиболее чувствительных к качеству электроэнергии (приборы лабораторий, оборудование сбора и передачи данных, связи и др.). В этом случае активные фильтры должны работать в режиме непосредственной компенсации искажений напряжения без использования трансформаторов тока.
Реализация предложений.
Инженерным центрам «АРТ» по отдельным договорам выполнены проект систем динамической компенсации высших гармоник на БКТП АВО газа и рабочая документация, учитывающая особенности существующих объектов.
Заказчик определяется с закупкой оборудования для реализации проекта.
