Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ аварийности электротехнического комплекса погружных установок электроцентробежных насосов добычи нефти в составе «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» вследствие импульсных перенапряжений 10
1.1 Электрооборудование технологического процесса добычи нефти 10
1.2 Схемы электроснабжения УЭЦН 12
1.3 Характеристика изоляции системы Т-К-ПЭД УЭЦН 16
1.4 Классификация импульсных перенапряжений, воздействующих на изоляцию электрооборудования системы Т-К-ПЭД УЭЦН, и их последствия 17
1.5 Аварийность электрооборудования системы Т-К-ПЭД УЭЦН 18
Выводы по главе 21
Глава 2. Разработка методики оценки расхода ресурса изоляции статорных обмоток погружного электродвигателя 22
2.1 Оценка эффективности эксплуатации ПЭД 22
2.2 Вероятностная оценка эксплуатационной надежности системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» на нефтяных месторождениях Западной Сибири 27
2.3 Разработка алгоритма оценки риска отказа в нефтедобыче в условиях недостаточной информации об отказах ПЭД 37
2.4 Разработка методики и диагностической системы оценки остаточного ресурса изоляции ПЭД при импульсных перенапряжениях 49
Выводы по главе 61
Глава 3. Разработка математической, имитационной моделей и анализ параметров перенапряжений в узлах схемы электропитания электротехнического комплекса погружной установки добычи нефти 63
3.1 Разработка математической модели расчета импульсных перенапряжений в системе «трансформатор – питающий кабель – электродвигатель» 63
3.2 Построение «резонансной» кривой для элементов схемы электропитания электротехнического комплекса УЭЦН 69
3.3 Разработка имитационной модели электротехнической системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» и методики частотного анализа 74
3.4 Исследование работоспособности электротехнической системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» в различных режимах, при импульсных перенапряжениях в среде MATLAB Simulink 77
3.5 Выводы по главе 84
Глава 4. Разработка внутрискважинных устройств защиты от перенапряжений и устройств заземления для вечномерзлых грунтов, снижающих расход ресурса изоляции статорных обмоток погружного электродвигателя 85
4.1 Пути повышения надежности эксплуатации УЭЦН 85
4.2 Совершенствование устройств защиты от перенапряжений и возможные точки их размещения в схемах электроснабжения УЭЦН 87
4.3 Совершенствование системы заземления в схемах электропитания УЭЦН 92
4.4 Выводы по главе 97
Основные выводы по работе 98
Библиографический список 100
Приложения 111
- Схемы электроснабжения УЭЦН
- Вероятностная оценка эксплуатационной надежности системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» на нефтяных месторождениях Западной Сибири
- Построение «резонансной» кривой для элементов схемы электропитания электротехнического комплекса УЭЦН
- Совершенствование устройств защиты от перенапряжений и возможные точки их размещения в схемах электроснабжения УЭЦН
Введение к работе
Актуальность темы. Основная часть оборудования, которая в Российской Федерации используется для добычи нефти, размещена в районах с особыми природно-климатическими условиями: большое удельное сопротивление грунтов, интенсивное гололедообразование, высокая интенсивность грозовой деятельности. В настоящее время в электротехнических комплексах нефтегазодобывающих предприятий (НГДП) имеет место высокая аварийность, обусловленная воздействием на изоляцию электрооборудования внешних (атмосферных) и внутренних перенапряжений. Погружной питающий кабель, погружной электрический двигатель (ПЭД) имеют недостаточную защиту от внешних и внутренних перенапряжений. Так, почти 58 % аварийных ситуаций возникают из-за электрического пробоя обмоток в пазу статора, что связано со старением изоляции и перегревом статорного железа; 14 % – из-за отказа, обусловленного снижением сопротивления изоляции обмоток статора ПЭД; 11 % – из-за электрического пробоя одного из самых уязвимых элементов в конструкции электродвигателя - узла токоввода.
Погружные электрические двигатели установок электрических
центробежных насосов (УЭЦН), являясь одним из основных элементов электротехнического комплекса, обеспечивающего привод электрического центробежного насоса (ЭЦН), в значительной степени определяют надежность технологической системы в целом. Отказ ПЭД влечет за собой ущерб, связанный с недоотпуском нефти, затратами на восстановление технологического процесса и ремонт оборудования.
Поэтому повышение устойчивости к перенапряжениям, разработка методов, отечественных технических средств защиты от перенапряжений и обоснование превентивных мер предотвращения отказов в электротехническом комплексе погружных установок электроцентробежных насосов добычи нефти является актуальной проблемой.
Вышеуказанные вопросы разбирались в научных трудах следующих российских и зарубежных ученых: защита электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений: Ф.Х. Халилов, А.И. Таджибаев, В.Г. Гольдштейн; техника высоких напряжений: В. Бёк; электромагнитная совместимость и молниезащита в электроэнергетике: Э.М. Базелян, Г.Н. Александров, С.Л. Шишигин, М.В. Костенко, А.Ф. Дьяков; надежность погружных установок добычи нефти типа УЭЦН: В.В. Сушков, В.А. Ведерников.
Объектом исследования является электротехнический комплекс нефтедобывающих скважин.
Предметом исследования является аварийность системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» вследствие воздействия импульсных перенапряжений.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись
методы математического анализа, основы теории вероятностей, имитационного
моделирования схем электроснабжения УЭЦН. Математическое и
имитационное моделирование проводилось в программной среде MathWork Matlab.
Цель диссертационной работы заключается в повышении надежности электротехнического комплекса погружных установок электроцентробежных насосов добычи нефти при импульсных перенапряжениях в системе «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель».
Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи исследований:
-
Провести анализ аварийности электротехнического комплекса погружных установок электроцентробежных насосов добычи нефти в составе «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» вследствие импульсных перенапряжений.
-
Разработать методику оценки расхода ресурса изоляции статорных обмоток погружного электродвигателя при импульсных воздействиях и риска отказа при выработке ресурса изоляции.
-
Разработать модель расчета перенапряжений в системе «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель».
-
Разработать внутрискважинные устройства защиты от перенапряжений и устройства заземления для вечномерзлых грунтов, снижающие расход ресурса изоляции статорных обмоток погружного электродвигателя.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана методика оценки расхода ресурса изоляции статорных обмоток погружного электродвигателя, основанная на результатах анализа энергии импульсных перенапряжений, риска отказа и прогнозирования остаточного ресурса изоляции.
-
Разработаны математическая и имитационная модели для расчета импульсных перенапряжений в системе «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель», основанные на анализе широкого спектра частот импульсных воздействий, необходимые для выбора защитной аппаратуры и конкретизации места ее установки.
-
Определены и подтверждены зависимости величин напряжений и токов по элементам системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» от длины питающего кабеля, изменения сопротивления системы заземления и места установки защитного оборудования.
На защиту выносятся:
-
Методика оценки остаточного ресурса изоляции статорной обмотки ПЭД в составе системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель», подверженной импульсным перенапряжениям, которая включает в себя: оценку расхода ресурса, определяемая параметрами – количеством импульсных перенапряжений и энергии импульса и выражается в относительных единицах; прогнозирование ресурса изоляции, на основе искусственной нейронной сети; оценку риска, которая производится на основе нечеткой логики.
-
Результаты расчета кратностей импульсных перенапряжений, частотных и временных характеристик напряжения и тока в узлах системы
«трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель», полученные на основе разработанной имитационной модель в программной среде MATLAB Simulink, с учетом мест установки защитных устройств и заземления.
3. Варианты внутрискважинных устройств защиты от перенапряжений и устройств заземления для вечномерзлых грунтов и обоснование мест их установки в электротехническом комплексе «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель».
Практическая значимость:
-
Получено комплексное решение по защите погружного электрооборудования, позволяющее обеспечить безотказную систему электроснабжения УЭЦН в условиях воздействия импульсных перенапряжений.
-
Разработаны конструкции внутрискважинных устройств защиты от перенапряжений, новизна и приоритетность которых подтверждены патентами на полезные модели №159922, №165160; разработаны конструкции устройств заземления для вечномерзлых грунтов, новизна и приоритетность которых подтверждены патентами на полезные модели №163552, №163558, №170150; разработана программа расчета молниезащиты и заземления №2014614079.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Рассматриваемая область исследования эксплуатации элементов
электротехнического комплекса «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» при воздействии импульсных перенапряжений соответствует паспорту специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы, а именно: п. 1 «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем»; п. 4 «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях».
Реализация и внедрение результатов работы. Акты об использовании и внедрении результатов диссертационной работы приведены в приложениях.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и
обсуждены на следующих научных мероприятиях: Региональная научно-
практическая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых и
специалистов «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-
энергетическом комплексе» (Тюмень, 2011г.); Региональная научно-
практическая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых и
специалистов «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-
энергетическом комплексе» (Тюмень, 2012г.); Всероссийская научно-
практическая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых и
специалистов «Новые технологии – нефтегазовому региону» (Тюмень, 2013г.); I
Всероссийская научно-практическая конференция «Современное состояние и
перспективы развития электротехнических средств, радиотехнических систем и
комплексов» (Тюмень, 2014г.); VI Международная научно-практическая
конференция «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2014г.); VI Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (ВДНХ, Москва, 2014г.); V Международная научно-практическая конференция «Культура, наука, образование: проблемы и перспективы» (Нижневартовск, 2016г.); XI Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2016г.); Слет молодых инноваторов, изобретателей и рационализаторов регионов России (Казань, 2016г.); X Международная IEEE научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2016г.); VI Международная научно-практическая конференция «Культура, наука, образование: проблемы и перспективы» (Нижневартовск, 2017г.).
Личный вклад соискателя состоит в постановке и реализации задач
исследования, сборе и обработке статистических данных, формулировке
основных положений научной новизны и практической значимости, разработке
модели, выполнении расчетов, создании методики определения частотных
характеристик напряжения в узлах эквивалентной схемы электропитания УЭЦН
с учетом насыщения магнитной цепи силового трансформатора как элемента
электротехнического комплекса УЭЦН, создании методики оценки
технического состояния элементов электротехнического комплекса
«трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель», разработке внутрискважинных устройств защиты от перенапряжений и устройств заземления для вечномерзлых грунтов, внедрении полученных результатов.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается корректным использованием положений теории электрических цепей, математического анализа, теории электрических машин, теории вероятности, имитационного моделирования схем электроснабжения УЭЦН.
Результаты исследования прошли рецензирование в научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Исходные данные получены из реальных отчетов по неисправностям и отказам электрических сетей и погружного электрооборудования, выполненных организациями, имеющими соответствующее лицензирование, с участием аттестованных специалистов на сертифицированном оборудовании.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 17 печатных работах, из них 2 – статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 3 работы в изданиях, индексируемых в международных базах Web of Science и Scopus, 6 публикаций в других научных изданиях. Получено 5 патентов на полезную модель и зарегистрирована 1 программа для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатент). В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет более 50%.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, библиографического списка, включающего 96 наименований, в том числе 32 иностранных. Диссертация изложена на 131 странице машинописного текста, включает 42 рисунка, 7 таблиц, 4 приложения на 20 страницах.
Схемы электроснабжения УЭЦН
Электрооборудование нефтеносных районов получает электроэнергию от энергосистем с напряжением 110-220 кВ. На распределительных подстанциях установлены трансформаторы, понижающие напряжение до 6 или 10 кВ. Питание потребителей 6 или 10 кВ, в частности мощных электродвигателей, осуществляется с помощью силовых трехжильных кабельных линий. Прочие потребители получают электроэнергию через соответствующие трансформаторные подстанции. На ряде электроустановок напряжение 0,4 кВ снижается до десятков вольт для питания специального оборудования, такого как цепи управления, контроля и сигнализации. Особое место занимают погружные электродвигатели, напряжение питания которых в основном не соответствует ни основному, ни вспомогательному ряду напряжений переменного тока по ГОСТ 23366-78 [3].
В однотрансформаторной схеме электроснабжения ПЭД, изображенной на рисунке 1.1, использован трехобмоточный трансформатор (Т). Обмотки высокой стороны рассчитаны на 6 или 10 кВ, обмотки среднего напряжения определяются рабочим напряжением погружного электродвигателя (Uраб) и обмотки низкого напряжения, питающие станции обслуживания технологического агрегата, рассчитаны на 0,4 кВ. Электропитание ПЭД (М) выполняется через выключатель (Q) и питающий кабель (W). Со стороны высокого напряжения трансформатор защищен нелинейным ограничителем перенапряжений (ОПН) (U), который устанавливается на воздушных линиях (ВЛ).
Отличием схемы электроснабжения ПЭД, представленной на рисунке 1.2, является наличие трансформаторов (Т1) и (Т2). Первый трансформатор (Т1) 6(10)/0,4 кВ предназначен для питания станции обслуживания и иной нагрузки собственных нужд. Второй трансформатор (Т2) повышает напряжение с 0,4 кВ до В обеих упомянутых схемах обмотка 6(10) кВ трансформаторов защищена ОПН. Аппаратные или иные способы защиты обмоток 0,4 кВ и рабочего напряжения (Uраб) не предусмотрены. Вместе с тем в обеих схемах на стороне 0,4 кВ и рабочего напряжения (Uраб) могут иметь место импульсные перенапряжения, опасные для изоляции. Поскольку в схеме электроснабжения УЭЦН система Т-К-ПЭД не имеет резервного источника электропитания, она в наибольшей степени определяет влияние на надежность технологического процесса в целом.
При обустройстве месторождений нефти и газа широкое применение нашли комплектные трансформаторные подстанции блочного исполнения (КТПБ) отечественного и зарубежного производства.
Основой формирования специальных КТП – КТПП (комплектные трансформаторные подстанции передвижного исполнения) выступили следующие потребители: погружные электродвигатели, работающие на различных глубинах; компактные блоки, в которых помимо аппаратуры распределения электроэнергии располагаются и станции управления, и аппаратура механизмов ремонта скважин. Эти подстанции мощностью 63 – 400 кВА служат для приема и преобразования электроэнергии, управления и защиты одиночных ПЭД мощностью от 14 до 180 кВт. Для электроснабжения ПЭД на кустах скважин используются КТП типа КТППН – 400 – 6(10)/0,4 – 80 ХЛ 1 и КТППН – 630 – 6(10)/0,4 – 80 ХЛ 1.
Современные электродвигатели ПЭД представляют собой стальную трубу, диаметр которой несколько меньше нормального диаметра обсадных колонн. Обычно эти электродвигатели имеют следующие диаметры: 96, 103, 117, 123, 130, 138, 180 мм; а также длину от 6 до 8 м, в зависимости от мощности.
Питание ПЭД осуществляется по плоскому или круглому кабелю, марки которых перечислены в таблице 1.1.
В связи с тяжелыми условиями эксплуатации погружного электрооборудования к его изоляции предъявляются повышенные требования.
Вероятностная оценка эксплуатационной надежности системы «трансформатор – питающий кабель – погружной электродвигатель» на нефтяных месторождениях Западной Сибири
Время t работы системы Т-К-ПЭД до возникновения отказа является случайной величиной и определяется с помощью вероятностных методов. Надежность системы Т-К-ПЭД допустимо характеризовать вероятностью отказа Р и интенсивностью отказов Л. Рассмотрим вопрос определения вышеуказанных показателей надежности при различных законах распределения наработок на отказ элементов системы Т-К-ПЭД.
В процессе определения вероятности безотказной работы на основе математической модели «схема гибели и размножения» процесс расхода ресурса, связанный с перенапряжениями можно представить, как стационарный пуассоновский поток без последствия, состоящий из композиции простейших пуассоновских потоков внешних (атмосферных) и внутренних (коммутационных) перенапряжений, воздействующих на изоляцию ПЭД. Данный подход можно использовать для оценки расхода ресурса изоляции системы Т-К-ПЭД.
Отказы, которые возникают при различных импульсных воздействиях, носят случайный характер и включают в себя как внезапные, так и постепенные отказы. Внезапные отказы имеют место при резком внезапном изменения основных параметров системы Т-К-ПЭД из-за одного или нескольких случайных воздействий перенапряжений, либо вследствие ошибок обслуживающего персонала. Постепенные отказы - это отказы, при которых наблюдается плавное постепенное изменение технических характеристик элементов в результате износа отдельных частей или всего элемента в целом.
Сбор, анализ и обработка статистической информации по отказам и отключениям системы Т-К-ПЭД нефтяных месторождений, позволили определить основные законы распределения для аварийных отключений с классификацией по причинам отказов. К внезапным отказам, которые описываются экспоненциальным законом распределения наработок на отказ, относятся: пробой изоляции ПЭД, питающего кабеля и изоляции повышающего трансформатора напряжением 0,4 / Uраб. К постепенным отказам, которые описываются логнормальным законом распределения, относится, например, старение изоляции ПЭД и повышающего трансформатора напряжением 0,4 /Uраб. Фактически в системе Т-К-ПЭД имеют место отказы обоих видов, поэтому допустимо использование сочетания экспоненциального и логнормального законов, если элемент имеет стареющие изнашивающиеся части и подвержен внезапным отказам или какие-либо другие сочетания законов распределения наработок на отказ.
В настоящее время в НГДП Западной Сибири накоплен достаточный объем информации по отказам УЭЦН [17, 56, 64, 83, 87, 88, 90, 96]. По этим отказам определено распределение наработок на отказ УЭЦН, подчиняющееся в основном экспоненциальному и логнормальному законам распределения.
В работе определены законы распределения наработок между отказами для различных типов УЭЦН. В процессе анализа использованы данные НГДП по отказам УЭЦН более чем за 10-летний срок эксплуатации. При обработке статистическими методами вычислены среднее арифметическое, дисперсия, среднее квадратичное значение, коэффициенты вариации, эксцесса распределения наработок между отказами для различных типов УЭЦН. Проведены следующие мероприятия [27]: анализ однородности исходного статистического материала с целью объединения объема информации в одну общую выборку для проведения дальнейших исследований, определение резко выделяющихся наблюдений, доверительных интервалов, значение показателя надежности с доверительной вероятностью 0,8. Кроме того, для обработки статистического материала применялся статистический пакет STADIA 6.0 и зарубежные пакеты программного обеспечения Statgraphics, SPSS.
Для определения закона распределения наработок между отказами проведен анализ гистограммы частот, позволивший выдвинуть нулевую гипотезу. Так, для УЭЦН-30, -35, -50 эмпирическое распределение может быть описано экспоненциальным законом; для УЭЦН-80 - логнормальным. Проверка гипотезы об отсутствии различий между эмпирическим и теоретическим распределениями выполняется с использованием критерия Колмогорова, со2 и %2 Пирсона [27].
Результаты расчетов по определению законов распределения приведены в таблице 2.1, где показано, что наработка на отказ УЭЦН-30 распределена по экспоненциальному закону с функцией плотности /(7) = 0,0036е 00036/ ; критерий Колмогорова D = 0,06 значимость равна 0,6097 степеней свободы r = 39; D2 = 0,03277 значимость равна 0,666. Таким образом, распределение не отличается от теоретического. Критерий х2 = 4,77, значимость равна 0,3117, степеней свободы г = 4. Следовательно, распределение не отличается от теоретического. Согласно результирующим уровням значимости двух критериев принята нулевая гипотеза Щ экспоненциального распределения.
Предлагаемая математическая модель надежности системы Т-К-ПЭД, заключается в том, что проведены расчеты показателей надежности системы по формулам, основанным на сочетании экспоненциальной и логнормальной модели надежности.
Представление внезапных и постепенных отказов как независимых случайных событий с учетом функции надежности позволяет получить на основе сочетания законов экспоненциального и логнормального распределения достаточно простые и удобные формулы. Для выполнения расчетов по которым необходимо иметь табулированную нечетную функцию Лапласа, а также табличную функцию.
Анализ результатов расчетов показывает, что в течение всего срока эксплуатации рассматриваемой системы вероятность ее безотказной работы по экспоненциальной модели надежности Pf) и логнормальной модели надежности Plog„(t) существенно выше вероятности, рассчитанной с учетом обеих видов моделей Peiog„(t). Простота формул экспоненциального закона и малая трудоемкость расчетов привели к широкому использованию этого закона при оценке надежности системы Т-К-ПЭД. Но применение только экспоненциального закона и учет внезапных отказов, не отражающих внутренние свойства изделия, приводит к завышению показателей надежности системы. Расчет показателей надежности системы при пробое и разрушении изоляции с использованием только закона логнормального распределения недостаточно полно учитывает внезапные отказы. Отказы системы Т-К-ПЭД за счет пробоя и разрушения изоляции необходимо рассчитывать в сочетании логнормального и экспоненциального законов распределения.
Построение «резонансной» кривой для элементов схемы электропитания электротехнического комплекса УЭЦН
Анализ научных источников показал, что расчет импульсных перенапряжений в системе электроснабжения выполняется частотным методом на базе линейной цепной схемы замещения [14], позволяющей достоверно описывать процессы в частотном диапазоне от 2 кГц до 500 кГц, что предполагает работу магнитных систем электрооборудования в режиме насыщения. При этом расчет ненасыщенных магнитных систем сопряжен со значительными погрешностями, увеличивающимися с падением частоты ниже 2 кГц. Частотный метод позволяет построить «резонансную» кривую для каждого элемента схемы электропитания электротехнического комплекса УЭЦН. Под «резонансной» кривой понимается реакция на импульс перенапряжения, представленная в виде амплитудно-частотной характеристика скачка напряжения (перенапряжения) на вводе исследуемого элемента схемы электропитания электротехнического комплекса УЭЦН.
Для построения «резонансной» кривой электрическую схему электропитания ПЭД представим в виде схемы замещения системы Т-К-ПЭД. Расчет выполнен символическим методом в соответствии с [8].
С целью проведения частотного анализа в узлах схемы замещения при импульсных воздействиях, импульс перенапряжения разложен на гармонические составляющие (в ряд Фурье), подаваемые источником impulse, изображенном на рисунке 3.1. Частотная характеристика импульсных перенапряжений позволяет оценить передаваемую энергию изоляции электрооборудования системы Т-К-ПЭД.
Частотные характеристики импульсных перенапряжений в узлах схемы замещения системы Т-К-ПЭД, в соответствии с выражениями (3.9)-(3.11), приведены на рисунке 3.3.
Согласно рисунку 3.3, при частотах 39,5 кГц и 432 кГц имеются перенапряжения кратностью до 44 и 3 единицы соответственно, что повышает вероятность пробоя изоляции электрооборудования. Анализ амплитудно-частотной характеристики перенапряжения на входе погружного электродвигателя свидетельствует о том, что при отклонении частоты от рабочего значения 50 Гц, перенапряжение на шинах ПЭД возрастает. Однако, в силу резонансных явлений на частоте 70 кГц происходит просадка рабочего напряжения на зажимах ПЭД относительно номинального значения до 86 %, а при частотах, превышающих 276 кГц, напряжение на зажимах ПЭД вследствие короткого замыкания в кабельной линии падает практически до нуля. Максимальное перенапряжение на питающем кабеле и зажимах ПЭД, кратностью 44 единицы, возникает на частоте 39,5 кГц. Стоит отметить, что величины перенапряжений на зажимах ПЭД определяются не только параметрами импульса, но также и установленной мощностью электродвигателя и параметрами сетевого электрооборудования.
Полученные на рисунке 3.3 частотные характеристики W[f) позволяют по известному спектру импульсного воздействия Iimpu!se(f) рассчитать величины перенапряжений U(f) и к(ґ)в заданных точках 1-3 системы электроснабжения УЭЦН следующим образом:
- по входным частотным характеристикам элементов системы электроснабжения для ряда частот в соответствии с выражениями, приведенными выше, определяются параметры схемы замещения;
- вычисляется частотная характеристика входного воздействия ( f) и impulse определяется передаточная функция W(f) элементов системы электроснабжения;
- вычисляются /(/) в узлах схемы по выражению: u(f) = impulse (/) w{f); (3-20)
- обратным преобразованием Фурье по U(f) численными методами вычисляется зависимость напряжения от времени на элементах системы электроснабжения и(t).
Совершенствование устройств защиты от перенапряжений и возможные точки их размещения в схемах электроснабжения УЭЦН
Существующие решения для ограничения перенапряжений представлены только в виде наземного оборудования, устанавливаемого на трансформаторных подстанциях или на воздушных линиях, подходящих к станции управления УЭЦН. Такие решения не позволяют эффективно ограничить перенапряжения в изоляции погружных электродвигателей УЭЦН, что приводит к преждевременному выходу их из рабочего состояния. Таким образом, необходимы внутрискважинные устройства защиты от перенапряжений, способные сгладить фронты импульса, снизить кратность перенапряжений и количество отказов, связанных с электропробоем вследствие снижения сопротивления изоляции погружного электрооборудования в составе УЭЦН и тем самым повысить надежность работы УЭЦН на величину порядка 13% [32, 36, 55, 58, 80].
Известен погружной электродвигатель с повышенным коэффициентом мощности [40], содержащий корпус с размещенным в нем статором, ротором, узлом токоввода, системой гидрозащиты, а также модуля, жестко присоединенного посредством внутренней резьбы. Модуль включает в себя низковольтный косинусный конденсатор, закрепленный внутри устройства резиновой манжетой и гидравлически сообщается с погружным электродвигателем при помощи сквозных отверстий, выполненных в верхнем и нижнем основаниях корпуса.
Недостатком данного изобретения является невозможность ограничения перенапряжений, воздействующих на внутрискважинное электрооборудование.
Для решения задачи, связанной с возможностью ограничения перенапряжений в изоляции оборудования УЭЦН разработан ряд внутрискважинных устройств защиты [32, 36], поддерживающие изоляционные свойства оборудования на допустимом уровне с учетом проведенного анализа работы электрооборудования на особо опасных частотах.
На рисунках 4.1-4.3 представлены схемы разработанных внутрискважинных защитных устройств. Необходимый технический результат достигается установкой устройства защиты от перенапряжений непосредственно в скважине с возможностью соединения корпуса с погружным электродвигателем, как показано на рисунке 4.1.
На рисунке 4.2 изображены схема внутрискважинного ограничителя перенапряжений (вид сбоку, сверху) и электрическая схема подключения к погружному электродвигателю. Внутрискважинный ограничитель перенапряжений (1) состоит из герметичного цилиндрического корпуса (2), жестко присоединенного к погружному электродвигателю (3). Питание погружного электродвигателя и внутрискважинного ограничителя перенапряжений осуществляется питающим кабелем, выходящем из его корпуса. Внутри корпуса колонками установлены варисторы (4), количество которых определяется необходимыми техническими параметрами защитного устройства, в частности величиной ограничения напряжения. Электрические соединения внутри корпуса (2) с фазными проводниками А, В, С, выполнены шинопроводами (5), с заземляющим проводником PE – шинопроводами (6).
Принцип действия внутрискважинного ограничителя перенапряжений заключается в следующем: в нормальном рабочем режиме, при котором к варисторам приложено напряжение промышленной частоты, по величине не превышающее наибольшее рабочее напряжение защитного аппарата, через варисторы протекает ток утечки, зависящий от их параметров. При появлении опасного напряжения для питающего кабеля и ПЭД, варисторы переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемого электрооборудования. Отвод тока при перенапряжении осуществляется шинопроводами, соединенными с заземляющим проводником PE. При восстановлении нормального рабочего напряжения варисторы возвращаются в непроводящее состояние.
На рисунке 4.3 изображены схема внутрискважинного устройства защиты от перенапряжений (вид сбоку, сверху) и электрическая схема подключения к погружному электродвигателю.
Внутрискважинное устройство защиты (1) от перенапряжений содержит герметичный цилиндрический корпус (2), выполненный из прочного материала и жестко присоединенный к погружному электродвигателю (3) при помощи муфты. Питание погружного электродвигателя и внутрискважинного устройства защиты от перенапряжений осуществляется питающим кабелем, который выходит из корпуса защитного устройства. Внутри корпуса колонками установлены соединенные между собой варисторы (4), резисторы (5) и конденсаторы (6), количество которых зависит от технических параметров защитного устройства. Для возможности электрических соединений внутри корпуса защитного устройства установлены шинопроводы (7) для соединения с фазными проводниками А, В, С, а также шинопроводы (8) для соединения с заземляющим проводником PE.
В отличие от внутрискважинного ограничителя перенапряжений, изображенного на рисунке 4.2, разработанное защитное устройство, представленное на рисунке 4.3, способно посредством дополнительных резисторов и конденсаторов сгладить крутизну импульса перенапряжения на начальной стадии процесса развития, а, следовательно, дополнительно ограничить негативное воздействие на изоляцию питающего кабеля и ПЭД. Соответствующая осциллограмма перенапряжений на статорной обмотке ПЭД приведена на рисунке 4.4.