Электромагнитная совместимость систем электроснабжения нефтяной промышленности при внешних и внутренних импульсных электромагнитных воздействиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Гольдштейн, Валерий Геннадьевич

• Гольдштейн, Валерий Геннадьевич
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Гольдштейн, Валерий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Теоретическое и практическое определение и решение проблемы электромагнитной совместимости сетей электроснабжения нефтяной промышленности при мощных импульсных электромагнитных воздействиях и постановка задач работы.

1.1. Иерархически-структурное определение задач электромагнитной совместимости при воздействиях перенапряжений в системах электроснабжения нефтяной промышленности.

1.2. Технологическая иерархически-структурная классификация электроустановок систем электроснабжения нефтяной промышленности.

1.3. Классификация электромагнитных воздействий на электроустановки и электрооборудование сетей электроснабжения нефтяной промышленности

1.4. Изоляция электрооборудования в сетях электроснабжения нефтяной промышленности.

1.5. Современное состояние обеспечения электромагнитной совместимости от электромагнитных воздействий в сетях электроснабжения нефтяной промышленности.

1.6. Анализ опыта эксплуатации электрооборудования в сетях электроснабжения нефтяной промышленности.

Глава вторая. Методика исследований электромагнитной совместимости при электромагнитных воздействиях в сетях электроснабжения нефтяной промышленности.

2.1. Методы исследований грозозащиты подстанций с помощью автоматической регистрации, физических моделей и натурных экспериментов

2.2. Анализ грозозащиты подстанций методом "бегущих волн".

2.3. Вероятностные методы исследований грозозащиты подстанций.

2.4. Метод статистических испытаний исследования электромагнитной совместимости электроустановок в электроснабжении от внешних атмосферных грозовых воздействий.

2.5. Методика исследований грозозащиты линий электропередачи.

2.6. Методы исследования внутренних перенапряжений в системах электроснабжения.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Результаты исследований электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях электроснабжения нефтяной промышленности.

3.1. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях на линии электропередачи.

3.2. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях на подстанции.

3.3. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях погружных электродвигателей.

3.4. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях 6 кВ буровых установок.

3.5. Результаты анализа электромагнитной совместимости при внешних электромагнитных воздействиях в сетях 0,4 кВ.

3.6. Анализ и рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости электрооборудования подстанций при внешних электромагнитных воздействиях в сетях электроснабжения нефтяной промышленности.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Результаты исследований электромагнитной совместимости при внутренних электромагнитных воздействиях в системах электроснабжения нефтяной промышленности.

4.1. Внутренние электромагнитные воздействия на подстанциях 110 кВ, работающих в сетях с заземленной нейтралью.

4.2. Внутренние электромагнитные воздействия в сетях 6 - 35 кВ электроснабжения нефтяной промышленности.

4.3. Внутренние электромагнитные воздействия на электродвигатели станков-качалок.

4.4. Внутренние электромагнитные воздействия на погружные электродвигатели

4.5. Внутренние электромагнитные воздействия на электрооборудование 6 кВ буровых установок.

4.6. Внутренние электромагнитные воздействия на электрооборудование 6 - 10 кВ насосных и компрессорных станций.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромагнитная совместимость систем электроснабжения нефтяной промышленности при внешних и внутренних импульсных электромагнитных воздействиях»

Актуальность проблемы и темы работы.

Взаимодействие физических систем обусловлено перераспределением энергии, аккумулированной в них и проявляющейся в самых различных видах, формах и процессах. Области взаимодействий пересекаются друг с другом, а иногда ограничены пределами конкретной системы. Воздействия на систему можно разделить на внешние и внутренние и, кроме того, на естественные — обусловленные процессами в окружающей среде, и искусственные — вызванные различными видами деятельности человека.

Результаты взаимодействий оцениваются по их последствиям:

- взаимодействующие системы продолжают функционировать без существенных изменений или с некоторым износом — выработкой технологических и защитных ресурсов;

- во время взаимодействий происходят нарушения состояния систем, технологии, качества продукции и т.д., которые можно преодолеть различными способами;

- взаимодействия приводят к выходу из строя элементов или систем в целом.

В связи с этим вводится понятие совместимости физических систем как их способности противостоять внешним и внутренним воздействиям. Совместимость обеспечивается собственными свойствами физических и, в особенности, технических систем и установок, а также конструктивными внутренними и внешними защитными устройствами и мероприятиями.

Для решения вопросов совместимости необходимы:

- классификация анализируемых систем, взаимодействий и воздействий;

- определение параметров и характеристик потоков названных внутренних и внешних воздействий;

- статистическое изучение их результатов, таких как аварийность, временное или полное прекращение функционирования, износ, старение и кумулятивные эффекты, эффективность восстановления работоспособности, ремонта и его экономических характеристик;

- определение способов и средств управления параметрами воздействий, то есть их ограничения до таких величин, когда они не нарушают нормальную работу названных систем;

- технико-экономическое нормирование испытательных воздействий на конкретные установки физических и технических систем с целью определения соответствующих характеристик совместимости;

Многосторонняя научно-техническая проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) электроустановок в сетях и системах электроснабжения (СЭС) основана на определении ЭМС, как способности СЭС нормально функционировать в условиях интенсивных внешних и внутренних электромагнитных воздействий (ЭМВ). Они получили название "электромагнитные помехи" (ЭМП). При этом СЭС должна доставлять потребителям электроэнергию, соответствующую требованиям нормативных документов (ГОСТ, РУ, ПУЭ и др.) [1-5].

Многообразие направлений комплекса научных, технических, экономических и организационных задач обеспечения ЭМС определяется при проектировании и эксплуатации разнообразием причин происхождения, распространения, последствий ЭМП и способов защиты от них, условиями и отраслевой спецификой СЭС [6,7,12,14,15,18,21,22,28,30,32,120,247Д70,271,302].

Одно из значительных направлений это — обеспечение ЭМС при перенапряжениях и соответствующих токах в переходных и квазистационарных процессах, вызванных в СЭС и электроустановках внешними и внутренними причинами. Оно занимает важное место среди проблем ЭМС, так как названные* ЭМВ, нарушая изоляцию электрооборудования одномоментно или постепенно, приводят к частым авариям в отдельных участках и во всей электрической сети СЭС [8,16,26,31,23,25,35,43,46,59,83,90,92,104,124,134].

Поэтому международные электротехнические организации (МЭК, СИГРЭ и др.), оценивая сравнительную важность работ в области ЭМС, отмечают, перенапряжения как одно из приоритетных направлений в этой области электротехнической науки [144,157,169,199,226,242,243,250,252,253].

Обеспечение ЭМС при воздействиях таких ЭМП, как перенапряжения, определило направление диссертации, а важность этой проблемы для одной из ведущих отраслей — нефтяной промышленности (НП) — её отраслевую специфику. В этой отрасли для решения широкого круга технико-экономических задач ЭМС, возникающих при проектировании, реконструкции и эксплуатации СЭС недостаточно рекомендаций ГОСТ, РУ, ПУЭ и др. [1-5].

Эти директивные материалы не учитывают специфику различных отраслей промышленности, что приводит к значительной аварийности электрооборудования СЭС НП вследствие воздействия на них даже небольших по величине внешних и внутренних перенапряжений [15,269,302].

Существует два аспекта анализа ЭМС. Первый из них основан на статистическом определении характеристик работоспособности и надёжности СЭС в условиях разнообразных внешних и внутренних ЭМП. Для этого используются статистические данные эксплуатации об аварийности и нарушениях работы СЭС [15]. Второй связан с прогнозированием названных характеристик для вновь создаваемых и реконструируемых объектов и использует государственные стандарты, нормативные данные и результаты испытаний элементов и СЭС в целом [6,9,29,61,63,64].

Таким образом, для решения проблемы ЭМС при воздействии перенапряжений в СЭС НП необходимо разработать неформальное и формальное определение задачи, теоретические и практические критерии ее решения и технические оценки для наиболее важных электроустановок и аппаратов, работающих при стандартных и нестандартных номинальных напряжениях [32]. Эти положения по существу определяют актуальность анализа, исследования, рекомендаций и мероприятий, выполненных в настоящей работе.

Связь темы диссертации с государственными научными программами

Диссертационная работа выполнялась в рамках межвузовской целевой комплексной программы на 1986-1990 г.г. "Разработка методов и средств экономии электроэнергии и повышение ее качества в электроэнергетических системах (Экономия электроэнергии)" приказ №101 от 9.02.87 г. Минвуза СССР п. 02.25 - "Разработка методов применения, схем и аппаратов для повышения надежности защиты от перенапряжений как средства повышения качества и экономии электроэнергии", а также по научно-техническим программам СамГТУ (СамПтИ) "Системы автоматизированного проектирования в энергетике", "Надежность технических систем и конструкций", "Энергосбережение и управление энергоэффективностью" на 2001-2005 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол №7) в рамках основных направлений программы "Энергосбережение" Минобразования России до 2005 г.

Цель работы и задачи исследований - решение комплекса научных и технических проблем обеспечения ЭМС и надежности СЭС НП на основе разработки методов оценки показателей ЭМС, анализе процессов возникновения, распространения и воздействий ЭМВ на электроустановки в действующих и проектируемых СЭС, а также обосновании и внедрении эффективных систем зашиты от внешних и внутренних ЭМВ. Для достижения поставленной цели необходимо:

• разработать теоретические положения комплексного моделирования и определения расчетных характеристик обеспечения ЭМС в СЭС НП при внешних и внутренних ЭМВ;

• исследовать грозовые и переходные внутренние (дуговые, коммутационные и феррорезонансные) ЭМВ в СЭС НП;

• на основе анализа опыта эксплуатации электрооборудования нефтедобычи, статистических данных об аварийности СЭС НП и их связи с директивными документами (ГОСТ, ПУЭ и др.) с учетом отраслевой специфики СЭС НП разработать математические модели, описывающие процессы возникновения, распространения и воздействий внешних и внутренних перенапряжений и работы защитных средств;

• разработать системы защиты и мероприятия по обеспечению ЭМС различных видов электрооборудования СЭС НП при атмосферных и внутренних ЭМВ, в том числе в частных задачах, связанных с процессами в нейтралях силовых трансформаторов (TP) и феррорезонансными процессами в трансформаторах напряжения (ТН);

• определить условия и выработать рекомендации для эффективной работы ОПН упомянутых классов напряжения, для чего, исследовать квазистационарные, коммутационные и импульсные воздействия на ОПН;

• разработать технические требования к ОПН, меры и средства для обеспечения ЭМС самих ОПН;

• определить потребности НП России в ОПН, как в основном средстве обеспечения ЭМС при воздействиях перенапряжений.

Решение этих задач позволяет создать эффективные СЭС НП с обеспеченной ЭМС и повышенной надежностью, что можно квалифицировать как существенный шаг в развитии одного из перспективных направлений теории повышения надежности СЭС НП за счет оптимизации схем, средств и защитной аппаратуры.

Основные методы научных исследований. Научные исследования обеспечения ЭМС в работе основаны на теории нечетких множеств (ТНМ), иерархически-структурном методе (ИСМ), теории волновых процессов, методах теории вероятностей и математической статистики, теории случайных стационарных процессов, численном методе анализа установившихся и переходных процессов в СЭС, частотном методе анализа и определения ЭМВ и реакций на них, методах топологического анализа, разнообразных видах и способах физического и натурного моделирования и др.

Так, при исследованиях грозовых ЭМВ, проводилось компьютерное моделирование с помощью методов и программ, разработанных автором и при его участии, для анализа волновых процессов в схемах грозозащиты подстанций и линиях электропередачи. Эти работы комплексно связывались с исследованиями на аналоговых моделях, в частности, на анализаторах грозозащиты подстанций (АГП), внедренных под руководством автора в ряде энергосистем страны (АО Самараэнерго, АО Татэнерго и др.). Они включали в себя также эксперименты в условиях эксплуатации и при моделировании реальных процессов при пониженных напряжениях в действующих СЭС с помощью анализаторов переходных процессов (АПП). Широко использованы методы автоматической регистрации грозовых и внутренних перенапряжений (АРГП, АРВГТ), сбор и обработка данных об аварийности, параметрах процессов и режимов.

Научная новизна работы определяется следующими результатами выполненных исследований:

• концепция и теоретические положения критериальных оценок обеспечения ЭМС в СЭС НП при внешних и внутренних перенапряжениях;

• теоретическое обоснование реализации моделей процессов возникновения, распространения и воздействий всех видов перенапряжений и работы защитных средств;

• комплексная программа исследований ЭМС, связанных с воздействиями перенапряжений — математическое и натурное моделирование, эксперименты и регистрация в действующих СЭС НП;

• концепция глубокого принудительного ограничения перенапряжений, основанная на каскадных схемах защиты подстанций от перенапряжений, оптимизации грозозащиты ЛЭП и мероприятиях по защите электроустановок СЭС НП от внутренних перенапряжений;

• методология определения условий работы ОПН, как основного средства обеспечения ЭМС в СЭС НП, при квазистационарных, коммутационных и импульсных воздействиях;

• концепция полноты и достаточности основных технических показателей ЭМС для ОПН, сформулированная в виде технических условий и требований к ЗА различных стандартных и нестандартных уровней напряжения.

Практическая ценность работы.

1. Проанализировано состояние обеспечения ЭМС с помощью средств и мероприятий защиты от внешних и внутренних ЭМВ на электрооборудование и электроустановки СЭС НП. Показано, что надежность защиты от внешних и внутренних ЭМВ не в полной мере отвечает требованиям эксплуатации, а в некоторых случаях аппаратные способы ограничения внутренних ЭМВ в настоящее время отсутствуют.

2. Для улучшения обеспечения ЭМС рекомендована замена вентильных разрядников (РВ) подстанций на ОПН и внедрение каскадных схем грозозащиты, что одновременно ограничивает и грозовые и внутренние ЭМВ, возникающие в оперативных и аварийных режимах.

3. Изучены условия эксплуатации ОПН стандартных и нестандартных (для ПЭД) классов напряжения, разработаны рекомендации и технические требования к ним для обеспечения ЭМС электрооборудования и самих ОПН.

4. Для обеспечения ЭМС самих ОПН разработан и реализован способ защиты с помощью плавких предохранителей, согласованных по стандартным испытательным грозовым и коммутационным импульсам.

5. На основе анализа состояния обеспечения ЭМС при воздействии перенапряжений на электроустановки СЭС НП определены потребности НП России в ОПН для эффективного решения этой проблемы в полном объёме.

Реализация в промышленности, проектной практике, учебном процессе и внедрение результатов. При выполнении диссертационной работы выполнено более 25 научно-исследовательских работ под руководством и при участии автора. Системы защиты от внешних и внутренних ЭМВ, инженерно-технические и проектные рекомендации, информационно-вычислительные комплексы, автоматизированные банки данных, предназначенные для управления режимами и автоматизированного проектирования систем защиты от ЭМВ и обеспечения ЭМС и др. внедрены в практику проектирования и эксплуатации в ЗАО "Самарский электропроект" (г. Самара), ВНИПИ Тяжпромэлектропро-ект, в ОАО "Самаранефтегаз", ОАО "Нижневартовскнефтегаз" и других предприятиях НП России, а также АО Самараэнерго, АО Татэнерго, АО Томскэнер-го, АО Саратовэнерго, АО Дальэнерго и др. Материалы диссертационной работы, изложенные автором лично и в соавторстве в монографиях и учебнометодических пособиях [14-17,39], используются в учебном процессе Самарского, Оренбургского, Приазовского технических университетов и др.

Основные положения, выносимые на защиту

• теоретическое обоснование комплексного моделирования и определения расчетных критериев обеспечения ЭМС в СЭС НП при внешних и внутренних ЭМВ;

• концепция математического моделирования процессов возникновения, распространения, воздействий перенапряжений, работы защитных средств и результаты комплексных исследований грозовых, внутренних и квазистационарных перенапряжений в СЭС НП;

• теоретическое обоснование необходимости учета отраслевой специфики СЭС НП на основе анализа опыта эксплуатации электрооборудования нефтедобычи, статистических данных об аварийности СЭС НП и их связи с директивными документами (ГОСТ, ПУЭ и др.);

• концепция глубокого принудительного ограничения перенапряжений и разработка на этой основе систем защиты и мероприятий по обеспечению ЭМС различных видов электрооборудования СЭС НП;

• методики обеспечения ЭМС при импульсных процессах в нейтралях силовых трансформаторов (TP) и феррорезонансных процессах в трансформаторах напряжения (ТН);

• методики обеспечения ЭМС для нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) стандартных и нестандартных классов напряжения, основанные на математическом моделировании и экспериментальных исследованиях квазистационарных, коммутационных и импульсных воздействий на ОПН;

• критерии ЭМС для защитных аппаратов и их реализация в виде технических требований и технических средств.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Положения, выводы и рекомендации работы подтверждены:

- натурными экспериментальными исследованиями в действующих СЭС НП и теоретическим анализом их результатов в рамках теории волновых процессов с помощью компьютерного моделирования;

- количественной и качественной представительностью статистического материала по регистрации параметров ЭМВ, компьютерной обработкой результатов экспериментальных исследований и регистрации с помощью методов теории вероятностей и математической статистики;

- удовлетворительным совпадением результатов математического моделирования с результатами регистрации ЭМВ, натурных исследований и экспериментов в действующих СЭС НП;

- опытом эксплуатации систем защиты от ЭМВ в действующих СЭС НП и других отраслей промышленности, спроектированных с использованием методов, разработанных в диссертации, а также внедрением основных выводов и рекомендаций в проектную практику.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях секции Научного совета АН СССР по проблеме "Электрофизика и электроэнергетика" (Куйбышев 1979 г., Апатиты 1981 г., Челябинск 1987 г.), Всесоюзной конференции "Автоматизация проектных и конструкторских работ" ( Москва, 1979 г.), Всесоюзного научно-технического совещания "Защита ЛЭП, связи и автоматики от влияния внешних электромагнитных полей" (Омск, 1972 г.), Всесоюзного научно-технического совещания "Проблемы эффективного использования энергоресурсов в промышленности" (Миасс 1985 г.), сессиях Всесоюзного семинара АН СССР "Кибернетика электрических систем" по темам: "Электроснабжение промышленных предприятий" (Киев, 1982 г., Новочеркасск, 1988 г., 1995 г., Абакан, 1989 г.) и "Управление и автоматизация проектирования в электроэнергетических системах" (Челябинск 1990 г.), на научно-технических конференциях "Повышение эффективности электроснабжения на промышленных предприятиях" (Челябинск-Миасс 1984 г., Москва, 1990 г.), "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике" (Харьков 1982 г.), на всесоюзном семинаре "Применение персональных микроЭВМ в электроэнергетике"(Киев 1986 г.), на научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в электротехнике и энергетике" (Иваново, 1980 г.), на всесоюзном совещании "Автоматизированные системы диспетчерского управления в энергетике" (Москва, 1986 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов" (Благовещенск, 1998 г.), на 6-й Всесоюзной школе-семинаре "Теория и практика программирования на ЭВМ серии МИР" (Владивосток, 1977 г.), на межотраслевом семинаре "Автоматизация проектирования средств и систем управления" (Куйбышев 1989 г.), на конференциях Ленинградского отделения НТОЭиЭП и ЛПИ им. М.И. Калинина "Автоматизация и релейная защита в энергосистемах" и "Методика определения, планирования и снижения потерь электроэнергии в электрических сетях" (Ленинград 1969,1972), на научно-технических конференциях (19692002 г.) Самарского (Куйбышевского) гостехуниверситета (политехнического института), на международной конференции МЭИ (ТУ) "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2002 г.) и др. За разработку и внедрение в энергетику средств регистрации ЭМВ и программных комплексов по анализу режимов СЭС автор награжден 4 медалями ВДНХ СССР.

Публикации. По теме диссертации получено 3 авторских свидетельства на изобретения, опубликовано в центральных и местных издательствах 3 монографии, 2 методических пособия (Энергоатомиздат, Высшая школа, Самарский госуниверситет и др.) и 47 работ (12 написаны лично) в научно-технических журналах "Электричество", Известия АН СССР "Энергетика и транспорт", Известия ВУЗов "Энергетика", "Электрические Станции", Известия Сибирского Отделения АН СССР, "Промышленная энергетика" и др., а также в сборниках научных трудов, материалах конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 328 стр. основного текста, списка литературы из 302 наименований на 20 стр., приложения на 13 стр., 80 рисунков, 45 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Гольдштейн, Валерий Геннадьевич

- выводы питающих трансформаторов

- вводы напряжения в сборные шины (секции)

- ячейки ТН.

Таким образом, предохранители перед ОПН устанавливаются при их подключении к выводам питающих трансформаторов или шинам (секциям). При этом для профилактического испытания упомянутых трансформаторов, шин или секций предохранители должны быть вынуты во избежание повреждения ОПН при воздействии на них повышенного испытательного напряжения.

Если ОПН подключаются к нагрузке (к присоединениям кабелей, силовых трансформаторов и электродвигателей), установка предохранителей не требуется. Это объясняется тем, что присоединения имеют свои коммутационные аппараты (выключатели), которые при повреждении ОПН срабатывают и отключают присоединение с ОПН.

Что же касается точки подключения защитных аппаратов в случае их установки для защиты электрооборудования присоединений, то такими точками могут являться вводы электрооборудования (силовых трансформаторов и электродвигателей), нижние контакты выключателей, начало кабеля присоединения.

И, наконец, отметим, что при установке шинного комплекта ОПН в резервных ячейках за выключателем предохранители также не требуются.

6.7. Определение потребности нефтяной промышленности России в ОПН разных классов напряжения.

Эффективность работы ОПН как ЗА в значительной мере определяется местом его установки. Оно зависит от вида потребителя и желаемого окончательного результата. Целесообразно ЗА поставить непосредственно на зажимах защищаемого электрооборудования. В этом случае ЗА даст максимальный эффект. Это объясняется тем, что при такой установке аппарат защищает изоляцию данного электрооборудования и всей питающей силовой цепи.

При отключениях и включениях электрооборудования на шины силовой цепи возникают коммутационные перенапряжения, которые будут принудительно ограничены нелинейными варисторами ОПН. При установке ЗА на шинах силовой цепи останутся неограниченными перенапряжения со стороны коммутируемого электрооборудования (за автоматом, выключателем, рубильником и т.д.).

Что касается места непосредственной установки ЗА, то они могут быть установлены в автоматических выключателях (габариты позволяют произвести монтаж непосредственно внутри этих коммутационных аппаратов), на зажимах электрооборудования, например, электродвигателей, аппаратов контроля и управления, ЭВМ.

ОПН на подстанциях могут быть установлены: на сборных шинах; в присоединениях крупных электродвигателей (часто коммутируемых по технологи-% ческой необходимости); трансформаторов; в линейных ячейках; в нейтралях силовых трансформаторов. Если нейтраль не выведена, то для такой защиты требуется один комплект ОПН (три фазы). В противном случае защита организуется четырьмя ОПН в каждой точке. Кроме того, ОПН должны быть установлены на секциях ТП, РП, КТПН, КТППН и на зажимах удаленных силовых трансформаторов.

Выше были приведены технические характеристики ЗА, устанавливаемых на сборных шинах, в присоединениях трансформаторов, либо в нейтралях последних. При необходимости установки аппаратов в линейных ячейках нужно выполнить соответствующие расчеты квазистационарных перенапряжений. Это особенно важно для линий с силовыми трансформаторами, так как при непол-нофазных режимах линий 35-^220 кВ возможны опасные для ОПН резонансные явления.

В процессе реконструкции подстанций при плановой замене оборудования ОПН могут быть установлены взамен РВ. Как показывают исследования, применение одновременно РВ и ОПН нецелесообразно. Во-первых, из-за наличия искровых промежутков РВ вступают в действие несколько позже, чем ОПН. Во-вторых, ВАХ РВ проходит несколько выше, чем у ОПН. По этим причинам при защите электрооборудования ОПН могут перегружаться, и у них резко снизится ресурс, а также срок службы.

Таким образом, при реконструкции подстанций 35-5-220 кВ целесообразно сразу заменить все разрядники на соответствующие ОПН.

Прогнозирование потребности НП России основано [15] на следующем:

- сети условно подразделены на сети низкого напряжения (0,22 3) кВ, среднего напряжения (6 35) кВ и высокого напряжения (110 -г- 220) кВ, причем последние составляют внешние сети электроснабжения;

- охвачены все нефтепромыслы Сахалина, Сибири, Поволжья, Башкортостана, Татарстана, Республики Коми и т.д.;

- предусмотрено, что все находящиеся в настоящее время в эксплуатации защитные аппараты 6 220 кВ до 2005 года будут заменены на ОПН соответствующих классов напряжения;

- в сетях ПЭД, станков-качалок, других силовых сетях 0,4 кВ и в цепях сигнализации, контроля и управления защитные аппараты отсутствуют вообще, и требуется полное оснащение этих объектов соответствующими ОПН;

- в сетях 6 и 10 кВ для защиты электродвигателей требуется установка ОПН в соответствии с количеством работающих электрических машин;

- в сетях 0,5 220 кВ для защиты одного трехфазного объекта требуется установка трех фаз ОПН (между фазами и землей), в сетях 0,22 и 0,38 кВ - 6 фаз ОПН (3 - между фазами и землей, 3 - между фазами).

При этих условиях потребность потребителей Hi II России в аппаратах 0,22 -г- 220 кВ составляет: ОПН-0,22 - 1,65 млн. шт; ОПН-0,38 - 1,65 млн. шт; ОПН-0,5 - 0,2 млн. шт; ОПН-1,0 - 0,2 млн. шт; ОПН-1,5 - 0,2 млн. шт; 01Ш-2,0 -0,2 млн. шт; ОПН-2,5 - 0,2 млн. шт; ОПН-3 - 0,2 млн. шт; ОПН-6 - 24 тыс. шт; ОПН-Ю - 16 тыс. шт; ОПН-35 - 2500 шт; ОПН-ПО - 1400 шт; ОПН-220 - 500 шт.

Приведенная выше потребность в ОПН НГП для своей реализации требует вложений, которые можно ориентировочно оценить в сумме 450 млн. руб. (с учетом НДС).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ниже приводятся основные выводы и результаты работы.

1. Анализ обеспечения ЭМС показал, что для внешних (35^-220 кВ) и внутренних сетей (0,22/0,38-^-35 кВ) СЭС НП оно не отвечает нормативным требованиям из-за несовершенства защиты от перенапряжений, вызванного специфическими особенностями электрооборудования отрасли. ЭМС вращающихся электрических машины (насосные, компрессорные станции, ПЭД, буровые установки, станки-качалки и др.), сильноточное оборудование 0,4 кВ, слаботочные цепи контроля, управления и сигнализации практически при воздействии перенапряжений также обеспечена недостаточно. По этой причине перечисленное оборудование имеет значительную аварийность. Системы защиты, основу которых составляют ОПН, значительно улучшают защиту от внутренних и грозовых перенапряжений. Внедрение в этих электроустановках ОПН и других средств и мероприятий в несколько раз повышает надежность работы электрооборудования СЭС НП (воздушных и кабельных ЛЭП, ЭД, TP, батарей конденсаторов и т.д.).

2. На основе анализа современного состояния проблемы ЭМС при ЭМВ на электроустановки СЭС НП, теории нечетких множеств и иерархически-структурного метода разработаны формальные идеальные и приближенные модели ЭМС, определены их теоретические и практические критерии, а также их допустимость и оптимальность.

3. Теоретически обоснованы и выполнены в виде программных комплексов методы бегущих волн для анализа процессов возникновения, распространения и воздействий перенапряжений на электроустановки НП, частотного анализа переходных процессов в электродвигателях НП общего и специального назначения, вероятностного и детерминированного анализа надежности грозозащиты ЛЭП и подстанций, метод анализа квазистационарных режимов внутренних и внешних сетей НП и др., которые позволили реализовать вышеназванную модель ЭМС.

4. С этой же целью разработаны методики и аппаратура для аналогового, натурного и экспериментального исследований перенапряжений и их автоматической регистрации в СЭС НП.

5. Проведены исследования неограниченных и ограниченных внешних и внутренних перенапряжений в СЭС НП с учетом их отраслевой специфики, и на их основе теоретически обоснована и реализована техническими решениями концепция глубокого принудительного ограничения перенапряжений.

6. Предложена концепция прогнозирования характеристик обеспечения ЭМС для проектирования вновь создаваемых СЭС, реконструкции, модернизации и технического перевооружения существующих. Реализация этой концепции проведена в ведущих проектных организациях страны.

7. Разработана теория и определены концептуальные положения защиты от перенапряжений нейтралей силовых трансформаторов и подавления разрушительных феррорезонансных процессов в цепях трансформаторов напряжения.

8. Теоретически, экспериментально и с помощью компьютерного моделирования исследованы грозовые и коммутационные токи, квазистационарные перенапряжения и максимальные рабочие напряжения на ОПН, что необходимо для реализации программ их разработки и внедрения. Разработаны теоретические положения приближенной критериальной оценки ЭМС защитных аппаратов, на основе которых сформулированы технические требования к ОПН стандартных 0,22—220 кВ и нестандартных 0,5-3,0 кВ классов напряжений. Эти положения позволяют определить стандарты конструкций, методов испытаний, технических характеристик, рекомендаций по размещению и эффективному использованию ОПН.

9. Разработана концепция обеспечения ЭМС систем и средств защиты (ОПН), методика выбора и конкретные рекомендации, проверенные в условиях эксплуатации в СЭС НП. Теоретически обоснована и реализована защита ОПН дополнительными внешними средствами — плавкими предохранителями.

10. Определены стратегические направления по отраслевой программе обеспечения ЭМС в нефтедобыче и потребности отрасли в ОПН различных классов напряжения, как наиболее эффективных и относительно малозатратных средств обеспечения ЭМС. На этой основе определены пути реализации проекта программы внедрения ОПН в НП России.

11. Теоретически и практически результаты работы реализованы в электроэнергетике, железнодорожной и других отраслях, что подтверждено актами внедрения и другими документами.

12. Разработанные методические, программные и экспериментальные средства нашли применение в учебном процессе гостехуниверситетов Самары, Оренбурга, Нижнего Новгорода, Мариуполя (Украина), Самарского института инженеров железнодорожного транспорта и др., и при повышении квалификации специалистов.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Гольдштейн, Валерий Геннадьевич, 2002 год

1. ГОСТ 13109-97. Международный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". Минск, 1997.

2. ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95) "Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний." Взамен ГОСТ 30376-95/ГОСТ Р 50627-93.

3. Правила устройств электроустановок. / Минэнерго СССР.-6-е изд., пере-раб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986.

4. Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических сетей 6-1150 кВ единой энергосистемы СССР, том 2. Грозозащита линий и подстанций 6-1150 кВ. СПб, НИИПТ, 1991.

5. Руководящие указания по защите электрических станций и подстанций 3— 500 кВ от прямых ударов молний и грозовых волн, набегающих с линий электропередачи. М.; ОРГРЭС, 1975.

6. Шидловский А.К., Борисов Б.П., Вагин Г.Я. и др. Электромагнитная совместимость электроприемников промышленных предприятий. Киев. Нау-кова думка. 1992 —236с.

7. Костенко М.В., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Электроэнергетика. Электромагнитная совместимость. Часть 1: Учебное пособие/ Санкт-Петербург.: Изд-во СПбГТУ, 1997. - 103 с.

8. Половой И.Ф., Михайлов Ю.А., Халилов Ф.Х. Внутренние перенапряжения на электрооборудовании высокого и сверхвысокого напряжения. JIO Энергия. 1990.

9. Костенко М.В., Ефимов Б.В., и др. Анализ надежности грозозащиты подстанций. Л., "Наука". 1981.- 128 с.

10. Сазыкин В.Г. Расширение и классификация нечетких чисел, используемых в задачах электроснабжения/ Электричество.- 1996, №6.- с.33-38.

11. Zaden L.A. Fuzzy sets / Inform, and Contrrol.- June 1965. Vol. 8. p.338-353.

12. Борисов Б.П., Вагин Г.Я. Электроснабжение электротехнологических установок. Киев. Наукова думка. 1992 236 с.

13. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Паретооптимальные решения многокритериальных задач/ М.: Наука, 1982. — 308 с.

14. Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х., Бобров В.П. Перенапряжения и защита от них в электрических сетях 35 — 220 кВ/ Самара: СамГТУ, 2001.-259 с.

15. Альбокринов B.C., Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х. Перенапряжения и защита от них в электроустановках нефтяной промышленности/ Самара: Самар. университет, 1997.-324 с.

16. Гиндуллин Ф.А., Гольдштейн В.Г.и др. Перенапряжения в сетях 6 — 35 кВ. Энергоатомиздат. — М.: 1989. 191 с.17.