Схемные, конструкторские и дизайнерские решения компенсированной системы электроснабжения сверхудаленных буровых установок с существенной величиной прочей нагрузки

Развитие нефтегазодобывающего комплекса неизбежно сталкивается с необходимостью освоения месторождений в труднодоступных местах, удаленных от баз обслуживания на многие километры. Это для питания буровых установок (БУ) обусловило создание высоконадежной перспективной системы электроснабжения (СЭС) на основе частотно-регулируемого электрического привода переменного тока [1-4]. В известной СЭС на асинхронные двигатели БУ переменное напряжение регулируемой частоты подается посредством общего двенадцатифазного некомпенсированного выпрямительного агрегата и индивидуальных автономных инверторов напряжения. С целью по- вышения энергоэффективности технологических процессов в работах [5, 6] предложено указанную СЭС перевести в компенсированный режим работы с использованием двенадцатифазного симметричного компенсированного выпрямительного агрегата (СКВ) с пятой и седьмой гармониками тока в коммутирующих конденсаторах. В результате аналитических исследований и подробного моделирования электромагнитных процессов [7, 8] c целью увеличения допустимой длины воздушной ЛЭП, передающей электрическую энергию от питающей подстанции до БУ, в работе [9] предложено компенсированную СЭС дополнить автотрансформаторными корректирующими устройствами и фильтром одиннадцатой гармоники, включаемым на входе СКВ. Этих решений оказывается достаточно при длине ЛЭП до 10–12 км и относительно не большой величине прочей электрической нагрузки в виде вспомогательных механизмов и других потребителей в районе БУ.

Реальная практика бурения в современных условиях сталкивается с необходимостью работы буровых установок при еще больших длинах ЛЭП и при такой величине прочей нагрузки, которые диктуют необходимость создания компенсированной СЭС, удовлетворяющей данным условиям. Требования к подобным СЭС сформулированы специалистами ОАО «Сургутнефтегаз». Эти требования предусматривают снижение потерь электрической энергии в столь длинных ЛЭП за счет уменьшения протекающего по ним тока, обеспечения номинальной величины и требуемого по ГОСТу качества напряжения на входе работающей БУ, а также непревышения 7,2 кВ действующего значения напряжения на БУ в режиме ее холостого хода.

Указанные требования удовлетворяются в рассматриваемой ниже компенсированной СЭС, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. По сравнению с СЭС, описанной в работе [9], здесь для снижения протекающего по ЛЭП тока используется включаемый на входе линии повышающий регулировочный трансформатор (или автотрансформатор), а для обеспечения номинального напряжения и повышения тока, потребляемого БУ и прочей нагрузкой, на выходе ЛЭП включается ТТКУ по схеме на рис. 2 с регулировочным понижающим трансформатором. Такое решение одновременно с указанным защищает потребителей электрической энергии от превышения допустимого напряжения при холостом ходе БУ. Следует заметить, что коэффициенты трансформации повышающего и понижающего трансформаторов определяются длиной ЛЭП.

Другой особенностью рассматриваемой СЭС является способ компенсации реактивной мощности. В данной системе введенное в состав ТТКУ компенсирующее устройство выполнено в виде компенсационного трансформатора и подключенной к его компенсационной обмотке конденсаторной батареи. Принципиальным моментом является то, что в отличие от СЭС, рассмотренной в [9],

Рис. 1. Принципиальная однолинейная схема компенсированной СЭС:

1 – понижающая подстанция 35/6 кВ; 2 – воздушная ЛЭП 6 кВ; 3 – двенадцатифазный диодный выпрямительный агрегат; 4 – распредустройство постоянного тока; 5 – автономные инверторы напряжения; 6 – асинхронные двигатели механизмов буровой установки; 7 – фильтр одиннадцатой гармоники; 8 – регулировочный трансформатор повышающий; 9 – трехфазное трансформаторное корректирующее устройство (ТТКУ)

Конденсаторная  Компенсационный Регулировочный батарея          трансформатор     трансформатор

Рис. 2. Принципиальная схема ТТКУ

x IO4

Напряжение и ток на входе ЛЭП

Напряжение и ток вентилей выпрямительного агрегат а

X 10

Напряжение и ток на выходе ЛЭП

X 10

Нап ряжение и ток на выходе выпрямительного агрегата

0.12    0.14     0.16    0.18     0.2

0.02

0.04

0.06

0.08

Напряжение и ток ко нденсатор ной бат ареи ТТКУ

2000 - ■

Рис. 3. Временные диаграммы напряжений и токов системы электроснабжения

компенсирующее устройство здесь работает на более низкой частоте, а именно, на частоте питающей сети. Естественным при этом является возрастание установленной мощности компенсирующего устройства. Однако одновременно увеличиваются и его компенсирующие возможности.

В пакете MATLAB разработана модель и выполнено моделирование электромагнитных процессов в СЭС по схеме (см. рис. 1). На рис. 3 в качестве примера приведены временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе ЛЭП, на конденсаторной батарее компенсирующего устройства, на вентилях выпрямительного агрегата, а также на входах автономных инверторов СЭС. На временных диаграммах толстыми линиями показаны токи, а тонкими – напряжения на элементах СЭС. При моделировании приняты реальные параметры СЭС [9]. В частности, длина ЛЭП принята равной 15 км, прочая нагрузка – 35 % от суммарной нагрузки, коэффициент трансформации повышающего трансформатора – 1,9, коэффициент трансформации понижающего трансформатора – 1,7, мощность компенсационного трансформатора

– 2500 кВА, мощность конденсаторной батареи – 2500 кВАр.

Как и в работе [9] для снижения несинусои-дальности напряжения на выходе ЛЭП использован пассивный фильтр одиннадцатой гармоники минимальной установленной мощности по схеме (рис. 4), в основном решающий только задачу компенсации мощности искажения.

Конденсаторная батарея фильтра КБФ

Реактор фильтра РФ

^I(11)\ I¹ )!) 0

Рис. 4. Принципиальная схема фильтра одиннадцатой гармоники

Проведенными исследованиями показано, что построение СЭС на основе применения элементов гибких линий электропередачи (продольная компенсация реактивной мощности, регулирование напряжения на входе и выходе ЛЭП и др.) позволяет создать системы электроснабжения, обеспечивающие надежное и энергоэффективное электроснабжение БУ. При длине ЛЭП до 10–12 км предпочтительны СЭС с компенсированными выпрямителями, конденсаторы компенсирующих устройств которых работают на повышенной частоте, что обеспечивает существенное снижение установленной мощности компенсирующего оборудования [5–9]. Однако в связи с возможным появлением режима повторной проводимости вентилей в таких выпрямителях, обусловленного тем, что в непроводящую часть периода напряжения на вентилях могут принимать положительные значения (см. диаграммы напряжения на вентилях на рис. 4 в работе [9]), возможности таких выпрямителей по компенсации реактивной мощности ограничиваются. В рассматриваемых в данной работе СЭС с компенсирующим устройством, работающим на частоте питающей сети, как следует из диаграмм напряжения и тока на вентилях на рис. 3, такого ограничения нет. Поэтому даже для сверхудаленных ЛЭП при значительной прочей нагрузке задача компенсации реактивной мощности полностью решается. Это видно из диаграмм токов и напряжений, как на входе, так и на выходе ЛЭП (см. рис. 3 в данной работе). Применением фильтра обеспечивается необходимое качество напряжения на БУ по несинусоидальности. Проведенными исследованиями также показана возмож-

Рис. 5. Конструктивное решение и схема соединения обмоток компенсационного трансформатора ТТКУ

Схема соединения обмоток

ность обеспечения номинальной величины напряжения на работающих сверхудаленных БУ, снижения потерь электрической энергии в ЛЭП за счет примерно полуторакратного уменьшения тока в линии по сравнению с суммарным током нагрузки и непревышения допустимого напряжения на БУ в режиме ее холостого хода.

На основании проведенных исследований электромагнитных процессов разработаны технические условия на выполнение предложенных СЭС. Совместно со специалистами ООО НТЦ «Приводная техника» (г. Челябинск) и ООО «Снежинский завод специальных электрических машин» ведется проработка конструктивных решений и модульноблочного дизайна предложенных систем. На рис. 5 представлен пример «штучной» конструкторской и дизайнерской работы по созданию компенсационного трансформатора ТТКУ.

Трансформатор выполняется на жесткой опорной раме без катков и размещается в блок-боксе цельнометаллического утепленного контейнера со степенью защиты IP54 по ГОСТ 14254-96, оборудованного автоматической системой обогрева и приточно-вытяжной вентиляцией. Для крепления трансформатора к полу контейнера в раме предусмотрены отверстия, а для строповки – крюки и проушины.

Магнитопровод трансформатора выполняется из электротехнической, холоднокатаной, анизотропной, тонколистовой стали марки 3408 (толщина 0,3 мм по ГОСТ 21427.1-83). Шихтовка магнитопровода по технологии «step-lap». Покрытие торцевых частей магнитопровода – композиция ОС-12-03 V.УХЛ2. Толщина покрытия 80–100 мм.

Система изоляции обмоток воздушнобарьерная (открытые обмотки). Обмотка низкого напряжения – многослойная цилиндрическая сечением 148,15 кв. мм, число витков – 72. Обмотка высокого напряжения непрерывная сечением 59,26 кв. мм, число витков – 180. Проводниковый материал - медь марки ПСДКТ 3,55 x 8,5 ТУ 16. К71.129-91. Обмотки дважды пропитываются лаком КО-916к и запекаются. Класс нагревостойко-сти обмоток «F». Вводы трансформатора высокого напряжения (3 шт.) и низкого напряжения (6 шт.) изготавливаются из шинной меди ШМТ сечением соответственно 4 x 40 и 6 x 40 мм по ГОСТ 434-78 и располагаются вдоль широких сторон трансформатора в верхней части.

Для защиты изоляции на трансформатор со стороны низкого напряжения устанавливаются ограничители перенапряжений 1 класса типа HDА-12МА-NHF производителя Raychem. Для поочередной индикации температуры трех обмо- ток и магнитопровода на трансформатор устанавливается блок контроля температуры сухих трансформаторов БКТ-3. Выдача информации по температуре в систему мониторинга подстанции осуществляется по стандартным цифровым интерфейсам связи (RS-232, RS-485).

Трансформатор имеет сейсмостойкое исполнение. Механическая прочность соответствует группе условий эксплуатации М18 по ГОСТ 17516.1–90.

В настоящее время проводятся работы по «системному дизайну» СЭС, предусматривающему компоновку вновь разрабатываемого отдельного оборудования в блоки и органичное вхождение их в состав СЭС и всей БУ.