Защита электросетей нефтегазовых компаний

Аварийность электрооборудования на нефтегазовых предприятиях вызывается в основном особенностью его эксплуатации (частные коммутации, повышенная влажность, высокая температура, загрязненность, вибрация и др.), старением изоляции — около 70% электрооборудования на ряде месторождений исчерпало свой нормативный ресурс.

Электрические сети предприятий нефтегазовой отрасли рассчитаны на рабочее напряжение 0,22—0,38 (НН), 0,5—35 (СН) и 110—220 (ВН) киловольт.
В сетях низкого напряжения (НН) вследствие нарушений требований электромагнитной совместимости (ЭМС) повреждается изоляция не только сильноточного оборудования, например электродвигателей, но и слаботочного. Так, ЭВМ теряет «логику» уже при выбросах напряжения с амплитудой около 800 В, а выходит из строя (как и изоляционная конструкция) при напряжениях около 1100—1200 В. Перенапряжения в сетях НН могут иметь опасную для изоляции величину (кратность К>20—50). Эти перенапряжения могут возникать по одной из следующих причин:
• прямые разряды молнии на воздушные линии (ВЛ) и переход грозовых волн через трансформаторы в сеть НН;
• индуктированные перенапряжения, возникающие непосредственно в сетях НН, при ударах молнии вблизи ВЛ или кабельных линий;
• прямые удары молнии на линии НН;
• индуктированные перенапряжения при межблочных разрядах молнии;
• резкие срезы волн при срабатываниях разрядников, установленных со стороны высокого напряжения трансформаторов, и переход волн в обмотку НН, то есть в сеть НН;
• срабатывание предохранителей силовых трансформаторов, резкий обрыв тока первичной обмотки, рассеивание магнитной энергии, запасенной в обмотке, в колебательном режиме, передача переходного процесса в обмотку НН;
• то же, что и в предыдущем случае, но при резком обрыве тока с помощью коммутационных аппаратов (выключателей);
• повторные зажигания дуги между расходящимися контактами коммутационной аппаратуры, отключающей емкостную нагрузку (линии, конденсаторные батареи, ненагруженные шины и т.д.);
• коммутации отключения и включения электродвигателей.

Анализ результатов исследований показывает, что в сетях НН амплитуда грозовых перенапряжений может доходить до 20 кВ, а максимальная амплитуда коммутационных перенапряжений в ряде случаев составляет не менее 2,0—3,0 кВ.
В мировой практике для глубокого принудительного ограничения перенапряжений, возникающих в сетях НН, чаще всего применяются либо «грубая защита» (газоразрядные и вентильные разрядники), обеспечивающая напряжение на защищаемой изоляции не более (4,0—4,5)U_нф, где U_нф — номинальное фазное напряжение либо «тонкая защита», обеспечивающая остающееся напряжение на защищаемой изоляции не более (2,5—3,0)U_нф (ОПН или последние совместно с R-C цепочками, диодами Зенера и т.д.).
Сети средних классов напряжения (СН) нефтегазовых предприятий подразделяются на группы в зависимости от режима заземления нейтрали, наличия или отсутствия релейной защиты от замыкания на землю, уязвимости их для грозовых перенапряжений, интенсивности потока перенапряжений независимо от их происхождения:
• сети питания 6 кВ станков качалок;
• сети 0,5—3 кВ погружных электродвигателей электрических центробежных насосов;
• сети 6 кВ питания электрооборудования буровых установок;
• сети 6 и 10 кВ насосных и компрессорных станций;
• сети 6—35 кВ общего назначения объектов нефте- и газодобычи.

Опыт эксплуатации показывает, что из электрооборудования станков-качалок (трансформатор, выключатель, кабель, электродвигатель) наибольшей аварийностью обладают электродвигатели (около 8% от числа установленных в год). Не менее половины этих аварий приходится на долю перенапряжений, что подтверждается результатами исследования характеристик неограниченных перенапряжений.
Для электродвигателей 0,4 кВ станков-качалок наиболее частыми являются коммутационные перенапряжения. Положение усугубляется еще и тем, что в цепи этих электрических машин все чаще устанавливаются вакуумные контакторы. В таблице 1 приведены значения ожидаемых одногодичной (К₁), десятилетней (К₁₀) и пятидесятилетней (К₅₀) кратностей.

Грозовые импульсы в цепи электродвигателей станков-качалок, опасные для их изоляции, могут проникать через трансформаторы связи 6/0,4 кВ, защищенные со стороны высокого напряжения вентильными разрядниками. Для надежной защиты изоляции электрооборудования 0,4 кВ рекомендуется устанавливать ограничители перенапряжений на стороне как 6, так и 0,4 киловольт.
Анализ аварийности электрооборудования нефтяных месторождений указывает на большую аварийность погружных электродвигателей (ПЭД), которые обеспечиваются электроэнергией по схемам а) и б) рис. 1 с одним и двумя трансформаторами. В схеме (а) трансформатор Т имеет обмотки 6 (10)/U_раб/0,4, где U_раб=500—3000 В, во второй — трансформаторы Т1 и Т2 имеют обмотки 6 (10)/0,4 и 0,4/ U_раб. В обеих схемах U_раб зависит от глубины скважины.

Средний показатель надежности грозозащиты ПЭД по схеме рис. 1а составляет порядка одного года, то есть в течение одного года грозовые импульсы на изоляции ПЭД будут иметь амплитуду больше уровня их изоляции. Достаточно большим показателем надежности грозозащиты является схема рис. 1б (более 100 лет), что достигается благодаря двойному переходу волн через трансформаторы Т1 и Т2 и их значительному ослаблению. С целью обеспечения большой эксплуатационной надежности в схеме а) рис. 1 вентильные разрядники РВ следует заменить ограничителями перенапряжений (ОПН). Кроме того, следует подключать к началу кабеля К (после выключателя В2 — рис. 1а) ОПН, рассчитанный на напряжение U_раб.
В схемах электроснабжения ПЭД перенапряжения при дуговых замыканиях на землю не имеют существенного значения, так как есть защита, которая срабатывает при снижении изоляции фаз по отношению к земле и не допускает повышения напряжения до линейного. Главным образом в схемах электроснабжения ПЭД возникают коммутационные перенапряжения, вызванные наличием в цепи вакуумных контакторов. В таблице 1 приведены статистические характеристики этих перенапряжений, а именно — значения К₁, К₁₀ и К₅₀. Эти перенапряжения представляют опасность для изоляции погружных электродвигателей, так как кратность допустимых внутренних перенапряжений определяется по формуле:

и при U_ном=U_раб=500, 1000, 1500, 2000, 2500 и 3500 В составляет К_доп=2,8-4,6. Поэтому они должны быть глубоко ограничены с помощью ОПН, устанавливаемых в начале кабеля, правее выключателей В2 (рис. 1).

На рис. 2 приведена упрощенная схема энергоснабжения буровой установки при напряжении 6 кВ, где ТСН — трансформатор собственных нужд (400 кВ•А), МВ — масляный выключатель, ВК1 —ВК4 — вакуумные контакторы (ВК3 и ВК4 для выполнения реверса), Д1, Д2 — электродвигатели буровых насосов (630 кВт), Д3 — электродвигатель лебедки (600 кВт).

Анализ схемы грозозащиты буровой установки (рис. 2) показывает, что вентильный разрядник РВ обеспечивает необходимую величину показателя надежности грозозащиты (около 100 лет) других видов оборудования. В то же время показатель надежности грозозащиты всех трех электродвигателей (около 5 лет) имеет недостаточный уровень, поэтому электродвигатели должны быть защищены ограничителями перенапряжений, установленными за контакторами ВК1 —ВК4 в их сторону.
В сети 6 кВ буровых установок могут быть дуговые, коммутационные, а в присоединении трансформатора собственных нужд — феррорезонансные перенапряжения. Коммутационные перенапряжения имеют большую интенсивность и амплитуду из-за частых коммутаций электродвигателей по ходу технологического процесса и наличия в присоединениях электрических машин вакуумных контакторов.
В табл. 1 приведены характеристики К₁, К₁₀ и К₅₀ дуговых, коммутационных и феррорезонансных перенапряжений, возникающих в сети 6 кВ буровых установок. Сопоставление данных этой таблицы с уровнем изоляции U_доп показывает, что для электродвигателей наибольшую опасность представляют дуговые и коммутационные перенапряжения. Благодаря сравнительно большому запасу изоляции трансформатора собственных нужд (ТСН) перенапряжения, в том числе феррорезонансные, не представляют опасности для этого вида силового электрооборудования.

Для нормальной работы электрооборудования требуется принудительное ограничение внутренних перенапряжений. Для этого можно рекомендовать установку ограничителей перенапряжений на зажимах электродвигателей или около их вакуумных контакторов, а также в ячейке трансформатора напряжения взамен вентильного разрядника. Первые ОПН необходимы для защиты изоляции всех трех электродвигателей при их коммутациях и дуговых замыканиях на землю, вторые — для защиты всего электрооборудования. При работающих электродвигателях буровой установки ОПН, расположенные в их присоединениях, одновременно будут принимать участие в защите всего электрооборудования от грозовых и внутренних перенапряжений.
Упрощенная схема электроснабжения насосных и компрессорных станций приведена на рис. 3. В ряде случаев питающие трансформаторы Т1 и Т2 имеют класс напряжения 110 кВ. Поскольку сети 6 (10) кВ насосных и компрессорных станций кабельного исполнения, прямые удары молнии в эти сети исключаются. Грозовые волны, приходящие по линиям 35 (110) кВ в сети 6 (10) кВ, могут проникнуть через трансформаторы связи Т1 и Т2. Анализ показал, что последние, благодаря большой емкости кабелей сети 6 (10) кВ на землю и малой межобмоточной емкости трансформаторов, представляют небольшую опасность для изоляции электрооборудования, в том числе электродвигателей.

Результаты анализа аварийности электроустановок насосных и компрессорных станций позволяют отметить, что приблизительно 60% повреждений приходится на электродвигатели, выключатели, силовые трансформаторы и кабели при воздействии на них внутренних перенапряжений, возникающих при дуговых замыканиях на землю и при коммутациях (главным образом электродвигателей). Значения К₁, К₁₀ и К₅₀ в сетях 6 (10) кВ насосных и компрессорных станций приведены в табл. 1. В этом случае также требуется глубокое принудительное ограничение перенапряжений на изоляции электрооборудования в первую очередь электродвигателей.
Характеристики показателя надежности грозозащиты подстанций 6—220 кВ общего назначения приведены в табл. 2.

Как показывает анализ данных опыта эксплуатации, этот показатель на 30—50% меньше требуемого.
Значения К₁, К₁₀ и К₅₀ для этих же подстанций при внутренних перенапряжениях сведены в табл. 1. Перенапряжения для изоляции подстанций 6—220 кВ также в ряде случаев представляют значительную опасность.
Сегодня основная часть электрооборудования различных месторождений нефти и газа Российской Федерации и других стран СНГ проработала более 25—30 лет и исчерпала свой ресурс. Во многих случаях показатели надежности грозозащиты от внутренних перенапряжений значительно меньше требуемых эксплуатацией. Поэтому должна быть усовершенствована система защиты сетей 0,4—220 кВ. Эта проблема может быть частично решена путем замены вентильных разрядников на нелинейные ограничители перенапряжений.