Исследование переходных процессов при пуске двигателя 6,3 МВт от тиристорного пускового устройства

Газоперерабатывающий завод (ГПЗ), как одна из разновидностей газохимических комплексов, представляет собой сложный технологический объект, отдельные установки и производства которого объединены единым процессом переработки газа. Для повышения надежности технологического процесса ГПЗ обычно состоит из нескольких (двух-четырех) технологических линий. По доле энергопотребления и установленной мощности ГПЗ — крупный потребитель с двигательной нагрузкой и большой установленной мощностью электроприводов. Структура электропотребления некоторых ГПЗ и заводов, перерабатывающих попутный газ в России, приведена в таблице 1. Электрооборудование ГПЗ имеет следующие категории по надежности электроснабжения потребителей: • особая категория электроснабжения потребителей, не допускающих перерыва в электроснабжении, работа которых обеспечивает локализацию аварии и безаварийную остановку технологического процесса при любых повреждениях технологической схемы и отказах внешнего электроснабжения; • первая категория электроснабжения потребителей, допускающих кратковременный перерыв в электроснабжении от десятых долей секунды до нескольких секунд — электродвигатели для управления инерционными технологическими процессами, например, для управления воздуходувками или ТЭНами; • вторая категория электроснабжения потребителей, допускающих длительный перерыв в электроснабжении без остановки технологических процессов — до нескольких десятков минут, при этом может снижаться производительность или качество продукции; • третья категория электроснабжения потребителей, допускающих длительный перерыв в электроснабжении, не оказывающий влияния на технологический процесс. Необходимо отметить, что значительная часть оборудования имеет особую категорию электроснабжения, то есть отдельные механизмы не должны выходить из работы ни при каких обстоятельствах, так как остановка последних может привести к внештатным ситуациям и аварийному прекращению технологического процесса. Особенностями питания электросетей ГПЗ являются: • большая единичная мощность и широкий диапазон изменения мощности синхронных и асинхронных электродвигателей, трансформаторов собственных нужд, вспомогательного электрооборудования (от единиц киловатт до десятков мегаватт); • большая общая протяженность кабельных линий (сотни километров); • присутствие всех средних классов напряжения для питания основного и вспомогательного оборудования — 6, 10, 35 кВ на одном объекте. Проектирование и ввод в эксплуатацию электрических мощностей при строительстве очередей Оренбургского ГПЗ (ОГПЗ) осуществлялось поэтапно, в соответствии с планом ввода нагрузки и обеспечением требуемой мощности технологических процессов. С развитием схемы энергоснабжения в некоторых режимах эксплуатации стали возникать проблемы с пуском мощных двигателей (6,3 МВт на одной из секций 6 кВ), в процессе которого срабатывала защита минимального напряжения секции. Каждый раз перед пуском двигателя оперативный персонал должен был дополнительно переключать отпайки регулятора напряжения силового трансформатора под нагрузкой (РПН), чтобы компенсировать просадку напряжения при пуске, что негативно сказывалось на ресурсе силового трансформатора, так как в процессе переключения отпаек РПН образовывалась электрическая дуга, приводящая к появлению газообразований в масле и сокращению срока службы регулятора РПН. Для уменьшения просадок напряжения на секции 6 кВ и облегчения условий пуска двигателей 6,3 МВт было принято решение об установке тиристорных пусковых устройств (ТПУ) по принципу регулятора напряжения (рис. 1). После ввода в эксплуатацию ТПУ эксплуатационный персонал столкнулся с регулярным отключением батарей силовых косинусных конденсаторов мощностью 2250 квар, установленных на смежной секции 6 кВ при пуске двигателя 6,3 МВт от ТПУ. Батареи косинусных конденсаторов мощностью 2250 квар выводились из работы максимальной токовой защитой (МТЗ), которая имеет следующие ступени срабатывания: токовая отсечка, то есть мгновенное отключение без выдержки времени (токовая уставка 1400 А); защита от перегрузки батарей с выдержкой времени 0,4 с (токовая уставка 250 А). Для анализа аварийной ситуации начальный процесс пуска двигателя от ТПУ был зафиксирован цифровым регистратором аварийных процессов и далее обработан с использованием математического аппарата для анализа спектра гармонических составляющих. Включаясь в определенные моменты времени согласно алгоритму пуска, ТПУ, снижая напряжение, подающееся на двигатель, потребляло несинусоидальный ток, что приводило к искажению питающего напряжения и появлению помех. На рис. 2 приведены характерные осциллограммы напряжения и тока в фазе «А», полученные с вводной ячейки закрытого распределительного устройства (ЗРУ) 6 кВ при пуске двигателя 6,3 МВт от ТПУ, с разложением кривой напряжения в ряд Фурье в начальной части процесса (в разложении учитывалось 20 периодов промышленной частоты). На рис. 3 представлены аналогичные осциллограммы напряжения и тока в фазе «А» и разложение напряжения в ряд Фурье в «относительно установившейся» части процесса (время разложения — с четвертой секунды пуска). Экспериментально полученный спектр гармоник напряжения на секции ЗРУ 6 кВ и тока, потребляемого двигателем, кроме характерных высших гармонических составляющих, кратных 6n ±1, содержит дробные ультрагармонические и дробные субгармонические составляющие, амплитуды которых постоянно меняются в процессе пускового режима. Появление дополнительных дробных гармонических составляющих объясняется пофазной несогласованностью характеристик полупроводниковых элементов, нелинейными амплитудно-частотными зависимостями элементов, входящих в распределенную сеть ОГПЗ, погрешностью, связанной с измерением и обработкой выходных сигналов, и некоторой несимметрией напряжения в длительном режиме эксплуатации, которая накладывается на входные сигналы и вносит искажения. Для оценки действующего значения тока с учетом высших гармонических составляющих, протекающего через конденсаторные батареи 2250 квар, воспользуемся методом суперпозиции или методом наложения, полагая, что зависимость сопротивления конденсаторных батарей на рассматриваемых частотах линейная. Принцип суперпозиции заключается в разбиении сложной задачи на ряд простых, в каждой из которых в рассматриваемой сложной цепи действует только одна электродвижущая сила (ЭДС), при этом все другие источники должны быть замкнуты накоротко с сохранением в ветвях их внутренних сопротивлений. В рассматриваемой задаче в качестве источников ЭДС принимаются эквивалентные амплитуды характерных и дополнительных высших гармоник напряжения, полученные из экспериментальных осциллограмм с соответствующей частотой. На рис. 4 представлена динамика изменения огибающей действующего значения тока, протекающего через батареи конденсаторов 2250 квар, с учетом высших гармоник тока при пуске двигателя 6,3 МВт от ТПУ. Анализируя полученные результаты (см. рис. 4), можно констатировать устойчивое срабатывание второй ступени МТЗ (токовая уставка 250 А), что и было зафиксировано на практике. Допустимый уровень гармоник напряжения в сети определен ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Согласно ГОСТ 13109-97, качество электрической энергии по коэффициенту k-ой гармонической составляющей напряжения в точке общего присоединения считается соответствующим требованиям данного стандарта, если наибольшее значение из всех коэффициентов k-ой гармонической составляющей напряжения за данный период времени не превышает предельно допустимого значения. При этом значение коэффициента k-ой гармонической составляющей напряжения, соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, также не должно превышать нормально допустимого значения. Качество электрической энергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения считается соответствующим требованиям стандарта, если наибольшее значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения не превышает предельно допустимого значения 8 %, а значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, соответствующее вероятности 95 % за установленный период времени, не превышает нормально допустимого значения 5 %. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, нормируемый ГОСТ 13109-97, определяется выражением: где u_K — действующее значение k-ой гармонической составляющей, u_Н — действующее значение междуфазного напряжения основной частоты. В рассматриваемом случае, отдельные амплитуды высших гармоник уже превышают регламентированные значения, как и предельно допустимый коэффициент искажения синусоидальности питающего напряжения, зафиксированный на уровне 9-11 %. Из всего многообразия способов снижения амплитуд высших гармоник от ТПУ, таких как применение электромагнитных пассивных фильтров, активных фильтров, схемо-режимные мероприятия, возможен простой выход из сложившейся ситуации — изменение токовой уставки второй ступени МТЗ батарей конденсаторов 2250 квар без изменения выдержки времени (предварительно согласовав с заводом-изготовителем величину токовой уставки). Дело в том, что время пуска двигателя от ТПУ в рассматриваемом случае составляет 15-20 с, по завершению которого предполагаемые фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) будут выведены из эксплуатации, что экономически нецелесообразно, учитывая стоимость ФКУ соответствующей мощности на напряжение 6 кВ. Обоснованность применения ФКУ обуславливается, в том числе, общим временем эксплуатации, что приемлемо для схем с преобразователями частоты (ПЧ), где искажения питающего напряжения и тока наблюдаются в течение всего времени эксплуатации ПЧ. Авторы: Иванов А.В., ООО «ВНИИГАЗ», г. Москва. Фоменко В.В., «ЯмалГазИнвест», г. Москва.