X Международная студенческая научная конференция
«Студенческий научный форум» - 2018
 
     

АДАПТИВНАЯ ФИЛЬТРОВАЯ ЗАЩИТА ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ОТ НЕПОЛНОФАЗНОСТИ И НЕСИММЕТРИИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Мунасипов Ф.Ф., Капаев В.И., Зиланов М.В.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Добыча воды, нефти а так же различных пластовых жидкостей осуществляется из глубинных скважин, погружными центробежными электронасосными агрегатами с электрическим приводом, выполненным на основе сложного по изготовлению и дорогостоящего водозаполенного трехфазного асинхронного электродвигателя (АД) с короткозамкнутым вертикальным ротором с принудительным охлаждением. Электродвигатель непосредственно находится в скважине, т.е. в жидкой рабочей среде на глубине до 2000 м от поверхности земли. Погружные асинхронные электродвигатели предназначены для работы с номинальными нагрузками практически без технического обслуживания, что в сочетании с низким качеством электроснабжения и отсутствием достаточной защиты приводит к высокой аварийности. Выход из строя электродвигателя насосного агрегата влечет за собой большие экономические потери, связанные с необходимостью приобретения электронасосного агрегата и выполнения дорогостоящих работ по замене насоса, подъему и опусканию колонны труб.

В распределительных сетях 10,0 и 0,38 кВ всегда существует несимметрия напряжения и высокая вероятность возникновения неполнофазного режима [1].В связи с этим, наиболее частой причиной выхода из строя погружных электроцентробежных насосных агрегатов нефтедобывающих и водоснабжающих комплексов являются несимметрия напряжений фаз питающей сети и неполнофазный режим работы. Общее влияние несимметрии напряжений на электродвигатели выливается в значительное снижение мощности и срока их службы. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K2U = 2...4 %, срок службы электродвигателя снижается на 10...15 %, а если он работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое [2,3].

Вместе с тем, система автоматики существующих станций управления погружными электронасосными агрегатоми не обеспечивает защиту их приводных электродвигателей от неполнофазного режима работы при обрыве фазных проводов на участке электрической сети за местом установки щита управления двигателем (например, при обрыве проводов питающего кабеля, расположенного в подъемной колонке из труб погружных электронасосных агрегатов и соединяющегощит управления двигателем с самим электродвигателем, а тем более при обрыве в статорной обмотке электродвигателя) (рис.1).

Рис.1. Станция управления погружным электронасосным агрегатом

В то же время, именно эти участки электрической сети погружных электроцентробежных насосных агрегатов находятся в самых неблагоприятных условиях работы и вероятность обрыва здесь фазных проводов и связанное с ним неполнофазное питание электродвигателя намного больше. Поэтому разработка автоматических средств защиты приводных электродвигателей электроцентробежных насосных агрегатов от выхода из строя при низкокачественном электропитании-весьма актуальная задача. В настоящей работе дальнейшее развитие получила идея использования в системе защиты электродвигателей фильтров напряжения симметричных составляющих. При этом предложено адаптивное устройство фильтровой защиты приводного электродвигателя погружных электроцентробежных насосных агрегатов, позволяющее защитить его от несимметрии питающего напряжения с автоматической коррекцией уставки срабатывания защиты в зависимости от коэффициента загрузки электродвигателя.

Напряжение в трехфазной сети может быть несимметричным. Несимметричное напряжение нормируется по его параметрам на основной частоте. Если амплитуды фазных (междуфазных) напряжений равны и сдвиг фаз (угол между ними) одинаков, то напряжение симметрично. Если один из этих признаков или оба нарушаются, то напряжение несимметрично. Аналогичное определение может быть распространено и на токи. Причин несимметрии напряжений много, но основная из них — это несимметрия токов в сети, что обусловлено неравенством нагрузки по фазам.

Для анализа несимметричных режимов трехфазных электрических цепей в общем случае применяется метод симметричных составляющих, основанный на представлении любой трехфазной несимметричной системы электрических или магнитных величин (токов, напряжений, магнитных потоков) в виде суммы трех симметричных систем [4]. Эти симметричные системы величин, образующих в совокупности несимметричную систему, носят название симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей. При этом под последовательностью подразумевается порядок следования во времени максимумов фазных величин. На рис.2 в качестве примера показана несимметричная система фазных напряжений генератора (а) и ее составляющие прямой (б), обратной (в) и нулевой (г) последовательностей (даны вне реальных масштабов). Симметричные составляющие напряжений прямой последовательности обозначены индексом (1), симметричные составляющие напряжений обратной последовательности индексом (2) и составляющие напряжений нулевой последовательности индексом (0).

Рис.2. Симметричные составляющие прямой (б), обратной (в) и нулевой (г) последовательностей.

Несимметрию напряжений (токов) характеризуют симметричными составляющими основной частоты прямой, обратной и нулевой последовательности. Прямая последовательность является основной составляющей. Именно она определяет чередование фазных (междуфазных) напряжений и рабочее (номинальное) напряжение сети. Напряжение обратной и нулевой последовательности следует рассматривать как помеху, под влиянием которой в цепи трехфазной нагрузки протекают соответствующие токи. Эти токи не совершают полезной работы, приводя, например, к снижению вращающего момента на валу вращающихся машин и их дополнительному нагреву. Утроенное значение токов нулевой последовательности в нулевых проводах сетей напряжением 380 В приводит к их перегрузке. Замыкаясь в обмотках трансформаторов, соединенных в «треугольник», токи нулевой последовательности создают эффект подмагничивания.

Для оценки несимметрии напряжений (токов) пользуются методом симметричных составляющих, согласно которому любая трехфазная система синусоидальных напряжений (токов) может быть представлена тремя симметричными составляющими: прямой, обратной и нулевой последовательности.

В соответствии с этим методом установлены и показатели качества электроэнергии (ПКЭ) по несимметрии напряжения:

• коэффициент несимметрии напряжения по обратной последо­вательности для любой сети

• коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последова­тельности для четырех проводной сети 380 В

где и — соответственно напряжения основной частоты обратной и нулевой последовательности; — междуфазное (фазное) напряжение основной частоты прямой последовательности. Вторая формула используется для приближенных расчетов.

Несимметричное напряжение нормируется по его параметрам на основной частоте. Нормально и предельно допустимые значения коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности К2Uсогласно ГОСТ 13109—97 для сетей всех номинальных напряжений составляют соответственно ±2 и ±4 %.

Несимметрия трехфазной системы напряжений приводит к возникновению токов обратной последовательности I2, а в четырехпроводных сетях — токов нулевой последовательности I0.

Токи I2 вызывают дополнительный нагрев вращающихся машин, создавая отрицательный вращающий момент, снижают скорость вращения роторов асинхронных двигателей и производительность приводимых ими механизмов. Снижение скорости вращения, т.е. увеличение скольжения АД, сопровождается увеличенным потреблением реактивной мощности и, как следствие, снижением напряжения. При несимметрии напряжений, составляющей 2%, срок службы асинхронных двигателей ввиду дополнительных потерь активной мощности сокращается на 10,8%. Согласно требованиям международной электротехнической комиссии (МЭК 892) номинальная нагрузка двигателя допускается при К2 < 1%. При коэффициенте обратной последовательности 2% нагрузка двигателя должна быть снижена до 96%, при 3% — до 90%, при 4% — до 83% и при 5% — до 76%. Эти цифры справедливы при условии, что двигатель работает с постоянной нагрузкой, т.е. в установившемся тепловом режиме.

Для контроля за такого рода нарушениями номинального режима питания используются фильтры напряжений нулевой и обратной последовательностей и реле, включаемые этими напряжениями [5]. Фильтрами симметричных составляющих называются устройства, служащие для выделения соответствующих составляющих напряжений или токов трехфазной цепи. Фильтры имеют входные и выходные выводы. К входным выводам фильтра подводятся напряжения или токи трехфазной электрической цепи: на выходных выводах фильтра получается напряжение или ток, пропорциональные соответствующим симметричным составляющим электрических величин, подводимых к входным выводам.

Напряжения и токи, выделяемые фильтрами симметричных составляющих, используются на практике для цепей автоматики, защиты от несимметричных режимов или сигнализации. С этой целью к выходным выводам фильтров симметричных составляющих присоединяются соответствующие аппараты, приборы, реле и т. п. Поэтому исследование возможностей повышения эффективности защиты электронасосных агрегатов от неполнофазных режимов работы использованием фильтров соответствующих симметричных составляющих и разработка на этой основе надежных защитных устройств, обеспечивающих их безаварийную работу электронасосных агрегатов приобретает большую практическую значимость

Для совершенствования фильтровых устройств защиты предлагается объединить фильтр напряжений нулевой последовательности с частью фильтра напряжения обратной последовательности. Это повышает структурную надежность устройства защиты и снижает его стоимость. Схема защиты трехфазных асинхронных двигателей на основе модернизированного активно-емкостного фильтра напряжений нулевой и обратной последовательностей изображена на рис.3.

Рис.3. Схема защиты трехфазных асинхронных двигателей на основе объединения части фильтра напряжений обратной последовательности с частью фильтра напряжений нулевой последовательности.

Схема защиты работает следующим образом.При нажатии на кнопку SB1 «Пуск» фазное напряжение поступает на обмотку пускателя КМ1, и он своими основными контактами подключает электродвигатель М1 или другую нагрузку к трехфазной сети. Вспомогательные контакты пускателя блокируют кнопку SB1, которую теперь можно отпустить. Включение двигателя происходит в результате разрыва цепи питания обмотки пускателя КМ1 при нажатии на кнопку SB2 «Стоп» или при срабатывании реле К1 реагирующего органа (РО) на появление напряжения на выходе комбинированного фильтра нулевой и обратной последовательностей (ФНОП).

На обмотку этого реле с комбинированного фильтра нулевой и обратной последовательностей поступает пропорциональное «перекосу фаз» напряжение между точкой соединения конденсаторов С1-С3 и нейтралью трехфазной сети N , выпрямленное диодным мостом VD1-VD4. Реле сработает, если это напряжение превысит некоторое пороговое значение, которое можно регулировать переменным резистором R1 . Порог срабатывания защиты регулируется резистором. Защита от асимметрии напряжений в фазах не имеет запоминания и разрешает повторный самозапуск электродвигателя через 15...20 с после восстановления симметрии напряжений.

Конденсатор С4 не только сглаживает пульсации подаваемого на реле напряжения, но и обеспечивает необходимую для отключения пускателя КМ1 продолжительность удержания контактов реле К1.1 в разомкнутом состоянии. Кроме того, конденсатор предотвращает ложные срабатывания автомата, к которым может привести неодновременное замыкание контактов КМ1.1 при срабатывании пускателя. Стабилитроны VD5-VD7 ограничивают на допустимом уровне напряжение на обмотке реле К1 и конденсаторе С4 при слишком большом «перекосе».

Как показывает практика, для электродвигателя критично уменьшение напряжения в одной из фаз примерно до 70% номинального, т.е. до 150…140В в сети 220/380 В. В этой ситуации действующее значение напряжения между искусственной и реальной нейтралями достигнет 20…25 В, а на выходе выпрямительного моста VD1-VD4-28…35 В (в действительности под нагрузкой, создаваемой обмоткой реле К1, напряжение будет немного меньше). Порог срабатывания защиты регулируется резистором R1.

Справедливость результатов теоритических исследований работы комбинированного фильтра напряжения прямой и обратной последовательности в режимах несимметричной нагрузки при обрыве фазы в нагрузке и линии были подтверждены результатами компьютерного моделирования с помощью компьютерной программы Electronics Workbench. Схема моделирования фильтра представлена на рис 4.

Рис.4. Схема моделирования комбинированного фильтра в среде компьютерной программы Electronics Workbench.

Результаты моделирования представлены величиной напряжения на реагирующем органе РО в табл. 1

Tаблицa 1

Результаты моделирования

Из приведенных здесь данных следует, что результаты теоретического анализа и компьютерного моделирования фильтра напряжения обратной последовательности совпадают.

Согласно ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» предельно допустимый коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности составляет 4%, что может привести к выходу из строя АД. По этой причине его нужно отключать. Но не всегда это необходимо, так как отключение электродвигателя может привести к гораздо большему материальному ущербу, чем стоимость АД. Температура электродвигателя зависит от коэффициента загрузки и коэффициента несимметрии. Если АД находится в недогруженном состоянии, и его температура не достигла критической, то он может оставаться в работе. Отключение потребуется лишь тогда, когда температура АД достигнет критической и его дальнейшая эксплуатация может привести как к остановке технологического процесса, так и выходу из строя АД.

Недостатком предыдущих устройств фильтровой защиты асинхронного электродвигателя является отсутствие коррекции установки защиты при различной загрузке электродвигателя. Поэтому, целесообразно разработать устройство, которое могло срабатывать в зависимости от загрузки АД (рис. 5). Устройство состоит из комбинированного фильтра нулевой и обратной последовательностей (ФНОП), реагирующего органа (РО) и электронного измерителя тока загрузки двигателя (ЭИТ).

Рис. 5. Адаптивное устройство фильтровой защиты асинхронного электродвигателя от несимметричных и неполнофазных режимов работы

В этой схеме автоматически изменяется величина напряжения срабатывания защиты в зависимости от загрузки двигателя. Так как значение порогового напряжения срабатывания защиты изменяется в соответствии с коэффициентом загрузки двигателя, то устройство для защиты трехфазного электродвигателя от несимметрии питающих напряжений при уменьшении коэффициента загрузки двигателя сработает при другом, более высоком значении коэффициента несимметрии, исключив тем самым ложные срабатывания устройства при малых загрузках электродвигателя. О коэффициенте загрузки двигателя судят по величине тока, потребляемого двигателем. При увеличении загрузки электродвигателя увеличивается ток I1. Измерение величины тока осуществляется узлом контроля коэффициента загрузки двигателя, представляющим собой электронный измеритель тока (ЭИТ). Выход электронного измерителя тока, подключенный к исполнительному элементу K1 реагирующего органа РО, управляющего работой магнитного пускателя KM1 с контактами KM1.1, адаптирует порог срабатывания защиты под уровень загрузки двигателя.

Предложенное устройство позволяет защитить асинхронный электродвигатель от несимметрии питающих напряжений с коррекцией установки срабатывания защиты в зависимости от коэффициента загрузки электродвигателя

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г.,Шаров Ю.В. Управление качеством электроэнергии.-М.: МЭИ, 2006.-320с.

2. Мусин А.М. Аварийные режимы асинхронных электродви­гателей и способы их защиты. — М.: Колос, 1979.

3.Счастливый Г.Г., Семак В.Г., Федоренко Г.М. Погружные асинхронные двигатели. - М.: «Энергоатомиздат», 1983.-324 с.

4. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники.- СПб.: «Лань», 2008.-592с.

5. Алексеев, Б.А. Фильтры симметричных составляющих и их применение в схемах релейной защиты / Б.А. Алексеев. – М. : Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. – 88 с.