Повышение надежности защиты от перенапряжений систем электроснабжения нефтяной промышленности в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов

На правах рукописи ТАНАЕВ Алексей Кимович ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В РАЙОНАХ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ГРУНТОВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Самара – 2006 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре “Автоматизированные электроэнергетические системы”. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гольдштейн Валерий Геннадьевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рассказов Федор Николаевич кандидат технических наук, доцент Сенько Владислав Владимирович Ведущее предприятие: Петербургский энергетический институт повышения квалификации, г. Санкт-Петербург Защита состоится 25 декабря 2006 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Молодогвардейская ул., д. 244, Главный корпус, ауд. 200. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ. Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00, e-mail: aees@sstu.edu.ru. Автореферат разослан 24 ноября 2006 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04, кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время развитие нефтяной промышленности (НП) в районах Сибири и Крайнего Севера требует создания условий для надежного функционирования систем электроснабжения (СЭС) объектов добычи и транспортировки нефти. Для этого необходимо обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) электрооборудования СЭС при воздействии перенапряжений. Основными характерными физическими особенностями районов Сибири и Крайнего Севера являются относительно высокий уровень интенсивности грозовой деятельности, экстремальные погодные условия и высокие удельные сопротивления грунтов (ВУСГ), имеющих многослойную структуру с вечной мерзлотой. Особую значимость в этих условиях приобретает решение задач обеспечения надежности защиты от перенапряжений и ЭМС силовых и измерительных трансформаторов, коммутационных аппаратов, реакторов, компенсирующих устройств, автоматики, релейной защиты, связи и систем заземления. Эксплуатация электрооборудования СЭС в районах с ВУСГ способствует интенсивной выработке его технологических ресурсов. Об этом свидетельствует то, что эксплутационные затраты на ремонт и техническое обслуживание электрооборудования превышают установленные нормативы более, чем на 15% и имеют устойчивую тенденцию к увеличению. Ограниченное финансирование на ремонт и техническое обслуживание приводит к неизбежному интенсивному износу электрооборудования, что является дополнительным существенным фактором снижения надежности СЭС. Анализ показывает, что доля нарушений ЭМС из-за перенапряжений, которая определяется названной спецификой электромагнитных процессов в общем потоке отказов электрооборудования СЭС в районах Сибири и Крайнего Севера превышает 30%, и статистика этих нарушений в районах с ВУСГ, по сравнению с Европейской частью России, имеет устойчивую тенденцию к увеличению. С учетом широкого развития промышленного освоения северных районов России это определяет актуальность диссертационной работы. Рассмотренные выше положения были сформулированы на основе проведенного обзора и анализа основных теоретических результатов и сопутствующих технических решений по актуальным проблемам работы электрооборудования в районах с ВУСГ, изложенных в работах таких известных ученых и исследователей, как: Костенко М.В., Бургсдорф В.В., Халилов Ф.Х., Якобс А.И., Гринберг Г.А., Ефимов Б.В., Зоммерфельд А., Колечицкий Е.С., Перельман Л.С, R.G. Wasley, L.M.Wedepohl, W.H.Wise и многих других исследователей. На основе подробного анализа проблем повышения надежности и обеспечения ЭМС электрооборудования СЭС НП в районах с ВУСГ, можно констатировать, что ряд теоретических и технических задач в этом направлении исчерпывающих решений не имеет. Это легло в основу определения цели и задач диссертации. Целью диссертации является разработка научных методов повышения надежности защит от перенапряжений электрооборудования систем электроснабжения нефтяной промышленности путем обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов. Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научно-технические задачи: Исследование распространения волн атмосферных перенапряжений при электромагнитных взаимодействиях коронирующей воздушной линии (ВЛ) с землей, имеющей слои вечной мерзлоты. Разработка методики анализа волновых электромагнитных процессов и грозозащиты подстанций с протяженными заземлителями. Исследование электромагнитных процессов в заземлителях электроустановок в условиях ВУСГ. Разработка технических решений, рекомендаций и мероприятий по защите от перенапряжений электрооборудования СЭС НП в условиях ВУСГ с помощью нетрадиционных устройств, таких, как подвесные ограничители перенапряжений (ПОПН), нестандартные схемы тросовой защиты и др. Основные положения, выносимые на защиту: Математическая модель электромагнитных волновых процессов в условиях ВУСГ с многослойной структурой для определения деформации волн атмосферных перенапряжений в коронирующей ВЛ. Методика и алгоритмы анализа электромагнитных волновых процессов для подстанций, имеющих протяженные заземлители. Результаты исследования характеристик заземлителей электроустановок в условиях ВУСГ. Способы повышения надежности грозозащиты СЭС НП в районах с ВУСГ с помощью ПОПН, нестандартных схем тросовой защиты и др. Объектом исследования является система электроснабжения и функционально связанные с ней заземляющие устройства, протяженные заземлители и устройства защиты от перенапряжений. Основные методы научных исследований: использованы методы математического анализа, теории вероятностей, физического и математического моделирования электромагнитных помех в схемах грозозащиты СЭС. Научная новизна. Уточненная модель и методика для определения деформации волн атмосферных перенапряжений в воздушных линиях электропередачи с учетом влияний короны и высокого удельного сопротивления грунтов с многослойной структурой и вечной мерзлотой. Математическая модель и методика анализа электромагнитных волновых процессов для подстанций систем электроснабжения, имеющих протяженные заземлители в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов с многослойной структурой и вечной мерзлотой. Математическая модель и метод определения уточненных характеристик заземлителей электрооборудования в системах электроснабжения с учетом высокого удельного сопротивления грунтов с многослойной структурой и вечной мерзлотой. Научное обоснование технических решений по повышению надежности грозозащиты электрооборудования СЭС в районах с высоким удельным сопротивлением грунта с многослойной структурой и вечной мерзлотой, заключающихся в использовании ПОПН и нестандартных схем тросовой грозозащиты. Практическая ценность. Предложено алгоритмическое и программное обеспечение анализа надежности грозозащиты подстанций для составления схем замещения, расчетов напряжений в узлах, сравнительной оценки показателей надежности грозозащиты с учетом процессов в ВУСГ. Предложены технические решения для повышения надежности СЭС в районах с ВУСГ на основе подвесных ограничителей перенапряжения (ПОПН), нестандартные схемы тросовой защиты, каскадная схема грозозащиты и др. Результаты исследований предложены и используются в ОАО «НК Роснефть», ЗАО «Самарский Электропроект» и ОАО «Волжская Межрегиональная Распределительная Компания» для использования при проектировании и эксплуатации электрооборудования СЭС в районах с ВУСГ. Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на XIII-ой межвуз. конф. "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2003 г.), на Всероссийской науч.-техн. конф. ТГУ (Тольятти, 2004 г.), на X и XI-ой Международной научн.-техн. конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика" МЭИ(ТУ) (Москва, 2004 и 2005 г.г.), на V-ой Международной научно-технической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, 2005 г.), на II-ой Всероссийской конф. по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2005 г). Реализация результатов работы. Результаты диссертации в виде рекомендаций по применению новых средств защиты от перенапряжений, мероприятий, математического и программного обеспече­ния переданы для использования в практике проектирования систем электроснабжения ОАО «Проект-электро» (г. Самара) и ОАО «Самарский Электропроект» (г. Самара). Разработанные методы моделирования и расчета волновых переходных процессов в схемах подстанций и систем электроснабжения используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета на кафедре “Автоматизированные электроэнергетические системы”, Петербургского энергетического института повышения квалификации, Самарской государственной академии путей сообщения. Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 9 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 125 наименований, содержит 191 стр. основного текста. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований. Показана научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы. С учетом нынешнего состояния, отраслевых особенностей нефтяной отрасли и производства, расположенного и развивающегося , в значительной мере, в районах с ВУСГ, и на основе технологической иерархически-структурной классификации электроустановок СЭС НП, рассматриваются принципы, положения и специфика построения СЭС НП и их защиты от перенапряжений в районах с ВУСГ. Проведен анализ существующих методов и средств обеспечения надежности СЭС НП при воздействиях в виде перенапряжений, на основе которого сформулирована необходимость представленного в работе развития уточненных методов анализа сложных электромагнитных процессов с учетом специфики названных задач и условий. В основном, при решении задач грозозащиты линий и подстанций СЭС НП, они опираются на физическое и математическое моделирование, поскольку экспериментальные исследования переходных процессов при грозовых разрядах на реальных линиях и подстанциях чрезвычайно затруднены. Констатируется также необходимость нетрадиционных методов, средств и схем защиты от перенапряжений, поскольку в названных условиях их известные аналоги становятся малоэффективными и многозатратными. В первой главе описаны физические процессы, характерные для летнего (грозового) сезона в районах с ВУСГ. Они, по существу, определяются наличием вечной мерзлоты в многослойной структуре грунтов и оказывают влияние на надежность защиты электроустановок от перенапряжений. Здесь следует назвать: - условия, способствующие грозообразованию - повышенная солнечная активность, резкий контраст температур над поверхностью земли и по времени суток; - оттаивание грунта на глубину максимально до 1м; - уменьшение удельного сопротивления грунта ρгр для верхних слоев до значений 100 Ом·м и менее при прежних значениях для нижних. Для учета условий ВУСГ при методической оценке надежности грозозащиты линий электропередачи сетей внешнего электроснабжения НП рассматриваются вопросы развития уточненных методов анализа электромагнитных процессов при грозовых разрядах на реальных линиях. Они основаны на современных представлениях об анализе волновых процессов в многопроводных коронирующих ВЛ, проходящих над землей с многослойной структурой и вечной мерзлотой. Ключевым моментом в оценках надежности грозозащиты линий и подстанций является определение деформации волн перенапряжений в многопроводных линиях под действием импульсной короны и поверхностного эффекта в земле и проводах, конструктивные особенности линии на подходе к подстанции и различие в величинах сопротивлений заземления опор линии на подходе к подстанции. Систему дифференциальных уравнений многопроводной линии с уче­том частотно-зависимых сопротивлений земли и проводов и нелиней­ных характеристик короны на проводах представим в следую­щем условном виде: , (1) , (2) где i, q, u - матрицы-столбцы токов, заря­дов и напряжений; -их операционные изображения; Zс(р) - квадратная матрица погонных сопротивлений соответствующей ли­нии без потерь; - квадратная матрица поправок, учитывающих по­тери в земле, проводах и тросах; А=АC-ΔА - квадратная матрица потенциальных коэффициентов с учетом поправок на корону. Приближенно, без значительных погрешностей, можно считать, что и многослойная структура, и величины проводимости слоев грунта практически не влияют на процессы коронирования. Поэтому, для построения физико-математической модели, целесообразно использовать подход, предложенный М.В. Костенко, Б.В. Ефимовым и др., который заключается в разделении линии на отдельные участки, в которых последовательными Z – звеньями учитываются частотно-зависимые параметры в продольных сопротивлениях линии, а поперечными Y – звеньями – нелинейные динамические емкости, учитывающие импульсную корону. Совместное решение операторных уравнений (1) и нелинейных уравнений в частных производных (2) производится приближенно с разделением линии на участки. В каждом из них есть отрезок идеальной многопроводной линии без потерь и блоки - модели, раздельно учитывающие все влияющие факторы (рис. 1). Рис. 1. Структурная схема модели участка многопроводной ЛЭП; блоки М – модели точки удара молнии, П – подстанции, Y – короны, Z – земли и проводов, Т – заземленного троса, ℓY, ℓZ, ℓТ - расстояния между соответствующими блоками. Расчет искажения и затухания волны заключается в вы­числении многократного преломления и отражения волн, набегаю­щих со скоростью света с по идеализированной линии (без потерь) с параметрами ZC и γC на Y и Z – узлы (рис. 1). В Y-уз­лы включены схемы, воспроизводящие нелинейные динамические характеристики импульсной короны на пораженном молнией про­воде ΔА (и*)· ℓY на участке ℓY , где и*= и / инк – отношение мгновенного значения напряжения к напряжению начала короны на проводе. Эти характеристики учитываются в работе по методике, предложенной М.В. Костенко, Б.В. Ефимовым, Н.И. Гумеровой и др. В Z-узлы включены индуктив­ности и сопротивления, отражающие, с достаточной для практики точностью, вещественную и мнимую частотные характеристики матриц сопротивлений проводов и земли ΔZ (p)· ℓZ на участке ℓZ . Их определение, которое является фактическим учетом многослойной структуры земли с вечной мерзлотой, произведено в работе в виде уточненного и приближенного решения задачи электромагнитного поля. Общее решение волнового уравнения ВЛ, вытекающего из системы уравнений Максвелла для провода над двухслойной землей (принято для упрощения изложения) с толщиной d верхнего слоя, с учетом известного допущения Карсона о том, что в земле поперечные составляющие Ez и Ey, может быть записано для электрической напряженности Ex в двух слоях земли в следующем виде: для , для , , Составляющие вектора H в соответствии с допущением Карсона о том, что в земле поперечные составляющие Ez << Ex и Ey << Ex, определены в работе из уравнения Максвелла rot EH. Магнитное поле в воздухе может быть принято в виде: , . Для определения составляющих Ex, Hy, Hz в разных средах в работе из условий на границах сред , , найдены произвольные функции λ: , , , где , , откуда после преобразований можно записать операторное выражение для учета влияния двухслойной земли для каждого элемента матрицы продольных сопротивлений ВЛ в условиях ВУСГ, выведенное с учетом допущений Карсона. , (3) где ,. В выражении для учета влияния многослойной земли A(λ) = ηI th χ, где и В работе получены также аналогичные выражения для решения поставленной задачи в точной постановке, без допущений Карсона. Проведенный анализ показал, что представленные выше более простые решения могут быть использованы в задачах анализа перенапряжений в СЭС НП с учетом влияния земли с ВУСГ с несущественными погрешностями по сравнению с более точными решениями. Этот учет производится путем включения в схемы Z –узлов простых эквивалентных схем, состоящих из активно - индуктивных звеньев, параметры которых подбираются из условия минимума расхождений их частотных характеристик продольных сопротивлений, определенных выше. На рис.2 представлены последовательные этапы упрощения модели Z – узла: а – исходная схема, где обозначениями ΔZ с соответствующими индексами представлена модель продольных сопротивлений троса и фазных проводов 1 и т.д.; в канале возврата по земле включено среднее взаимное сопротивление между проводами Zср, которое приближенно можно принять одинаковым для всех возможных вариантов (Z12=Z13= …= Zср); б - преобразованная схема, в которой влияние земли проводов и тросов учитывается эквивалентным частотно-зависимым сопротивлением Zэ, вычисляемым с помощью выражения (3); в – схема из m R-L цепочек, частотно-эквивалентная Zэ. а б в Рис.2. Последовательные приближения расчетных схем Z - узла. На основе полученного решения, для учета влияния сопротивления многослойной земли с ВУСГ с использованием приближенных моделей (рис. 2), а также моделей импульсной короны по методике М.В. Костенко, Б.В. Ефимова, Н.И. Гумеровой и др., произведено компьютерное моделирование деформации стандартных волн атмосферных перенапряжений (1/40 мкс) при их пробеге по ВЛ-110 кВ (грозотрос С-50, провода АС-150, опоры железобетонные высотой 17 м) над двухслойной землей с ρ1= 100 Ом·м, ρ2=1000 Ом·м. Были исследованы совместно и раздельно влияния земли, импульсной короны и заземленного грозозащитного троса. Результаты представлены на рис. 3, где индексы 2 и 3 (4, 5) соответствуют длинам пробега 2,5 и 5 км Рис.3. Деформация волн 1/40 мкс в ЛЭП – 110кВ с учетом влияния земли (З), импульсной короны (К), тросов (Т). 1- начальная волна; а) 2, 3 – З; 4,5 – З, Т; б) 2,3 –З, К. Толщина первого слоя 0,5 м. Рис. 4. Исследование деформации волн 1/40 мкс ВЛ-110кВ (2, 4, 5 для пробега 2,5км., 3, 6, 7 для 5км) 1 – исходная волна: а) при изменении толщины верхнего слоя 2,3 - 0,5м., 4,6 – 0,3м., 5,7 – 0 м.; б) при изменении удельного сопротивления верхнего слоя (толщиной 0,5м): 2,3 - 100 Ом·м, 4,6 – 500 Ом·м, 5,7 – 1000 Ом·м,. По результатам расчетов деформации волн атмосферных перенапряжений по линиям СЭС НП установлено, что для искаженных волн может быть использована общепринятая в анализе грозозащиты линейная аппроксимация фронта волны для широкого диапазона ее пробега по линии. Это позволяет предложить простую интерполяционную методику для определения как длины фронта волны, приходящей на подстанцию, так, при необходимости, уменьшения амплитуды (затухания). Она заключается в том, что, с помощью представленных выше способов, определяются искаженные волны перенапряжений с учетом всех влияний для фиксированных расстояний пробега от точки удара молнии с постоянным шагом 0,25 ÷ 0,5 км. Как правило, расчеты достаточно сделать для 5 ÷ 10 точек. Далее производится линеаризация фронтов волн и находятся их эквивалентные смещения по сравнению с исходной волной. После этого результат искажения для любой длины пробега можно определить с помощью интерполяции.

Похожие:

	Рефераты публикуемых статей Анализ эксплуатационной надежности распределительных устройств 110 – 750 кВ, защищенных ограничителями перенапряжений. Кренгауз Э....		Программа учебной дисциплины «эксплуатация систем электроснабжения» Целью изучения дисциплины «Эксплуатация систем электроснабжения» является формирование у студентов профессиональных навыков по использованию...
	Программа учебной дисциплины «проектирования систем электроснабжения» Целью дисциплины является приобретение студентами знаний в области проектирования и расчета систем электроснабжения и установок горного...		Рабочая программа учебной дисциплинЫ «монтаж и эксплуатация оборудования... Целью освоения дисциплины «Монтаж и эксплуатация оборудования систем электроснабжения» является получение студентами базовых знаний...
	Задание по курсу «Проектирование электроустановок в энергетике» на... В данной работе рассмотрено проектирование релейной защиты и автоматики, а также защиты воздушных линии электропередачи, подстанций...		Курсовая работа по курсу «Теория случайных потоков» на тему «Анализ... «Анализ надёжности электроснабжения подстанции «Новая» методом случайных потоков»
	Нефтяное хозяйство Журнал «Нефть России» — ведущее издание по нефтяной тематике на отечественном информационном рынке. Он адресован тем, кто интересуется...		Рефераты публикуемых статей Анализ систем защиты от перенапряжений в каскадно-мостовых преобразователях ппт. Дайновский Р. А. – Исследования и разработки мощных...
	Московский энергетический институт (технический университет) ...		Программа и методические рекомендации по организации производственных... «Экономика и управление на предприятиях нефтяной и газовой промышленности» и 080507 «Менеджмент организации»
	Практическая работа №5 «Сравнительная характеристика нефтяных баз России» Цель: создать условия для развития познавательного интереса к особенностям нефтяной промышленности на территории России через решение...		Рабочая программа учебной дисциплины диагностика и надежность автоматизированных систем В настоящее время растет сложность систем автоматизации и управления технологическими процессами. К надежности этих систем предъявляются...
	Библиография по технической мелиорации грунтов. Часть VIII. Очистка... В восьмой, завершающей, части обзора включена библиография по методам технической мелиорации грунтов, применяемым для очистки грунтов...		Работа выполнена в мэи(ТУ) студент кафедры эпп марков Ю. В. Список исполнителей Разработка динамических компенсаторов искажения напряжения с целью повышения надежности электроснабжения”
	Работа выполнена в мэи(ТУ) студент кафедры эпп марков Ю. В. Список исполнителей Разработка динамических компенсаторов искажения напряжения с целью повышения надежности электроснабжения”		Рабочая программа учебной дисциплины «Механика грунтов» Целью изучения дисциплины «Механика грунтов» является получение студентами комплекса представлений и знаний о физико-механических...