Системы электроснабжения буровых установок с ансамблем нечетно-кратных гармоник тока в однореакторном компенсирующем устройстве двенадцатифазного выпрямительного агрегата

Энергоэффективность буровых работ в нефтегазодобывающем комплексе во многом определяется надежным и экономичным функционированием систем электроснабжения (СЭС) буровых установок (БУ). Специфика построения таких СЭС требует учитывать:

– удаленность БУ от питающих понижающих подстанций;

– необходимость транспорта электрической энергии по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) с относительно большими как реактивными, так и активными сопротивлениями на значительные расстояния;

– нахождение БУ и ЛЭП в труднодоступных местах со сложными климатическими условиями;

– перспективность сформировавшегося в последние годы направления использования для питания асинхронных двигателей основных механизмов БУ общего выпрямительного агрегата и индивидуальных автономных инверторов напряжения [1].

В этих условиях для указанных СЭС весьма актуальным является решение научных и практических проблем, связанных со снижением потерь электрической энергии при ее передаче, с поддержанием номинальных качественных показателей электрической энергии как на БУ, так и на обеспечивающих ее жизнедеятельность потребителях в нормальном режиме работы буровой, а также с ограничением напряжения на всех потребителях в режиме холостого хода БУ. Такие требования при построении подобных СЭС приводят к целесооб- разности обращения к принципам, реализуемым в гибких (управляемых) ЛЭП [2]. Эти принципы предусматривают применение продольной компенсации индуктивного сопротивления линии, а также управление напряжениями на входе и выходе ЛЭП.

В соответствии с отмеченным, разработан ряд перспективных вариантов систем электроснабжения БУ [3–6], в которых продольная компенсация индуктивного сопротивления осуществляется путем перевода общего выпрямительного агрегата в компенсированный режим работы. В разработанных вариантах указанный перевод выполняется путем включения в выпрямительный агрегат специального компенсирующего устройства, содержащего два реактора и конденсаторную батарею [7–9].

В данной работе ставится задача дальнейшего повышения эффективности работы разработанных СЭС за счет применения в выпрямительном агрегате совмещенного однореакторного компенсирующего устройства и рекомендаций по выбору способа управления напряжениями в СЭС в зависимости от удаленности БУ от понижающей подстанции.

Принципиальная схема двенадцатифазного симметричного компенсированного выпрямительного агрегата (СКВА) с однореакторным компенсирующим устройством представлена на рис. 1. Двенадцатифазный СКВА содержит два шестифазных преобразовательных блока. Первый блок образован сетевой, вентильной, соединенной в треугольник, обмотками трансформатора и выпрямительным мостом ВМ1. Второй блок образо- ван сетевой, вентильной, соединенной в звезду, обмотками трансформатора и выпрямительным мостом ВМ2. Общее для обоих блоков компенсирующее устройство состоит из одного реактора с двумя рабочими РО1, РО2, одной компенсационной КО обмотками и конденсаторной батареи КБ.

В результате подробного анализа электромагнитных процессов в СКВА при обычных для мощных преобразователей допущениях установлены

соотношения, определяющие спектр входного тока первого блока. Принимая, как и в [10], в качестве базисной величины амплитуду установившегося

значения тока коммутации, для амплитуды синусной составляющей k- той гармоники фазы А входного тока первого блока в относительной форме

получаем:

2 [ 1 +

B 6 1k * =

( - 1) k⁺¹ ] I d

— kh 2

— sin k —^ m

cos                      +

Т.п.     , yn sin k (a + —+ —)cos k J—

2 m 2

A 1 2( v 2 - 1) Id.

—— cos ( k - 1)( a + — ) + k—

k

sin

I---------------------1

k - 1

Y

m

sin( k - 1) ^ +

sin k ¹— ।

k                  Yx    —

+-- cos ( k + 1)( a +— ) + k— k + 1              2     m

k + 1

+ sin( k +1) ||-

спектра тока фазы А этого блока, построенного в соответствии с соотношениями (1) и (2).

Принятая на рис. 1 группа соединения обмоток преобразовательного трансформатора осуществляет сдвиг в сторону опережения на 30 эл. град. мгновенного значения входного тока второго блока. В результате векторное изображение спектра входного тока фазы А второго блока принимает вид, представленный на рис. 1 рядом с этим блоком. При трансформации отдельных гармоник в питающую сеть с учетом той последовательности фаз, которую они образуют, в питающей сети суммируются ансамбли четно-кратных и уничтожаются ансамбли нечетно-кратных гармоник токов первого и второго блоков. Векторное представление спектра тока фазы А сети показано на входе СКВ. Оно отвечает двенадцатифазному режиму преобразования электрической энергии.

Схемой соединения рабочей обмотки РО2 реактора компенсирующего устройства в зигзаг и ее противофазным включением по отношению к рабочей обмотке РО1 обеспечивается встречное направление МДС, создаваемых ансамблями четнократных гармоник токов, протекающих в рабочих обмотках. Для ансамблей МДС, создаваемых нечетно-кратными гармониками токов в рабочих обмотках, соединение рабочих обмоток является согласным. Поэтому результирующая МДС рабочих обмоток реактора определяется только суммарным ансамблем нечетно-кратных гармоник входных токов блоков. Под действием результирующей МДС в магнитопроводе реактора создается соответствующий магнитный поток, а на компенсационных обмотках КО и конденсаторах конденсаторной батареи КБ формируются напряжения с ансамблем нечетно-кратных гармоник. Векторное представление спектра напряжения фазы А конденсаторной батареи показано на рис. 1 рядом с КБ . Напряжения на конденсаторах КБ осуществляют одноступенчатую искусственную коммутацию вентилей СКВА, а СЭС приобретает описанные в [10,11] свойства высокоэффективной продольной компенсации индуктивного сопротивления и совершенствования основных ее характеристик.

С использованием описанной картины поведения спектров и выражений (1) и (2) рассчитаны амплитудные и действующие значения токов и напряжений на элементах СКВА. В результате разработаны технические условия на перевод в компенсированный режим работы выпрямительного агрегата мощностью 3200 кВА с номинальными выпрямленными напряжением и током 825 В, 3200 А для буровой установки БУ-4200/250 ЭК-БМ (Ч). С целью практической реализации проведенных исследований совместно со специалистами группы компаний «Приводная техника» (г. Челябинск) и ООО «Снежинский завод специальных электрических машин» ведется проработка конструктивных решений и модульно-блочного дизайна предложенных систем, а также способов

sin

4 . I k ^{1 1} . . Y —X

YTY1Y-cos k(a + 2 + ~)

' 4

_-

_-

vY

+

2 I

d *

k

k - v

sin

I---------------------1

cos k + v

A 2 *

2 I d *

k

k

m

sin( k -v) ^ +

, / Y — x vy k (а + Т + —) + V 2m 2

cos

I—I

sin k - v

cos

II

sin k + v

s ⁱⁿ⁽ k + ^{v )} 2

k ( a + — + — ) 2 m

, / Y — x vy ^{k ( a+}T⁺ ) ¹ ., 2 m 2

vY

sln( k -v )^Y -

sin|k 'v,2-

где a и 2 — углы включения и коммутации вентилей; m=3 – число фаз в коммутирующей группе вентилей; v - собственная частота контура коммутации, отнесенная к частоте напряжения питающей сети; 4 1 * , 4 1 * , I d * - относительные величины постоянных интегрирования и выпрямленного тока [11].

Амплитуда косинусной составляющей определяется путем замены в (1) тригонометрических функций и знаков сложения на указанные над горизонтальными скобками. Соответственно амплитуда k -й гармоники фазы А входного тока первого блока равна:

I 6 1 mk * = V B6 1 k * ⁺ C 61 k * • ⁽²⁾

Как следует из соотношений (1) и (2), спектр входного тока первого блока содержит гармоники порядка k = 6 s ± 1, где s = 0,1,2,3,4,5,... . Значениям s = 0,2,4,... отвечает ансамбль четнократных, а значениям s = 1,3,5,... - нечетнократных гармоник тока. На рис. 1 рядом с первым блоком представлено векторное изображение

АВС

Рис. 1. Принципиальная схема СКВА с однореакторным исполнением компенсирующего устройства

управления ими. В качестве примера на рис. 2 представлен результат «штучной» конструкторской и дизайнерской работы по созданию реактора указанного СКВА. Приведем основные параметры реактора (обозначение реактора при его заказе – РТСКБ -825/3200 УХЛ3).

Номинальные мощности обмоток (кВА):

РО1 – 390, РО2(1) и РО2(2) – 226, КО –180.

Номинальные фазные напряжения обмоток (В):

РО1 – 100, РО2(1) и РО2(2) – 58, КО –1700.

Номинальные фазные токи обмоток (А):

РО1 – 1300, РО2(1) и РО2(2) – 1300, КО –35.

Магнитопровод реактора выполняется из анизотропной холоднокатаной электротехнической стали марки 3408, толщиной 0,3 мм. Шихтовка магнитопровода по технологии “step-lap”. Покрытие торцевых частей магнитопровода – композиция ОС-12-03 V.УХЛ2. Величина магнитной индукции В = 0.55 Тл.

Обмотки реактора выполненяются с воздушно-барьерной системой изоляции (открытые обмотки):

• –    трехфазная обмотка КО – слоевая цилиндрическая, марка и размер провода ПСДКТ 2,0 x 10,0, сечение витка S=19,6 кв. мм. Количество витков W=118;

• –    трехфазная обмотка РО1 – дисковая катушечная, марка и размер провода ПСДКТ 3,35 x 7,1, сечение S=559,4 кв. мм. Количество витков W=7;

• –    трехфазная обмотка РО2 – дисковая катушечная, марка и размер провода ПСДКТ 3,35 x 7,1, сечение S=559,4 кв. мм. Количество витков в каждой из частей обмотки W=4.

Обмотки дважды пропитываются лаком КО – 916к и запекаются.

Вводы реактора выполняются из шинной меди:

• -    вводы обмотки КО - шина ШМТ 4 x 20 мм;

• –    вводы обмотки РО1, РО2 – шина ШМТ 10 x 80.

Покрытие конструктивных деталей и торцевых частей магнитопровода – композиция ОС-1203 V.УХЛ2. Толщина покрытия 80–100 мм. Покрытие конструктивных деталей из стеклотекстолита – лак КО – 916к.

Реактор выполняется на опорных подкареточных балках.

К практическим результатам работы следует отнести и предлагаемые ниже три варианта построения СЭС, обеспечивающие указанное выше управление напряжениями в системах. Принципиальные однолинейные схемы СЭС показаны на рис. 3–5. Во всех этих вариантах СЭС питает основные механизмы БУ (асинхронные двигатели

Вид спереди                       Вид сбоку

360    360

Рис. 2. Конструктивное решение и схемы соединения обмоток реактора компенсирующего устройства СКВА

буровых и цементировочных насосов, роторного ствола, лебедки Д₁ - Д _n ) посредством автономных инверторов напряжения АИ ₁ - АИ_n и общего выпрямительного агрегата.

В СЭС по схеме на рис. 3 регулирование напряжения осуществляется с помощью трехфазного корректирующего устройства ТКУ1 в виде повышающего автотрансформатора (или трансформатора) с изменяемым в зависимости от длины ЛЭП коэффициентом трансформации. ТКУ1 может включаться либо в начале ЛЭП, либо в ее рассечку. В последнем случае при необходимости возможно повторное включение ТКУ1 [5]. Достоинством СЭС является ее простота. К недостаткам можно отнести то, что при ее использовании для сверхудаленных ЛЭП становится затруднительным поддержание в допустимых пределах напряжения на буровой и прочей нагрузке в режиме холостого хода БУ. Данная СЭС рекомендуется для электроснабжения БУ со средней длиной ЛЭП.

В СЭС по схеме на рис. 4 используется два аналогичных трехфазных корректирующих устройства: ТКУ1 повышающего и ТКУ2 понижающего типа [6]. При относительной простоте в такой СЭС удовлетворяются все указанные выше требования к ней даже для сверхудаленных БУ. При этом существенно снижаются потери электрической энергии при передаче по ЛЭП за счет уменьшения тока в линии, обеспечивается необходимая токовая нагрузка прочих потребителей в районе БУ и ограничивается напряжение на всех потребителях в режиме холостого хода БУ. Данная СЭС особенно целесообразна для электроснабжения БУ с большой длиной ЛЭП.

В СЭС по схеме на рис. 5 используется аналогичное рассмотренному в [2] векторное управление напряжением на входе ЛЭП. В соответствии с векторной диаграммой управления достоинством варианта является возможность плавного регулирования напряжения на входе ЛЭП с одновременным управлением потоком реактивной мощности.

+

^^^^^^™

Д1

Д?

дп

Рис. 3. СЭС с повышающим ТКУ1 в рассечке ЛЭП

+

^^^^^^™

АТ1

АТ2

Рис. 4. СЭС с повышающим ТКУ1 и ТКУ2 по концам ЛЭП

U S

ЛЭП

35/6 кВ

В

АИН

2i

U R U 2 х 12

U у

Т 2

^ СКВ

+

^^^^^™

АИ, АИ,

АИ,

Д:

Дп

UR4 UR3 UR2 UR1

I S ...........s⁷

S ^‘

U у1

U у2

U у3

US Uу4

Рис. 5. СЭС с с векторным управлением

К недостаткам следует отнести определенную сложность устанавливаемого на питающей подстанции дополнительного оборудования в виде параллельного и последовательного трансформаторов, управляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ. Данная СЭС может быть использована при любой длине ЛЭП.

С целью снижения несинусоидальности напряжения выпрямительный агрегат во всех представленных СЭС выполняется в диодном двенадцатифазном исполнении. В том случае, когда требуется дополнительное снижение несинусои-дальности напряжения на БУ, на входе СКВ включается фильтр одиннадцатой гармоники Ф минимальной установленной мощности [11], рассчитанный только на компенсацию мощности искажения.

Заключение

Разработаны новые энергоэффективные варианты компенсированных систем электроснабжения буровых установок нефтегазодобывающего комплекса и способы управления ими. На основе анализа электромагнитных процессов определены параметры и выполнены конструкторские и дизайнерские работы по созданию реакторного оборудования систем.