Подходы к построению систем электроснабжения технологических объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений

ЭНЕРГЕТИКА

А.А. Трифонов, к.т.н., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Подходы к построению систем электроснабжения технологических объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений

В настоящее время перспективы развития топливно-энергетического комплекса страны неразрывно связаны с освоением месторождений нефти и газа, расположенных в шельфовой зоне. Разработка таких запасов углеводородов требует решения задачи электроснабжения объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений.

В качестве источников электроснабжения объектов обустройства морских месторождений нефти и газа могут применяться автономные электростанции. В качестве альтернативного варианта электроснабжения может рассматриваться электроснабжение от береговых централизованных источников по подводным кабельным линиям. Эти решения известны в мировой практике обустройства месторождений углеводородов, расположенных на континентальном шельфе [1]. Очевидно, что электроснабжение от береговых источников может применяться только для стационарных объектов. Для мобильных объектов альтернативы автономному электроснабжению нет. Тем не менее для мобильных объектов должна предусматриваться возможность приема электрической энергии от береговых источников или от источников электроснабжения судов различного назначения в ремонтных, стояночных, аварийных и иных режимах работы объектов. В ряде случаев при создании морских объектов эстакадного типа в качестве одного из вариантов может рассматриваться орга-

низация электроснабжения объектов по воздушным линиям электропередачи.

Основными преимуществами автономного электроснабжения следует считать следующие факторы:

1. меньшие капитальные затраты на создание источника электроснабжения;

2. неограниченную удаленность объекта от береговой линии;

3. независимость от состояния и режимов работы береговых источников электроснабжения;

4. меньшее переходное сопротивление источника, обусловливающее большую устойчивость электротехнической системы.

Основными преимуществами электроснабжения от береговых источников по подводным кабельным линиям следует считать следующие факторы:

1. меньшие эксплуатационные затраты на электроснабжение объекта;

2. значительно больший расчетный срок службы без средних и капитальных ремонтов;

3. высокую надежность кабельных линий;

4. независимость от большего числа природных факторов.

Основными преимуществами электроснабжения от береговых источников по воздушным линиям следует считать следующие факторы:

1. меньшие по сравнению с кабельными линиями затраты на сооружение;

2. меньшее по сравнению с кабельными линиями время ликвидации аварии на самой линии электропередачи.

В случае автономной системы электроснабжения построение системы с полностью независимыми источниками питания практически невозможно [2]. Работа генераторов главных электростанций в условиях раздельной работы шин главного распределительного щита или распределительного устройства связана со значительными проблемами. Основной из таких проблем является существенная сложность обеспечения синхронности и, тем более, синфазно-

62 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\

\\ № 12 \\ декабрь \ 2003

сти работы генераторов, подключаемых к различным секциям шин. В свою очередь отсутствие синхронности работы генераторов сделает невозможным быстрое резервирование электроснабжения путем замыкания секционного выключателя. Замыканию секционного выключателя должна предшествовать процедура синхронизации генераторов, что требует значительного времени и, следовательно, не обеспечивает надежности электроснабжения ответственных потребителей электрической энергии. Отсутствие синфазности работы генераторов основной электростанции объекта также делает невозможным замыкание секционного выключателя без предварительного согласовании режима работы генераторов. В данном случае ограничивающим фактором будет значительный переток мощности через замкнутый секционный выключатель. Помимо рассмотренных факторов следует учитывать и тот факт, что работа системы электроснабжения с замкнутым секционным выключателем обеспечивает большую мощность основного источника электроснабжения и снижает риск возникновения проблем пуска мощных электроприводов, приема ударной и резкопеременной нагрузки и т.п. Таким образом, в качестве основного режима работы электростанции объекта должен быть принят режим работы при замкнутых шинах главного распределительного устройства [1]. Представляется, что предлагаемый подход не противоречит требованиям действующей редакции Правил устройства электроустановок (7-е издание). Данный нормативный документ, обязательный к применению, трактует независимость источников электроснабжения следующим образом: «Независимый источник питания - источник питания, на котором сохраняется напряжение в послеаварийном режиме в регламентированных пределах при исчезновении его на другом или других источниках питания». Понятие послеаварийного режима определяется следующим образом: «... режим, в котором находится потребитель электрической энергии в результате нарушения в системе его электроснабжения до установления нормального режима после локализации отказа». Следовательно, для обеспечения электроснабжения потреби-

телей первой категории надежности достаточно обеспечить сохранение напряжения на одной из секций шин после ликвидации любого аварийного возмущения в системе электроснабжения объекта.

Однако при таком режиме работы системы электроснабжения возникают определенные трудности, связанные с неизбежными при работе любой сложной системы аварийными ситуациями. К таким ситуациям в первую очередь относятся короткие замыкания. При коротких замыканиях напряжение в точке короткого замыкания снижается практически до нуля. При относительно небольшой протяженности линий электропередачи и режиме работы системы внутреннего электроснабжения с замкнутым секционным выключателем такая авария вызывает потерю питания всеми потребителями объекта. Для предотвращения потери питания при подобных возмущениях потребители особой группы первой категории надежности должны получать резервное питание от источников бесперебойного электроснабжения. Для остальных потребителей восстановление нормального режима электроснабжения должно обеспечиваться за счет ликвидации возникшего короткого замыкания быстродействующими защитами. При этом следует учитывать, что практика эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий и расчеты переходных процессов показывают, что существует опасность нарушения устойчивости узлов нагрузки вследствие несвоевременного отключения возникшего короткого замыкания. Также практика исследований устойчивости электротехнических систем показала, что требование обеспечения устойчивости при внутренних возмущениях часто находится в противоречии с требованием обеспечения селективности работы токовых защит [3]. Из последних требований следует необходимость увеличения времени срабатывания при приближении контролируемой точки к источнику энергоснабжения. Соображения устойчивости, наоборот, требуют уменьшения времени ликвидации аварии по мере приближения к источнику. Успешное разрешение возникающего противо-

речия возможно при применении иных принципов обеспечения селективности работы защит. В частности, селективность может быть обеспечена при уверенном определении точки возникновения короткого замыкания. Системы защит, реализующие такие функции, известны и могут быть с успехом применены в системах электроснабжения рассматриваемых объектов. Еще одной задачей при проектировании системы электроснабжения является задача выбора режима нейтрали. При этом должны учитываться требования общегосударственных и отраслевых нормативных документов, технологические требования, сложившаяся практика выбора режима нейтрали, требования к надежности электроснабжения, соображения электробезопасности, экономические факторы [4]. Действующими в России нормативными документами предусматривается возможность выполнения сетей напряжением от 2 до 35 кВ как с изолированной нейтралью, так и с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор. Сети напряжением до 1000 В, как правило, выполняются с глухозазем-ленной нейтралью, однако в некоторых случаях используется и изолированная нейтраль.

В других странах ситуация с применяемыми режимами нейтрали для сетей от 4 до 35 кВ (так называемые сети среднего напряжения) выглядит следующим образом [4]. В Германии, Австрии и Швейцарии для данного уровня напряжения используется нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор. В Португалии, Франции и Бельгии применяется нейтраль, заземленная через резистор; в Великобритании, США, Канаде, Испании и Австралии применяется глухое заземление нейтрали или заземление через резистор. В Италии используется только изолированная нейтраль, в Японии - изолированная нейтраль или нейтраль, заземленная через резистор, в Финляндии - изолированная нейтраль или нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор.

Поскольку в сетях среднего напряжения наиболее часты однофазные короткие замыкания (замыкания на землю), решение о применении изолированной нейтрали позволяет избавиться от появления больших токов при подобных

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ энергетика \\ 63

ЭНЕРГЕТИКА

видах коротких замыканий. При таких нарушениях нормального режима электроснабжения возможна достаточно длительная работа потребителей, что в свою очередь дает значительный запас времени для перехода на резервную схему питания. Таким образом, надежность электроснабжения потребителей в сетях с изолированной нейтралью в целом повышается. Помимо этого, применение сетей с изолированной нейтралью обеспечивает определенную экономию ресурсов коммутационных аппаратов и более низкие затраты на сооружение таких сетей. Снижение затрат обусловлено отсутствием четвертого провода, третьего трансформатора тока в КРУ, меньшим количеством реле и т. д. В целом по стране это дало большую экономию. Применение сетей с изолированной нейтралью для среднего уровня напряжения в определенной степени связано еще и с тем, что у большей части обмоток трансформаторов напряжением 6 или 10 кВ применяется соединение в треугольник. Такое соединение обмоток обеспечивает синусоидальность ЭДС трансформаторов и,следовательно, выходных напряжений.

Вместе с тем для сетей с изолированной нейтралью характерны определенные недостатки, а именно:

• возможность возникновения дуговых и феррорезонансных перенапряжений при перемежающемся характере дуги с малым током в месте однофазного замыкания на землю;

• выход из строя электродвигателей, кабелей, трансформаторов напряжения из-за пробоев изоляции, связанных с перенапряжениями;

• необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;

• низкие значения токов замыканий на землю осложняют организацию защиты от подобных режимов, а в ряде случаев требуют принятия дополнительных мер по контролю целостности изоляции.

Действующая редакция Правил устройства электроустановок ограничивает применение режима полностью изолированной нейтрали по максимальному значению тока однофазного замыкания на землю. При значительных токах од-

нофазного короткого замыкания необходима компенсация емкостного тока. Сети, в которых применены устройства компенсации - дугогасящие реакторы, иногда называют сетями с компенсированной нейтралью.

В сетях с компенсированной нейтралью между нулевой точкой источника и землей устанавливается дугогасящая катушка индуктивности (реактор). При равенстве абсолютных значений фазных токов утечки в нормальном режиме работы ток в дугогасящем реакторе теоретически отсутствует. Однако за счет разности емкостных проводимо-стей в реальности через реактор протекает небольшой ток небаланса. При коротком замыкании одной из фаз сети с компенсированной нейтралью напряжение на дугогасящей катушке становится равным фазному напряжению, и по ней будет протекать некоторый ток. Этот ток носит индуктивный характер. Токи утечки, очевидно, носят емкостной характер. Соответственно, в точке короткого замыкания ток будет равен векторной сумме названных токов. Вследствие их противоположной направленности ток короткого замыкания существенно снизится, что приведет к уменьшению вероятности возникновения дуги и к снижению ее мощности. Для эффективного снижения мощности дуги необходима настройка дугогасящей катушки в режим резонанса токов. В таком случае снижение тока короткого замыкания будет наибольшим. Считается допустимой работа сети с компенсированной нейтралью при перекомпенсации, не превышающей 5%. В целом применение сетей с компенсированной нейтралью позволяет решить большую часть проблем, характерных для сетей с изолированной нейтралью. Из недостатков можно отметить только следующие:

• необходимость выполнения изоляции электрооборудования относительно земли на линейное напряжение;

• изменение конфигурации электрических сетей, как при их развитии, так и при оперативных переключениях, нарушает настройку в резонанс дугога-сящих реакторов, что требует принятия дополнительных мер для поддержания резонансного режима.

При отсутствии нейтральной точки источника, например при соединении

вторичных обмоток трансформатора треугольником, дугогасящие реакторы присоединяются к линейным проводам и соединяются звездой; нейтральная точка образовавшейся звезды заземляется.

В случае использования глухозазем-ленной нейтрали решение может быть обусловлено рядом факторов. Назовем наиболее существенные преимущества такого построения сетей:

• наличие сети с глухозаземленной нейтралью позволяет иметь два уровня напряжения - линейное и фазное, что, в частности, облегчает построение схем управления электроприводами и широко применяется в коммунальном секторе;

• в нормальном и аварийном (короткие замыкания, обрывы линейных проводов) режимах работы такой сети напряжения фаз относительно земли не превышают номинального значения фазного напряжения. Это облегчает изоляцию токоведущих частей электроустановок и снижает риск поражения электрическим током;

• токи замыкания на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью достаточно велики. Таким образом, в большинстве случаев не возникает проблемы распознавания защитами аварийного режима и быстрого отключения поврежденного участка. В сетях с преобладающей долей однофазной нагрузки защита линейных проводов плавкими предохранителями позволяет сохранить напряжение на неповрежденных фазах при однофазных коротких замыканиях, что снижает ущерб от подобных нарушений нормального режима электроснабжения.

В целом режим нейтрали оказывает существенное влияние на безопасность электротехнических систем и персонала, что обязательно должно учитываться при проектировании систем электроснабжения.

Таким образом, анализ возможных режимов нейтрали в условиях систем электроснабжения морских объектов добычи нефти и газа позволяет сделать следующие основные выводы. 1. Выбор режима нейтрали для системы электроснабжения объекта должен быть согласован с заказчиком проекта и

64 \\ ТЕРРИТОРИЯ нефтегаз \\

\\ № 12 \\ декабрь \ 200Э

органом, сертифицирующим объект.

2. На сегодняшний день практика создания систем электроснабжения объектов обустройства морских месторождений нефти и газа свидетельствует в пользу применения режима изолированной нейтрали для всех уровней напряжения. Технические решения для такой схемы достаточно известны и прошли апробацию на объектах, созданных в 70-х - 80-х гг. прошлого века.

3. Представляется перспективным постепенный отход от однозначного выбора режима изолированной нейтрали как для уровня низкого, так и для уровня среднего напряжения.

4. В перспективе представляется возможным использование на объектах

обустройства морских месторождений нефти и газа режима нейтрали, заземленной через сопротивление, или режима эффективно заземленной нейтрали. Следует отметить, что с недавних пор такой режим не запрещен для рассматриваемых объектов [5]. Такие схемы позволят упростить систему противоаварийных защит и автоматики, снизить риск возникновения дуговых и феррорезонансных перенапряжений при замыканиях на землю.

В целом объекты обустройства морских нефтегазовых месторождений весьма разнообразны по своим характеристикам. Поэтому при выборе

варианта электроснабжения следует учитывать все индивидуальные характеристики конкретного объекта. Технические решения, принимаемые при проектировании источников электроснабжения и электротехнических систем таких объектов, не могут копировать решения, хорошо отработанные для объектов нефтяной и газовой промышленности, расположенных на суше. С другой стороны, эти решения не могут совпадать и с решениями, используемыми на судах морского плавания. При этом очевидна возможность и целесообразность использования или учета опыта, накопленного в упомянутых отраслях промышленности.

Литература:

1. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. М.: Недра, 2000.

2. Надежность электроэнергетических систем/ Под ред. М.Н. Розанова. М.: Энергоатомиздат, 2000.

3. Ершов М.С., Егоров А.В. Итоги исследования устойчивости промышленных электротехнических систем с асинхронной двигательной нагрузкой // Территория «Нефтегаз». 2005. № 5.

4. Маньков В.Д., Заграничный С.Ф. Защитное заземление и зануление электроустановок: Справочник. СПб.: Политехника, 2005.

5. Морской регистр. Правила постройки и классификации ПБУ и морских стационарных платформ. СПб, 2008.