Вся информация на сайте предназначена только для специалистов кабельной отрасли, энергетики и электротехники.
+
 
Испытания

Влияние преобразователей частоты на изоляцию силовых кабелей нефтедобывающих станций

30.05.2018
Рубрика: Испытания

Обсудить на форуме

Информация предоставлена: cyberleninka

Время чтения ≈ 13 мин
34418
Авторы и источники / Правообладателям

Частотно-регулируемый электропривод имеет значительные функциональные возможности, что обеспечивает его самые различные области применения, в том числе и для погружных установок центробежных насосов нефтедобывающих станций. Однако в процессе эксплуатации сказываются негативные факторы, обусловленные влиянием высокочастотных составляющих напряжения, формируемого преобразователем частоты, на элементы привода: кабели, двигатели, трансформаторы и т. д. Это снижает надежность работы установки и соответственно ведет к возникновению аварийных ситуаций. Минимизация воздействия подобных факторов – одна из самых актуальных проблем в современной электротехнике.

В литературе анализируются различные причины отказов силовых кабелей для погружных электросистем [1] без применения частотно-регулируемого электропривода в силу накопленного значительного опыта эксплуатации. По теме применения преобразователей частоты такого опыта нет, публикации практически отсутствуют. Имеются лишь отчеты представителей нефтедобывающих предприятий, опубликованные в сети Интернет [2].

В данной статье рассмотрены последствия негативного влияния преобразователей частоты на изоляцию силовых кабелей, питающих погружные установки центробежных насосов нефтедобывающих станций ПО «Белоруснефть», а также предложены возможные пути для решения этой проблемы.

Совместно с преобразователями частоты в ПО «Белоруснефть» используют кабели типа КПпБП. Это трехжильные плоские кабели с двухслойной изоляцией из блок-сополимера пропилена с этиленом, подушкой из нетканого полотна, покрытые стальной броней. Длительно допустимая температура изоляции составляет 120 °С.

Упрощенная схема конструктивного исполнения частотно-регулируемого электропривода погружного насоса на основе станции управления типа «Борец» приведена на рис. 1

 

Рис. 1. Упрощенная схема конструктивного исполнения нефтедобывающей станции 

В скважине на глубине от 200 до 3000 м находится погружной электродвигатель (ПЭД) с центробежным насосом и насосно-компрессорной трубой. Питание на ПЭД подается посредством кабельной линии, состоящей из основного кабеля, соединительной муфты (сростки) и удлинителя типа УБ. Удлинитель выполнен трехжильным бронированным кабелем с резиновой изоляцией, каждая жила находится в свинцовой оболочке.

Управление ПЭД осуществляется с помощью станции управления «Борец-04», в состав которой входят силовой преобразователь частоты на основе мощных транзисторов типа IGBT и контроллер. Сформированное преобразователем частоты управляющее напряжение 0,4 кВ через частотный фильтр подается на повышающий трансформатор типа ТМПН, где повышается до 1000–2000 В и поступает на вводы кабеля.

В процессе эксплуатации подобных установок наблюдались неоднократные повреждения и отказы силовых кабелей в виде оплавления и пробоя изоляции в непосредственной близости от соединительной муфты. Повреждения кабельных удлинителей не наблюдались. Результатом отказов была остановка станций посредством срабатывания защиты на понижение сопротивления изоляции. В некоторых случаях срок службы кабеля не превышал 100 дней.

В табл. 1 приведены основные сведения по отказам кабелей в нефтегазодобывающем управлении «Речицанефть».

В процессе оплавления произошло расслоение изоляции жил с выделением жидкой фракции между слоями (рис. 2а, б). Изоляция практически полностью отслоилась от жилы, потеряв свою первоначальную форму и эластичность. В непосредственной близости от муфты имелись повреждения, свидетельствующие о междуфазном коротком замыкании (рис. 2в).

Ниже точки короткого замыкания непосредственно в самой муфте оплавление изоляции кабеля отсутствовало (рис. 2в). Выше по длине кабеля характер оплавления изоляции ослабевал, а над уровнем пластовой жидкости повреждения изоляции кабеля не наблюдались.

 

  

Рис. 2. Повреждения изоляции кабеля: а – силового; б – одной жилы; в – в разобранной муфте 

Для выявления возможных причин повреждений кабелей авторами данной статьи были проведены исследования формы напряжений и токов, питающих ПЭД, на скважине № 7 Дубровского месторождения с кабелем КПпБП-3х16, ПЭД типа ЭДБТ 40-117 и длиной погружной части 2136 м.

На стороне высокого напряжения на вводах питающего кабеля были подключены измерительные трансформаторы напряжения и тока. Вторичные обмотки измерительных трансформаторов были соединены с соответствующими измерительными преобразователями переменного тока, к выходам которых, в свою очередь, был подключен многоканальный цифровой регистратор аналоговых сигналов с интерфейсом USB. Отсчеты мгновенных значений измеряемых величин – фазных напряжений и линейных токов – в реальном времени записывались в память портативного компьютера. Измерения проводились для частот питающего напряжения 30; 45; 50 и 60 Гц. Частота дискретизации по одному каналу составила 5 кГц.

Примеры осциллограмм для частоты 50 Гц приведены на рис. 3.

 

Рис. 3. Осциллограммы: а – фазных напряжений; б – напряжения и тока по фазе А

В результате измерений оказалось, что форма токов по всем фазам ближе к синусоиде, чем форма напряжения. При этом нелинейные искажения формы напряжения возрастают с понижением частоты.

Исследования амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик при разложении в ряд Фурье показали, что в спектре высших гармоник напряжения явно преобладает третья гармоническая составляющая, а в спектре тока наблюдается незначительное преобладание второй гармоники, что свидетельствует о некоторой симметрии диаграммы напряжения относительно оси абсцисс и диаграммы тока относительно оси ординат [3].

В табл. 2 приведены значения АЧХ спектра для напряжения фазы А UA и тока фазы А IA при разложении в ряд Фурье по синусам для первых 10 гармоник, а также значения коэффициента искажения синусоидальности Kнс кривых напряжения и тока (как отношения среднеквадратического значения суммы высших гармоник к первой гармонике).

АЧХ и ФЧХ спектров напряжений и токов позволяют рассчитать входные импедансы по каждой гармонической составляющей. При этом необходимо учитывать направление активной мощности, так как нелинейная нагрузка может быть генератором по некоторым высшим гармоникам [3, с. 455]. Очевидно, если абсолютное значение фазового сдвига между напряжением и током для высшей гармонической составляющей превышает ±90°, то активная мощность этой составляющей направлена от нагрузки к источнику, т. е. от ПЭД к преобразователю частоты.

Таким образом, расчет импедансов (полных сопротивлений) относительно фазных напряжений, например, для фазы А, необходимо вести по формулам:

напряжения и тока;  – знак дизъюнкции (логического ИЛИ);  – знак конъюнкции (логического И).

Формулы (2) и (4) позволяют определить направление активной мощ-ности. Если эти условия не выполняются, то расчет импедансов ZA(k.0) или ZA не имеет смысла, так как их активные (вещественные) составляющие будут отрицательными. В случае направления активной мощности высшей гармоники от ПЭД к преобразователю частоты в (3) осуществляется дополнительный фазовый сдвиг гармонической составляющей тока на 180°.

Расчет для фаз В и С аналогичен.

В табл. 3 и 4 приведены значения входных импедансов по фазам А и В для различных значений частоты основной гармоники напряжения, подаваемого на ПЭД, для первых восьми гармоник при направлении активной мощности от преобразователя частоты к ПЭД (ZA(k.0) ) и от ПЭД к преобразователю частоты ( ZA(k.1) ).

Приведенные значения импедансов позволяют проанализировать возможные закономерности в смене направления активной мощности по высшим гармоникам, а также наличие резонансных режимов на промежуточных частотах между соответствующими частотами гармонических составляющих.

Из табл. 3 и 4, а также дополнительных расчетов, проведенных авторами, следует, что явная закономерность по направлению активной мощности как по разным фазам, так и по одной фазе, но на разных частотах, отсутствует. Это связано с тем, что реальные напряжения и токи не являются строго периодическими (рис. 3), тогда как при разложении в ряд Фурье они считаются периодическими функциями. Поэтому направление активной мощности по высшим гармоникам носит случайный характер. Главный фактор, по которому необходимо учитывать направление мощности, – это анализ наличия резонансов напряжения на промежуточных частотах между соответствующими гармоническими составляющими. О резонансе свидетельствует смена знака реактивной составляющей импеданса при данном направлении мощности. Так, из табл. 2 для ZA(k.0) на частоте 45 Гц нельзя сделать вывод о резонансе, но на частоте 50 Гц наблюдаются резонансы между 1 и 4, 6 и 7 гармониками. Аналогично можно обнаружить резонансы и при направлении активной мощности на высших гармониках от ПЭД к преобразователю частоты.

Исследования авторов показывают, что резонансные частоты для разных фаз и различных частот основной гармоники – также явление случайное. Следовательно, резонансы в сложной системе, аналогичной рассматриваемой, всегда имеют место. Очевидно, что необходимо различать локальные резонансы, не оказывающие существенного влияния на работу оборудования, и глобальные резонансы (как в высокодобротных цепях), приводящие к аварийным режимам. В первом случае при резонансе напряжений активная составляющая импеданса, зависящая от частоты, емкостей и индуктивностей схемы замещения, достаточно велика, и соответственно входной ток на резонансной частоте мал, перенапряжения отсутствуют, изоляция работает в рамках нормального режима. В случае глобального резонанса напряжений активная составляющая входного импеданса резко снижается, и изоляция подвергается перенапряжениям или перегреву из-за возросшего тока на частоте резонанса. Плюс к этому возможно влияние эффектов длинных линий, феррорезонанса, а также токов, протекающих в броне кабеля. 

Вывод

Таким образом, проведенные исследования носят лишь предварительный характер и нуждаются в продолжении. Поставленная задача является многофакторной. Исследуемый кабель находится под влиянием высокой температуры, высокого давления, химически агрессивной среды и высших гармоник напряжения и тока. Для окончательных выводов о влиянии преобразователей частоты на работу изоляции кабеля необходимо привлекать специалистов в области химии, физики, электроники. Измерения необходимо проводить на современном оборудовании, защищенном от влияния внешних помех. Исследования должны быть проведены на большом количестве объектов с целью повышения достоверности результатов.

Обсудить на форуме

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно