CC BY
26
7. Диковский Я. М., Капралов И. И. Магнитоуправляемые контакты. М.: Энергия, 1970. 153 с. ISBN 978-5-91559-098-3.
8. Карабанов С. М., Майзельс Р. М., Шоффа В. Н. Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект»М, 2011. 408 с. ISBN 978-5-91559-098-3.
9. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1967. 775 с.
НОВОЖИЛОВ Тимофей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». Адрес для переписки: timokvey@mail.ru
Статья поступила в редакцию 16.06.2017 г. © Т. А. Новожилов
УДК 621.31
и. с. сухачев
с. в. сидоров в. в. сушков
Тюменский индустриальный университет,
г. Тюмень Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск
методика оценки энергии,
воздействующей на изоляцию электрооборудования нефтяной скважины при импульсных перенапряжениях
Работа относится к области электротехники и внутрискважинного оборудования, а именно к оценке энергии, воздействующей на изоляцию электрооборудования нефтяной скважины при импульсных перенапряжениях. Разработана на примере системы «трансформатор—питающий кабель—ПЭД» схема замещения и ее математическое описание. Построена и проанализирована АЧХ импульсных перенапряжений на входе трансформатора, кабеля и погружного электродвигателя. Определены энергия и частоты напряжений в узлах схемы замещения, где энергия воздействия на изоляцию имеет максимальное значение.
Ключевые слова: импульсные перенапряжения, энергия, изоляция электрооборудования, трансформатор, кабель, погружной электродвигатель, оборудование защиты.
Одна из причин значительных непроизводственных потерь и снижения объема добычи нефти при использовании установок электрических центробежных насосов (УЭЦН) заключается в выходе из строя погружных электродвигателей (ПЭД). Причем надежность изоляции (50 % выхода из строя) ПЭД существенным образом влияет на технический ресурс УЭЦН в целом. На технический ресурс изоляции ПЭД существенным образом влияют число импульсов и величина энергии (напряженность электрического поля) внутренних и внешних перенапряжений, приводящих к пробою изоляции [1, 2].
У твердых изоляционных материалов различают три основных механизма пробоя: тепловой, электрический и электрохимический [3].
Тепловой пробой возникает, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в изоляции за счет диэлектрических потерь, превышает то
количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях, при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом изоляции, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения и температурой окружающей среды. Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности.
Электрический пробой не обусловлен тепловой энергией и является по своей природе чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией, которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкно-
Рис. 1. Схема замещения системы Т-К-ПЭД
вениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изоляции. Электрический пробой наблюдается у большинства типов изоляционных материалов при кратковременных (импульсных) воздействиях напряжения.
Электрохимический пробой изоляции развивается при повышенных температурах и высокой влажности воздуха (окружающей среды).
Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности и, следовательно, не является определяющим при импульсных воздействиях.
Методика оценки передаваемой энергии изоляции электрооборудования заключается в:
— разработке схемы замещения и математического описания системы «трансформатор — питающий кабель — ПЭД» (Т-К-ПЭД);
— проведении частотного анализа в узлах схемы замещения при импульсных воздействиях;
— расчете энергии передаваемой изоляции электрооборудования системы Т-К-ПЭД.
Разработанная нелинейная схема замещения системы Т-К-ПЭД представлена на рис. 1, где 1 — источник, задающий гармоники импульсного перенапряжения; 2 — трансформатор; 3 — питающий кабель; 4 — ПЭД. В соответствии с рис. 1 разработано математическое описание перечисленного электрооборудования системы Т-К-ПЭД, приведённое далее.
Трансформатор описывается системой комплексных уравнений (1):
I о1 = I, + 1т,
1 т 1 лэ + 1 нэ,
Iл • Rm = и,
и, = I, • ^ +1 лэ • Rи
(1)
и = и - I • Ы
2 02 12 2'
UoL = к = Л,
и„, г,
где Z1, Z2 — полные комплексные сопротивления первичной и вто=ичной обмоток трансформатора, определяемые как
Ы =
1о
j • и • С, +
1
Ы°2 =
R1 + К • и • — 1
К ■ и • С щ +
1
R2 + = • 0° • ¿2
(2)
(3)
п — коэффее,иеет трансфо+мации; Д, Я2, Ь , 12, С1, С2 — активны е сопроыивления, индуктивности и межв итковые тмкоста перов1чноР[ и вторичной обмоток соответ сев енно щ ', !т — активное сопротивление и ин,дукти ено-ть кинтура намагнич! вания.
Питающий кабел1 пре/^стевлет /у—нной ли1ией с распредеоёнными п=раметр 1ми и ооивывается системой комелексных у+ ывнвниИ (—:
И2 = и (• ра(у • а + ы, • ы„ • аа—у • 1),
2 ~ д
и
12 =аа-иа(у- 1) +1( • рщу • 1) , ы
(4)
где Ыу , у — волиоооа сопротивлание питающего кабеля и постоянная ртспрнвтраиеиня электромагнитного колебания, опредыля=мые как
Ы =
у = 7ы0 • Я
(5)
Z0, У0 — продольис^е сопроаивлнние и поперечная проводимость единицы двины па^тыющего каие—н Я0, С0, !0, Сд — акт+вные сопрот+вхен-1 и прови-димость, иноухтнвхосоь, е1ккосто едоницы длины питающего кабеля; 1 — длине питающего кабеля.
ПЭД ыписывиытсо хтс-емой ким ине=сных уравнений (6):
!а = I' + !(,
00 •—
ё( • (ы( + ып )-Ы-к •ы —г = 0.
и,2 = I • Ыа + I' • К
IV г'Гч
Рис. 2.Частотные характеристики импульсных перенапряжений в узлах схемы замещения системы Т-К-ПЭД: 1 — трмн сфо р м атора; 2 — питающего кабеля; 3 — ПЭД
Рис. 3. Схема замещения изоляции электрооборудования
Таблица 1
Параметры расчетных точек АЧХ перенапряжения
Частота, кГц Коэффициент затуханияамплитуды, дБ Величина напряжения на зажимах ПЭД, В
10 -16,503 3454
18 -12,686 5361
27 + 16,787 159545
40 -19,053 2575
70 -33,285 500
140 -47,638 96
230 -62,201 18
276 -177,073 32 10-6
432 -49,019 82
1000 -70,856 7
где Хб, Т\ — потное аогфотивление схаторной об-ммтки и птиведенное полное сопротивление роторной обмоткр ПЭД, определяемые как
г. =
1
е ■ н ■ С е
1
тт; =
а е е • н ■ ев 1
7 ■ н ■ С' е
■ г г>1
1
(7)
(8)
а;е е лнл е;
Ьб, Сб — аатиесое сопрютивление, индуктивность и межвитковая емкость статорной обмотки; а;, о;, с; — приееденные активные сопротивления, индуктивность и межвитковая емкость роторной обмотки; 0, — взаимная индуктивность; Яп — сопротивление нагрузки, эквивалентное статическому моменту ПЭД.
В результате моделирования получены частотные характеристики импульсных перенапряжений в узлах схемы замещения системы Т-К-ПЭД, приведенные на рис. 2.
Существенные изменения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) перенапряжения наблюдаются в диапазоне частот 10 — 1000 кГц, в котором выбраны расчетные точки, соответствующие границам диапазона, резонансным режимам и участкам характеристики с наибольшей динамикой изменения величины перенапряжения. Параметры точек представлены в табл. 1.
Для оценки энергии, воздействующей на изоляцию электрооборудования, при импульсных перенапряжениях необходимы схемы замещения изоляции трансформатора, кабеля и погружного электродвигателя. На рис. 3 представлена обобщенная схема замещения изоляции вышеуказанного электрооборудования, параметры которой зависят от конкретного вида оборудования [4, 5]. Схема замещения изоляции описывается системой комплексных уравнений (9):
Iп = ид ■ ¡рС
i =_
1абс
и
¡тСа
С)
1пР = ид ■ Ynp
1 = 1п И 1 абс И Нпр
где С — ёмкость, учитывающ ая ионнуюи элект р он -ную поляризацию изоляции; га6с, Са6с — Iолинины, учитывающие процессы абс орбции; Упр = 1 / Япр — сквозная проводимость из оляции.
С целью проиеде=исчастотн ого анализавузлах схемы замещения при импульсных воздействиях, импульс перенапряжения разложен на гармонические составляю!1 ое (в р¡н Фурье), подаваемые источником 1т (рис. 1). Частотная характеристика импульсных перенапр=жений пазволяет оценить передаваемую энергию изоляции электрооборудования системы Т-К-П =Д.
Предлагается зн=чения эне1гии передаваемой изоляции определянь не- выражениям:
и
= я-р з-р*;
с
з
Ид = с.т4 аТтс ас ■
(10)
(11)
1
89
о
Таблица 2
Энергия, передаваемая изоляции электрооборудования системы Т-к-ПЭД при импульсном перенапряжении по частотам гармонических составляющих
Параметры гармонических составляющих импульсного перенапряжения Энергия, передаваемая изоляции по элементам системы Т-К-ПЭД, Дж
Частота, кГц Воздействующая энергия, Дж Трансформатор Кабель ПЭД
10 1,35 0,035 (2,6 %) 0,122 (9,1 %) 1,193 (88,3 %)
24 8,79 0,015 (0,2 %) 0,393 (4,5 %) 8,38 (95,3 %)
27 974,35 0,012 (0,001 %) 31,6 (3,2 %) 942,8 (96,8 %)
40 0,177 0,009 (4,99 %) 1,210-6 (0,6840-3 %) 0,168 (95 %)
70 10,540-3 0,005 (47,9 %) 0,002 (18 %) 0,004 (34,1 %)
140 3Д10-3 0,003 (70,1 %) 0,001 (28,1 %) 65Д10-6 (1,8 %)
230 1,740-3 0,0015 (89,8 %) 0,0002 (10,1 %) 1,440-6 (0,1 %)
276 1Д10-3 0,0013 (99,99 %) 9Д10-16 (7,740-11 %) 3Д10-18 (340-13 %)
432 24,440-3 0,0008 (3,3 %) 0,024 (96,6 %) 15,540-6 (0,1 %)
1000 210-3 0,0004 (18 %) 0,002 (82 %) 4,440-8 (0,002 %)
Рис. 4. АЧХ кратности энергии, передаваемой изоляции статорных обмоток ПЭД
импульсного перенапряжения, за исключением резонансной частоты 27 кГц.
Таким образом, при подборе параметров оборудования защиты от импульсных перенапряжений определяющими являются процессы, протекающие под воздействием электрической составляющей потребляемой изоляцией ПЭД энергии.
Для защиты ПЭД в расчетную точку схемы замещения системы Т-К-ПЭД, соответствующую входным зажимам электродвигателя, предлагается установить нелинейные ограничители перенапряжений, в соответствии с [6 — 11], оборудованный дополнительными конденсаторами и резисторами, параметры которых определяются исходя из АЧХ кратности долей потребляемых изоляцией обмоток ПЭД энергий.
Библиографический список
Вычисленные значения энергии передаваемой изоляции для отмеченных на рис. 2 частот представлены в табл. 2 для различных видов электрооборудования.
Анализ данных табл. 2 показал неравномерное распределение максимумов энергии воздействия на изоляцию в зависимости от частотного спектра импульса перенапряжения. Значение энергии, которая воздействует на изоляцию, принимает максимальное значение в зависимости от типа электрооборудования и частоты. Например, энергия, воздействующая на изоляцию, достигает максимальное значение для ПЭД на частоте 34 кГц, для питающего кабеля — 432 кГц, а для трансформатора — 276 кГц.
Согласно (10) и (11) на базе данных табл. 1 на рис. 4 построена АЧХ кратности долей потребляемых изоляцией обмоток ПЭД энергий.
При этом анализ приведенной АЧХ показал, что доля тепловой составляющей потребляемой изоляцией ПЭД энергии не превышает 0,1 % от полного значения для всех гармонических составляющих
1. Бейер М., Бёк В., Мёллер К. [и др.]. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения: пер. с нем. / под ред. В. П. Ларионова. М.: Энергоатомиз-дат, 1989. 555 с. ISBN 5-283-02460-1.
2. Куффель Е., Цаенгль В., Куффель Дж. Техника и электрофизика высоких напряжений: пер. с англ. / под ред. И. П. Кужекина. Долгопрудный: Интеллект, 2011. 520 с.
3. Губкин А. Н. Физика диэлектриков. М.: Высшая школа, 1971. 272 с.
4. Измерение параметров качества электрической изоляции. URL: http://www.sonel.ru/ru/biblio/article/isolation/ (дата обращения: 01.09.2017).
5. Измерение сопротивления изоляции проводов, кабелей, силового электрооборудования и аппаратов. URL: http:// www.kgau.ru/distance/etf_02/ispytania-eo/rab03.htm (дата обращения: 01.09.2017).
6. Пат. 159922 Российская Федерация, МПК H 02 H 7/09, F 04 C 14/00. Внутрискважинный ограничитель перенапряжений / Сушков В. В., Сухачев И. С. № 2015147686/07; заявл. 05.11.15; опубл. 20.02.16, Бюл. № 5.
7. Пат. 165160 Российская Федерация, МПК H 02 H 7/09. Внутрискважинное устройство защиты от перенапряжений /
CymKOB B. B., CyxaqeB H. C. № 2016113107/07; 3mba. 05.04.16; ony6A.10.10.16, BroA. № 28.
8. Bing Liu, Xiao-hua Bao, Jian Liu, Qing-long Zhu. Insulation Life Prediction of High Voltage Submersible Motor Based on BP Neural Network // 2011 International Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), Apr. 16-18, 2011. Xianning, China, 2011. P. 418-421. DOI: 10.1109/ CECNET.2011.5768966.
9. Sukhachev I. S., Sushkov V. V. Assessment Dynamics of Reliability and Resource Consumption of «Cable — Submersible Electric Motor» System at West Siberia Oil Fields // IEEE Conference 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), Nov. 15 — 17, 2016. Omsk, 2016. DOI: 10.1109/ Dynamics.2016.7819090.
10. Sukhachev I. S., Gladkikh T. D., Sushkov V. V. An Algorithm of the Loss Risk Assessment in the Oil Production in Case of Electric Submersible Motor Failure // IEEE Conference 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), Nov. 15 — 17, 2016. Omsk, 2016. DOI: 10.1109/ Dynamics.2016.7819089.
11. Ondel O., Boutleux E., Clerc G. Thermal Signatures for Pattern Recognition Approach Applied to Induction Motor Diagnosis // 2012 IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Sep., 2012. P. 714-717. DOI: 10.1109/ CMD.2012.6416246.
СУХАЧЕВ Илья Сергеевич, ассистент кафедры «Электроэнергетика» Тюменского индустриального университета (ТИУ).
СИДОРОВ Сергей Владимирович, ассистент кафедры «Электроэнергетика» ТИУ.
СУШКОВ Валерий Валентинович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Энергетика» Нижневартовского государственного университета.
Адрес для переписки: suhachevis@tyuiu.ru
Статья поступила в редакцию 11.10.2017 г. © И. С. Сухачев, С. В. Сидоров, В. В. Сушков
УДК 621.311:621.316
ч. п. монгуш ю. ч. ондар а. в. сат с. н. чижма
Омский государственный технический университет, г. Омск
Тувинский государственный университет,
г. Кызыл
анализ потерь электроэнергии и пути их снижения в электрических сетях республики тыва
В настоящее время для электроэнергетики характерна проблема высокой степени изношенности материально-технической базы, которая не отвечает современным требованиям и в совокупности с увеличивающимися объемами потребления электроэнергии и нагрузки на сеть способствует росту потерь электроэнергии в электросети. В данной статье рассматривается структура энергосистемы Республики Тыва, анализируются основные показатели: годовой объем выработки электроэнергии, объем отпуска, потребления и потерь электроэнергии на примере последних шести лет, техническое состояние оборудования и т.д. Рассмотрены пути снижения потерь электроэнергии. Ключевые слова: энергосистема Республики Тыва, потери электроэнергии, мероприятия по снижению потерь электроэнергии.
Электрическая энергия от мест производства до мест потребления расходует часть себя [1]. В соответствии с пунктом 128 ППРФ 442 [2] «фактические потери электрической энергии в объектах электросетевого хозяйства, не учтенные в ценах (тарифах) на электрическую энергию на оптовом рынке, приобретаются и оплачиваются сетевыми организациями, в объектах электросетевого хозяйства которых возникли такие потери путем приобретения электрической энергии (мощности)
у гарантирующего поставщика». Размер фактических потерь электрической энергии в электрических сетях в соответствии с пунктом 50 ППРФ 861 [3] определяется «как разница между объемом электрической энергии, поставленной в электрическую сеть из других сетей или от производителей электрической энергии, и объемом электрической энергии, потребленной энергопринимающими устройствами, присоединенными к этой сети, а также переданной в другие сетевые организации».
