Искажения напряжения и проблемы на компрессорной станции.
Voltage harmonic distortions and compressor station problems.
Объект.
Компрессорная станция находится в Ленинградской области, вблизи населенных пунктов с крупными промышленными предприятиями и железнодорожными узлами. Электроснабжение осуществляется от Единой энергетической системы. Объект расширяется, и с появлением нового оборудования возникают новые проблемы.
Проблемы в формулировках Заказчика.
1. По непонятным причинам происходят остановки технологического оборудования нового цеха.
2. Энергоснабжающая организация провела замеры показателей качества электроэнергии (ПКЭ) своей лабораторией и требует устранить гармоники 11-го и 13-го порядков на шинах ЗРУ 10 кВ. Нелинейных нагрузок на объекте нет и гармониками взяться неоткуда.
Просто спросить...?
Технология, электроснабжение и электрооборудование.
Технологический процесс непрерывный, требования к надежности электроснабжения высокие. Электроснабжение – по двум вводам 110 кВ через трансформаторы 110/10 кВ, 6,3 МВА. На объекте несколько БКТП 10/0,4 кВ. Нагрузки зависят от количества работающих компрессоров. Основные электроприёмники – низковольтные асинхронные электродвигатели. Преобразователей частоты на объекте мало, их мощность незначительна. Для компенсации реактивной мощности (в основном асинхронных электродвигателей) на всех БКТП установлены конденсаторные установки компенсации реактивной мощности (УКРМ) с автоматическим переключением ступеней компенсации. УКРМ в работе, т.к. избыток реактивной мощности вызывает перегрев трансформаторов.
Проблемы на объекте появились с запуском цеха с новым оборудованием, оснащенным программируемыми средствами автоматизации.
Результаты обследований и измерений.
Обследование электроустановок в начале работ подтвердило наличие проблем с качеством электроэнергии на объекте. Персонал Заказчика предоставил архивные файлы с установленных в ЗРУ-10 кВ приборов.
Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения на Вводе ЗРУ-10 кВ за 14 дней наблюдения достигал 9,5 %.
В течение двух недель осени суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ku (THDu) на вводе ЗРУ-10 кВ изменяется в диапазоне от 1 % до 9,5 % (допустимо 5 %). При этом технологические нагрузки объекта были стабильны, и мощных нелинейных электроприёмников нет.
На первом этапе измерений в нормальных эксплуатационных режимах объекта получены данные по всем вводам и отходящим линиям ЗРУ-10 кВ, всем трансформаторным подстанциям и наиболее ответственным электроприёмникам.
Измерения параметров и показателей качества электроэнергии на ЗРУ-10 кВ.
Результаты оказались, мягко говоря, странными, и не позволили сформулировать внятную версию причин наблюдаемых искажений тока и напряжения.
Гармоники напряжения 3,5,7 порядков на Вводе ЗРУ-10 кВ незначительны и составляют не более 1%.
Замер в течение суток показал, что при достаточно больших величинах суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения 7,3 % на вводе ЗРУ-10 кВ в (черная линия) гармоники напряжения 3,5,7 порядков практически отсутствуют (синяя, красная, зеленая линии). Определяющими являются высшие гармоники 11 и 13 порядков.
Гармоники напряжения 11 и 13 порядков на Вводе ЗРУ-10 кВ преобладают (зеленая и серая линии).
Гармоники мощности имеют положительный знак, что соответствует их потреблению из сети.
Гармоники мощности на Вводе ЗРУ-10 кВ положительны. Выделяются гармоники 11 и 13 порядков (зеленая и серая линии).
На втором этапе выполнялась регистрация ПКЭ в период останова компрессорной станции с последующим запуском и приёмом нагрузки. Полученные данные подтвердили факт значительных искажений напряжения в сети (на шинах ЗРУ 10 кВ) при отключении практически ВСЕХ потребителей на объекте.
На стороне 10 кВ суммарный кф. искажений по напряжению при отсутствии нагрузки КС практически определяется высшими гармониками 11 и 13 порядка.
Появилась версия причин нарушений в работе электроустановок КС.
На третьем этапе выполнялись замеры с целью подтвердить или опровергнуть основную версию и выработать рекомендации.
Общее количество полученных файлов измерений – 37 (за 12 дней, включая останов).
Логика событий.
Гармоники 11-го и 13-го порядков поступают из сети, со стороны энергоснабжающей организации. В период обследования объекта зафиксированы превышения ГОСТ в 2 - 3 раза при суммарном коэффициенте гармонических составляющих напряжения на Вводе ЗРУ-10 кВ до 7,5 %. Очевидно, это не предельные значения, поскольку по архивам Заказчика THDu может превышать 9,5 %. Искажения напряжения от ЗРУ 10 кВ поступают на трансформаторные подстанции 10/0,4 кВ, на которых установлены конденсаторные установки БЕЗ ДРОССЕЛЕЙ на входе ступеней компенсации.
|
|
| Измерения параметров и показателей качества электроэнергии в БКТП 10/0,4 кВ (на вводах и УКРМ). | Конденсаторы одной из ступеней компенсации. Входные дроссели в составе УКРМ отсутствуют. |
С изменением нагрузки и cos φ на стороне 0,4 кВ трансформатора БКТП автоматически изменяется количество подключенных ступеней конденсаторов и ток через батарею. При определенном значении ёмкости создаются условия резонанса на частотах гармоник 11-го и 13-го порядка, вследствие чего искажения напряжения резко возрастают. Так, гармоника 11-го порядка на стороне 0,4 кВ периодически увеличивается до 11.7 % (при допустимых 3,5 %). Этот период составляет примерно 10 секунд и определяется временем, необходимым для разряда отключенной секции конденсаторов через разрядные резисторы.
Периодические «провалы» кривой гармоник напряжения 11-го порядка (зеленая линия) свидетельствуют о непрерывной работе контакторов, переключающих ступени УКРМ.
В свою очередь, изменения активной нагрузки и cos φ на стороне 0,4 кВ обусловлены работой тиристорных регуляторов мощности (ТРМ). Единичная мощность составляет 100 кВт, общее количество регуляторов – 4.
|
|
| Измерения ПКЭ и осциллографирование работы тиристорных регуляторов мощности. | Тиристорный регулятор мощности (100 кВт, 0,4 кВ). |
Режим работы ТРМ – импульсный, при этом скважность импульсов изменяется автоматически. Каждый регулятор работает по своему алгоритму, что создает нагрузку от нуля до 400 кВт с непредсказуемым графиком.
Напряжение на вводе (красная линия) и ток (синяя линия) при работе тиристорного регулятора мощности.
Нелинейные искажения напряжения распространяются на все электроустановки объекта (в том числе ЗРУ-10 кВ) и создают риски нештатной работы систем управления и защиты.
Влияние ёмкости систем компенсации реактивной мощности на искажения напряжения иллюстрируется графиком, на котором показан момент отключения и последующего включения УКРМ.
При отключении УКРМ искажения напряжения и тока на вводе 0,4 кВ БКТП снизились, а при повторном включении вновь возросли.
Выводы и предложения.
Нарушения в работе электроустановок КС вызваны сочетанием нескольких факторов, в том числе:
- наличием значительных высших гармоник напряжения 11-го и 13-го порядка в сетях энергоснабжающей организации;
- применением на объекте УКРМ без дросселей;
- работой тиристорных регуляторов мощности в импульсном режиме.
Предложения Инженерного центра «АРТ» включают реализацию мероприятий из следующего списка.
- Укомплектовать существующие УКРМ входными дросселями.
- Перевести регуляторы мощности в режим импульсно-фазового управления тиристорами.
- Заменить существующие УКРМ на активные фильтры АФК.
- Обратиться с претензией в энергоснабжающую организацию.
Реализация предложений.
Инженерным центром «АРТ» направлено Заказчику технико-коммерческое предложение на наладку тиристорных регуляторов мощности и на поставку активных фильтров (включая шеф-монтаж и пусконаладку).
