Исследование резонансных явлений в электротехническом комплексе добычи нефти с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности

9. Rath M. K., Acharya S. K., Patnaik P. P. CI engine performance during cold weather condition using preheated air and engine by waste energy// International Journal of Ambient Energy. 2017. Vol. 38. P. 534-540. DOI: 10.1080/01430750.2016.1155485.

10. Gao X., Liu Z., Dong S. Effects and countermeasures of low atmospheric pression and temperature emvi-ronment on starting performance of diesel engine // Internal Combustion Engine & Parts. 2016. Р. 1.

11. Ramadhas A. S., Xu H. Improving Cold Start and Transient Performance of Automotive Diesel Engine at Low Ambient Temperatures // SAE Technical Papers. 2016. Vol. 2016-April. DOI: 10.4271/2016-01-0826.

12. Ren J., Dong X., Zhang P., Wang H., Mao H., Li S. Performance Analysis of a Diesel Fuel Heating System Based on Heat Pipe Technology // Chinese Society for Internal Combustion Engines. 2018. Vol. 39. P. 56-62. D0I:10.13949/j.cnki.nrjgc.2018.01.009.

13. Тышкевич Л. Н., Журавский Б. В. Повышение эффективности эксплуатации транспортных машин в условиях низких отрицательных температур // Вестник СибАДИ. 2016. № 3 (49). С. 36-41.

14. Yoshimura T., Yasuda H. Development of maintenance-free dry calcium (MFDC) lead acid battery for automotive use // Journal of Power Sources. 2006. Vol. 158. P. 1091-1095. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.01.094.

15. Cristopher D. Rahn, Rahn abd Chao-Yang Wang. Battery systems engineering. The Pennsylvania State University, USA: John Wiley & Sons, Ltd. 2013. P. 237.

16. Bosch Robert GmbH (Ed.) Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics Systems and Components, Networking and Hybrid Drive // 5th Edition. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014. 530 p.

17. Боровских Ю. И. Анализ процесса прокручивания коленчатого вала двигателя при пуске от электрического стартера. М.: НИИавтопром, 1968. 77 с.

18. Дасоян М. А., Курзуков Н. И., Тутрюмов О. С., Ягнятинский В. М. Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация и ремонт. М.: Транспорт, 1991. 225 с.

19. Казаков Ю. Б., Лазарев А. А., Баранов М. Е. Моделирование усовершенствованной электростартер-ной системы пуска двигателей внутреннего сгорания // Вестник ИГЭУ. 2009. № 3. C. 8-11.

УДК 621.31

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ ДОБЫЧИ НЕФТИ С ВНУТРИСКВАЖИННЫМ КОМПЕНСАТОРОМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

INVESTIGATION OF RESONANCE EFFECT IN THE OIL PRODUCTION ELECTROTECHNICAL COMPLEX WITH THE DOWNHOLE REACTIVE POWER COMPENSATOR

В. А. Копырин1, А. Л. Портнягин1, А. В. Логунов1, Р. Н. Хамитов1'2, М. В. Денеко1

1 Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. A. Kopyrin1, A. L. Portnyagin1, A. V. Logunov1, R. N. Khamitov1'2, M. V. Deneko1

1Industrial University of Tyumen, Omsk, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В настоящее время не осталось ни одного сложного технологического объекта, на котором бы не был внедрен частотно-регулируемый электропривод. Тем не менее, использование преобразователей частоты в нефтедобыче для привода электроцентробежных насосов приводит к ухудшению качества электрической энергии: форма кривой токов и напряжения искажается, появляются высшие гармонический составляющие, которые могут привести к резонансным явлениям в электротехническом комплексе установки электроцентробежного насоса и, как следствие, выходу из строя электрооборудования. Целью публикации является исследование резонансных явлений в электротехническом комплексе установки электроцентробежного насоса, оснащенной частотно-регулируемым электроприводом. Разработана схема замещения электротехнического комплекса добычи нефти с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности и на ее основе математическая модель для исследования резонансных явлений. Приведены амплитудно-частотные характеристики напряжений на входах элементов комплекса и фазо-частотная характеристика цепи «КЛ-ВКРМ-ПЭД». Установлено, что на частотах 324 Гц и 328 Гц имеет место превышение входного гармонического сигнала на 1,7 и 1,8 единиц соответственно в исследуемом электротехническом комплексе установки электроцентробежного насоса.

Ключевые слова: внутрискважинный компенсатор, высшие гармоники, преобразователь частоты.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-32-37

I. Введение

В настоящее время реконструкция, модернизация или строительство нового сложного технологического объекта не обходится без внедрения преобразователей частоты в составе регулируемого электропривода. Использование преобразователей частоты позволяет уменьшить как потребление электрической энергии при переменной нагрузке, так и пусковые токи электродвигателя, оптимизировать технологический процесс и т. д. [1-3]. Тем не менее повсеместное внедрение преобразователей частоты при всех его положительных моментах содержит негативные факторы.

Основным негативным фактором является генерирование в сеть высших гармонических составляющих токов и напряжений [4]. Высшие гармонические составляющие искажают форму напряжений и токов в цепи, что приводит к дополнительным неактивным потерям мощности [5] и может произойти гармонический резонанс [6-9]. Гармонический резонанс на частоте одной из гармоник негативно сказывается на работе электрооборудования. Имеет место увеличение токов и напряжений на отдельных элементах электрической сети, снижается эффективность передачи и использования электроэнергии, ускоряются процессы старения изоляции электрооборудования, происходит перегрузка токами высших гармоник конденсаторов и, как следствие, преждевременный выход их из строя [10].

Значительный вклад в изучение влияния высших гармонических составляющих на режимы работы электрической сети внесли Б. Н. Абрамович, И. В. Жежеленко, Ю. С. Железко, Е. М. Кузнецов, Ю. К. Розанов, В. Е. Тонкаль, А. К. Шидловский, Р. Т. Шрейнер, К. В. Хацевский, Д. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер, М. Томпсон, Эв. Фукс и др. Авторами рассмотрены вопросы моделирования и расчетов электрических сетей с учетом высших гармоник, анализа режимов высших гармоник по результатам измерений и расчетов, вопросы повышения качества электрической энергии.

В нефтедобывающей отрасли преобразователи частоты используются в составе регулируемого электропривода для управления магистральными насосными агрегатами, в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, для приводов погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН).

В работах [11] приведены результаты экспериментальных исследований гармонического состава тока и напряжения в различных точках электротехнического комплекса УЭЦН, даны рекомендации по повышению качества электроэнергии. Однако в указанных работах не рассмотрено влияние высших гармоник на резонансные явления в электротехническом комплексе (ЭТК) установок электроцентробежных насосов с внутрисква-жинным компенсатором реактивной мощности (ВКРМ). Внутрискважинные компенсаторы применяются для повышения коэффициента мощности ЭТК УЭЦН, для снижения потерь активной мощности в токопроводящих элементах комплекса и являются новым направлением повышения энергетической эффективности нефтедобывающих объектов [12-14]. Поэтому актуальным является исследование резонансных явлений в ЭТК УЭЦН с внутрискважинным компенсатором.

II. Постановка задачи

Пусть установка электроцентробежного насоса оснащена частотно-регулируемым электроприводом. Диапазон регулирования частоты напряжения на выходе преобразователя частоты от 35 Гц до 60 Гц, с шагом 0,1 Гц. Преобразователь частоты в составе станции управления генерирует в сеть высшие гармоники с 3-й по 25-ю.

Требуется определить превышение входного гармонического сигнала с учетом регулирования частоты на входах элементах электротехнического комплекса УЭЦН: кабельной линии (КЛ) и погружном асинхронном электродвигателе (ПЭД).

III. Теория

Исследуемый электротехнический комплекс УЭЦН оснащен погружным электродвигателем марки ПЭД-Я 63-117 М5В5 мощностью 63 кВт, внутрискважинным компенсатором реактивной мощности мощностью 30 квар. Питание ПЭД осуществляется от трансформатора серии ТМПН мощностью 100 кВА, по кабельной линии длиной 2000 м. Сечение токопроводящих жил кабеля 16 мм2. Однолинейная электрическая схема исследуемого ЭТК УЭЦН приведена на рис. 1.

Для математического описания сложных электротехнических систем, к которым относится ЭТК УЭЦН, целесообразно использовать метод узловых потенциалов. Данный метод позволяет определить токи и напряжения в рассматриваемых ветвях элементов комплекса через известные потенциалы узлов и проводимости соответствующих ветвей.

При исследовании гармонического резонанса в исследуемом электротехническом комплексе УЭЦН необходимо учитывать параметры источника питания. Учтем влияние электроэнергетической системы через электродвижущую силу (ЭДС) источника питания E, входные активное гвн и реактивное хвн сопротивления. Схема замещения исследуемого электротехнического комплекса УЭЦН приведена на рис. 2.

Рис. 1. Однолинейная схема электроснабжения УЭЦН, где ИП - источник питания; ПТ - питающий трансформатор; КЛ - кабельная линия; ПЭД - погружной асинхронный электродвигатель; ВКРМ - внутрискважинный компенсатор реактивной мощности

Рис. 2. Эквивалентная схема замещения одной фазы ЭТК УЦН, где 1 - источник питания, 2 - питающий трансформатор; 3 - кабельная линия; 4 - внутрискважинный компенсатор реактивной мощности; 5 - погружной асинхронный электродвигатель; Е - электродвижущая сила источника питания; /, ф - ток и потенциал соответствующих ветвей и узлов; Я, г, х, Ь, С - активные и реактивные сопротивления, индуктивность и емкость соответствующих элементов, 5 - скольжение ПЭД

Схема замещения ЭТК УЭЦН (рис. 2) по методу узловых потенциалов описывается системой матричных уравнений:

(VWn-V^

-Y2 • <ру + (Y2 + Y4 + Y5) • (p2 - Y5 • (ръ 0

Y5 ' <P2 + (Y5 + Y6 + Y7 + t8) • ^ - t8 • П 0

-V^3+(Y8+Y9+Y10)-p4 0

где У - комплексные проводимости соответствующих ветвей.

Напряжения и токи на соответствующих узлах и ветвях схемы определяются следующим образом:

" -P1 " ~\-{~<Pi +Е)"

P -P2 Y2 ^П ~<P2)

P1 %-n

P2 %-<P2

cp2 - cp3 , i. = Y5-{<p2-<p3)

<Pb 7 \ -<Pb

P3 y7 -<ръ

P3 -P4 Yg ' -Щ)

P4 Y9 • щ

_ P4 _ - Y10 • <P\ _

где Iii, ii - напряжение и ток на i узле, ветви соответственно, i=1___10.

Комплексные проводимости ветвей определяются по выражениям:

1 .1.1

¥1=-. У2=--—. У3=-.

гвн + 3 ' хвн + Щ.Т + 3 'ас ' к-Т К2Т + 3 'ас ' к2 Т КтТ + 3 ' ас ' ктТ

3 ' ас ' С К!7 1 • 1

У4 = У6 =-~ - У5 =-- У7 = 1 ' ас • СВКРМ - У8 =-

2 Кш +]-со с- Ьш Я1д +] -со с- 11д

1 . 1

у9 =-;-- ¥10 =-•

*2э + ^2э  — +1 -с • ¿2э Ктд +1''¿тд

с

Для описания процессов, протекающих в питающем трансформаторе, использована классическая Т-образная схема замещения трансформатора, которая является расчетным эквивалентом энергетических и электромагнитных параметров.

В качестве схемы замещения кабельной линии выбрана П-образная схема. В ходе исследования принято допущение, что величина активной поперечной проводимости кабельной линии равна бесконечности gКЛ=, ввиду применения современных изоляционных материалов и вследствие малого тока проводимости.

Существует множество схем замещения асинхронных электродвигателей и методов идентификации их параметров [15, 16]. Для описания электромеханических процессов в погружном асинхронном электродвигателе использована Т-образная схема замещения.

IV. Результаты экспериментов

Амплитудно-частотные характеристики входного гармонического сигнала в узлах схемы замещения исследуемого ЭТК УЭЦН в соответствии с выражениями (1), (2) приведены на рис. 3. Кривые получены для двух точек схемы замещения: на входе погружного асинхронного электродвигателя и на входе кабельной линии.

и*

2.00

1.75 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25

250 500 750 1000 1250 1500 Гц

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики напряжений на входах элементов ЭТК УЭЦН: 1 - погружной электродвигатель; 2 - кабельная линия

и

а-1,7 и (324 п 0

/ /

2

>......

Фазо-частотная характеристика цепи «КЛ-ВКРМ-ПЭД» приведена на рис. 4.

Ф, рад

п

Рис. 4. Фазо-частотная характеристика цепи «КЛ-ВКРМ-ПЭД»

V. Обсуждение результатов

Анализ частотных характеристик (рис. 3) показал, что на частотах 324 Гц и 328 Гц имеет место превышение входного гармонического сигнала на 1,7 и 1,8 единиц соответственно. Следовательно, для исключения опасных перенапряжений на шинах погружного электродвигателя и кабельной линии необходимо установить синусный фильтр на выходе станции управления для подавления высших гармонических составляющих, попадающих в область частот близких к 324 Гц и 328 Гц.

Анализ фазо-частотной характеристики (рис. 4) цепи «КЛ-ВКРМ-ПЭД» показал, что в диапазоне от 74 Гц до 728 Гц характер цепи имеет активно-емкостной характер, в диапазоне от 35 Гц до 74 Гц и от 728 Гц до 1500 Гц - активно-индуктивный характер.

VI. Выводы и заключение

Разработана схема замещения электротехнического комплекса установки электроцентробежного насоса с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности и на ее основе математическая модель, которая позволяет исследовать резонансные явления в комплексе. Получены амплитудно-частотные характеристики входного гармонического сигнала, анализ которых показал, что на частотах 324 Гц и 328 Гц имеет место превышение входного гармонического сигнала на 1,7 и 1,8 единиц соответственно для исследуемого электротехнического комплекса УЭЦН, оснащенного погружным электродвигателем мощностью 63 кВт.

Для исключения опасных перенапряжений на входах погружного асинхронного электродвигателя и кабельной линии необходимо установить синусный фильтр на выходе станции управления.

Источник финансирования. Благодарности

Исследование выполнено в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых (СП-1082.2019.1).

Список литературы

1. Da Silva Dias A., Candido D. B., Almeida A. P., Alves J. A., Brand M., De Oliveira A. M. VFD Cooling Methods for the Extreme Oil and Gas Installation Conditions // 2018 Petroleum and Chemical Industry Conference Europe (PCIC Europe) (Antwerp, Belgium, 5-7 June 2018). DOI: 10.23919/PCICEurope.2018.8491414.

2. Jones B. VFD control methodologies in High Pressure Grinding drive systems // 2012 IEEE-IAS/PCA 54th Cement Industry Technical Conference (San Antonio, TX, USA, 14-17 May 2012). DOI: 10.1109/CITTON.2012.6215684.

3. Basso D., Shah P. Specifying VFD driven low voltage motors for safety and operational life // 2016 Petroleum and Chemical Industry Technical Conference (PCIC) (Philadelphia, PA, USA, 19-22 September 2016). DOI: 10.1109/PCICON.2016.7589213.

4. Abramovich B. N., Sychev Y. A. The control algorithm for active and hybrid correction systems of voltage and current waveforms // 2016 IEEE Conference Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Omsk, Russia, 15-17 November 2016). DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818962.

5. IEEE STD/1459-2000. IEEE Trial Use Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Non-Sinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions. Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2000. 52 с.

6. Kisselyov B. Yu., Kazantsev D. D. Analysis of higher harmonics influence from non-linear sources of 6 Kv on losses in conducting parts based on wavelet analysis // 2017 IEEE Conference Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). DOI: 10.1109/Dynamics.2017.8239462.

7. Djokic S. Z., Collin A. J. Cancellation and attenuation of harmonics in low voltage networks // 2014 16th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP) (Bucharest, Romania, 25-28 May 2014). DOI: 10.1109/ICHQP.2014.6842856.

8. Manusov V. Z., Khripkov V. V. Comparative Analysis of Mathematical Models for the Coefficient of Conductor Resistance Increase Due to Higher Harmonics // 2018 XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE) (Novosibirsk, Russia, 2-6 October 2018). DOI: 10.1109/APEIE.2018.8545749.

9. Kovalenko D. V., Kisselyov B. Yu., Ivanova E. V. Calculation of Resonant Modes for Power Supply Systems and Development of Measures on Higher Harmonics Filtering // 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) (Moscow, Russia, 15-18 May 2018). DOI: 10.1109/ICIEAM.2018.8728675.

10. Хамитов Р. Н., Охотникова А. А., Семеров Е. И. Причины выхода из строя силовых конденсаторов устройств компенсации реактивной мощности // Россия молодая: передовые технологии - в промышленности. 2015. № 1. С. 278-282.

11. Ковалева Н. А., Денчик Ю. М., Аникин В. В. Источники гармоник тока и напряжения в электротехническом комплексе добычи нефти из глубинных скважин // Омский научный вестник. 2015. № 1 (137). С. 151154.

12. Kopyrin V. A. The dynamics of the active power consumption by the production well with the use of a downhole compensator // 2018 IEEE Conference Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). (Omsk, Russia, 5-6 November 2018). DOI: 10.1109/Dynamics.2018.8601439.

13. Kopyrin V.A., Smirnov O.V., Deneko M.V. Optimization of reactive power consumption regimes by the electric centrifugal pumps installations // 2018 International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE) (Sevastopol, Russia, 10-14 September 2018). DOI: 10.1051/matecconf/201822402014.

14. Копырин В. А., Смирнов О. В., Портнягин А. В., Хамитов Р. Н. Влияние внутрискважинного компенсатора на падение напряжения в элементах электротехнического комплекса добывающей скважины // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 9. С. 117-124.

15. Боловин Е. В., Глазырин А. С. Метод идентификации параметров погружных асинхронных электродвигателей установок электроприводных центробежных насосов для добычи нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 1. С. 123-131.

16. Bolovin E. V., Glazyrin A. S., Brendakov V. N. The influence of the design method for induction motor with stationary rotor on identification of its parameters // 2015 International Siberian Conference On Control And Communications (Sibcon) (Omsk, Russia, 21-23 May 2014). DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147006.

УДК 621.3:005.6

ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

DEVELOPMENT FEATURES OF THE DIAGNOSTIC SYSTEM FOR VARIABLE FREQUANCY DRIVE

Н. А. Королев, Ю. Л. Жуковский

Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург, Россия

N. A. Korolev, Y. L. Zhukovskiy

Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia

Аннотация. В статье рассмотрены методы диагностики асинхронного двигателя с короткозамкну-тым ротором. Выбор методов основанных на анализе вибраций и электрических параметров и координат, обоснован ранее выполненными исследованиями. В работе произведена оценка возможности использования методов диагностики применимо к частотно-регулируемому асинхронному электроприводу. Изменения параметров электродвигателя, вызванные дефектами или износом, приводят к нарушению устойчивой работы раньше заявленного срока эксплуатации. Для оценки устойчивости в качестве критериев относительно технического состояния были выбраны потребляемая мощность, электромагнитный момент, частота вращения и гармонические составляющие тока. Причиной ускоренного износа является несинусоидальная форма напряжения и тока, что сопровождается пульсациями электромагнитного момента. Соответственно дефекты вызывают свои субгармонические составляющие и их взаимодействие с высшими гармониками, обусловленные резонансными явлениями, приводит к быстрому выходу из строя электропривода.

Ключевые слова: асинхронный электропривод, диагностика, износ.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-37-43

Введение

Модернизация электротехнических комплексов связана с внедрением частотно-регулируемого электропривода на базе асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутой обмоткой. Их широкое применение обусловлено техническими, энергетическими и экономическими критериями [1, 2]. Высокий уровень эксплуатационных характеристик АД достигается на основе использования алгоритмов частотного регулирования [3, 4]. Использование преобразователей частоты с различными алгоритмами позволяет снизить пусковой ток и осуществлять плавное регулирование скорости вращения электродвигателя. Однако при этом возникают добавочные потери от высших гармоник:

- снижение допустимого момента из-за повышенного нагрева;

- появляются пульсации момента;

- дополнительный шум; вызванный взаимодействие магнитных полей,