Система плавного включения силовых трансформаторов при ограниченной мощности источника
Современные системы электроснабжения нефтегазовых промыслов часто строятся на базе собственной генерации — дизельных (ДЭС), газопоршневых (ГПЭС) или газотурбинных электростанций (ГТЭС). Одной из ключевых проблем при эксплуатации таких изолированных (островных) энергорайонов является прямое включение мощных силовых трансформаторов (16, 25 МВА и более) на холостой ход или под нагрузку.
Этой проблемы нет, если энергоцентр построен по блочной схеме генератор+трансформатор, когда эти два устройства жестко соединены без коммутационных аппаратов, а коммутация реализована за повышающим трансформатором. При такой схеме намагничивание трансформатора происходит плавно, без «толчка», по мере роста тока возбуждения генератора. Но есть один минус при такой схеме — это увеличение стоимости реализации такого решения. Более выгодной выглядит схема с несколькими генерирующими установками на один повышающий трансформатор. Несколько генерирующих установок объединяются на одну секцию шин с системой группового распределения мощности с индивидуальными выключателями, и затем мощность подаётся на силовой трансформатор через выключатель распредустройства.
Штатные коммутационные аппараты (масляные или вакуумные выключатели) производят включение фаз синхронно, что в зависимости от остаточной намагниченности сердечника приводит к возникновению броска тока намагничивания. Амплитуда БТН может достигать 6-10 кратных значений номинального тока трансформатора и длиться до нескольких секунд. Для сети ограниченной мощности такой бросок является критическим воздействием, сравнимым с ударным током короткого замыкания.
Физика процесса возникновения броска тока намагничивания
Основной причиной броска тока намагничивания является явление остаточной индукции в магнитопроводе трансформатора. При отключении трансформатора от сети напряжение питания становится равным нулю, а ток намагничивания снижается до нуля не синхронно с изменением индукции. Магнитный поток в сердечнике не падает до нуля, а фиксируется на некотором уровне — остаточной индукции (Bост), которая может составлять 80-90% от номинальной (рис. 1).
При повторной подаче напряжения в момент времени, благоприятный для возникновения переходного процесса, изменение магнитной индукции (dB/dt) накладывается на остаточную индукцию. Суммарная индукция превышает индукцию насыщения (Bs), сердечник выходит из линейной зоны работы кривой намагничивания, что приводит к резкому падению индуктивного сопротивления обмотки и лавинообразному нарастанию тока.
При повторной подаче напряжения в момент времени, благоприятный для возникновения переходного процесса, изменение магнитной индукции (dB/dt) накладывается на остаточную индукцию. Суммарная индукция превышает индукцию насыщения (Bs), сердечник выходит из линейной зоны работы кривой намагничивания, что приводит к резкому падению индуктивного сопротивления обмотки и лавинообразному нарастанию тока.
Длительность затухания БТН зависит от мощности трансформатора, активного сопротивления обмоток и параметров питающей сети. Для трансформаторов средней мощности это время может составлять 6-8 секунд, для мощных (свыше 25 МВА) — до 20 секунд и более.
Влияние БТН на работу изолированной энергосистемы
В сетях с источниками ограниченной мощности, таких как ГТЭС, подключение мощного трансформатора вызывает не только электродинамические удары по обмоткам самого трансформатора, но и катастрофическое падение напряжения во всей системе.
Как показывают данные осциллографирования, при включении трансформатора мощностью 16 МВА от ГТЭС суммарной мощностью 28 МВт, напряжение на шинах генераторного распределительного устройства (ЗРУ) просаживается до 87% от номинального. Это происходит из-за резкого увеличения потребления реактивной мощности, необходимой для намагничивания сердечника трансформатора.
В момент глубокого провала напряжения срабатывают защиты или теряют управляемость ответственные потребители:
— Станции управления электроприводными центробежными насосами (ЭЦН) отключаются.
— Останавливаются газлифтные и водозаборные установки.
— Нарушается работа систем автоматики и связи.
В результате технологический цикл добычи прерывается. Для восстановления нормальной работы механизированного фонда требуется продолжительное время (до одного часа и более), в течение которого фиксируется недоотпуск продукции.
Кроме того, большие броски тока (до 6 кА) протекают по обмоткам генераторов. Как видно из осциллограмм (Рис. 2, 3), ток генераторов в момент пуска трансформатора превышает номинальные значения на 15% и более, что является недопустимым режимом, сокращающим ресурс лопаток газовой турбины и изоляции генератора.
Как показывают данные осциллографирования, при включении трансформатора мощностью 16 МВА от ГТЭС суммарной мощностью 28 МВт, напряжение на шинах генераторного распределительного устройства (ЗРУ) просаживается до 87% от номинального. Это происходит из-за резкого увеличения потребления реактивной мощности, необходимой для намагничивания сердечника трансформатора.
В момент глубокого провала напряжения срабатывают защиты или теряют управляемость ответственные потребители:
— Станции управления электроприводными центробежными насосами (ЭЦН) отключаются.
— Останавливаются газлифтные и водозаборные установки.
— Нарушается работа систем автоматики и связи.
В результате технологический цикл добычи прерывается. Для восстановления нормальной работы механизированного фонда требуется продолжительное время (до одного часа и более), в течение которого фиксируется недоотпуск продукции.
Кроме того, большие броски тока (до 6 кА) протекают по обмоткам генераторов. Как видно из осциллограмм (Рис. 2, 3), ток генераторов в момент пуска трансформатора превышает номинальные значения на 15% и более, что является недопустимым режимом, сокращающим ресурс лопаток газовой турбины и изоляции генератора.
Технические решения для ограничения пусковых токов
Для решения проблемы пусковых токов при включении трансформаторов необходимо применение управляемой коммутации, которая позволила бы изменять угол открытия тиристоров в течение нескольких секунд, ограничивая величину броска тока до безопасного уровня (2,5-3 кратного значения).
Наиболее эффективным и технически реализуемым решением является применение тиристорных устройств плавного включения (УПВ) серии ШПТУ-Т, УОПТ и аналогичных. Данные устройства предназначены для плавного включения силовых трансформаторов мощностью до 100 МВА с напряжением включаемой обмотки до 10-15 кВ.
Принцип работы УПВ основан на фазовом регулировании:
1. В начальный момент тиристоры открываются на небольшой угол, подавая на трансформатор пониженное напряжение.
2. По мере размагничивания сердечника и спадания апериодической составляющей тока, угол открытия тиристоров увеличивается, плавно повышая напряжение на трансформаторе до номинального.
3. По окончании процесса плавного пуска (обычно 30-90 секунд) тиристоры шунтируются байпасным контактором, а система плавного включения исключается из схемы питания трансформатора для исключения потерь в полупроводниках в рабочем режиме и готова к применению для включения следующего энергоёмкого потребителя.
Наиболее эффективным и технически реализуемым решением является применение тиристорных устройств плавного включения (УПВ) серии ШПТУ-Т, УОПТ и аналогичных. Данные устройства предназначены для плавного включения силовых трансформаторов мощностью до 100 МВА с напряжением включаемой обмотки до 10-15 кВ.
Принцип работы УПВ основан на фазовом регулировании:
1. В начальный момент тиристоры открываются на небольшой угол, подавая на трансформатор пониженное напряжение.
2. По мере размагничивания сердечника и спадания апериодической составляющей тока, угол открытия тиристоров увеличивается, плавно повышая напряжение на трансформаторе до номинального.
3. По окончании процесса плавного пуска (обычно 30-90 секунд) тиристоры шунтируются байпасным контактором, а система плавного включения исключается из схемы питания трансформатора для исключения потерь в полупроводниках в рабочем режиме и готова к применению для включения следующего энергоёмкого потребителя.
Комплексное использование оборудования
Значительным преимуществом современных тиристорных систем является их универсальность. Устройства серии ШПТУ могут быть выполнены в различных модификациях:
— ШПТУ-Д (ШПТУ-Т): устройства с фазовым управлением для пуска двигателей или включения трансформаторов.
— ШПТУ-ВИ: преобразователи частоты для пуска синхронных электродвигателей (в том числе газоперекачивающих агрегатов — ГПА).
В условиях промысла, где уже имеются системы плавного пуска дожимных компрессорных модулей (например, типа «Геркулес» или аналоги), возможна их дооснастка. Путем установки дополнительного коммутационного шкафа и изменения алгоритма работы программного обеспечения один преобразователь частоты может использоваться как для запуска мощного двигателя, так и для плавного включения силового трансформатора (рис. 6). Это позволяет значительно снизить капитальные затраты по сравнению с установкой отдельного устройства для трансформатора.
— ШПТУ-Д (ШПТУ-Т): устройства с фазовым управлением для пуска двигателей или включения трансформаторов.
— ШПТУ-ВИ: преобразователи частоты для пуска синхронных электродвигателей (в том числе газоперекачивающих агрегатов — ГПА).
В условиях промысла, где уже имеются системы плавного пуска дожимных компрессорных модулей (например, типа «Геркулес» или аналоги), возможна их дооснастка. Путем установки дополнительного коммутационного шкафа и изменения алгоритма работы программного обеспечения один преобразователь частоты может использоваться как для запуска мощного двигателя, так и для плавного включения силового трансформатора (рис. 6). Это позволяет значительно снизить капитальные затраты по сравнению с установкой отдельного устройства для трансформатора.
Рисунок 6. Принципиальная схема использования одного преобразователя для пуска двигателя и плавного включения трансформатора.
В случае строительства новых объектов (например, энергоцентров) оптимальным решением является установка отдельных устройств плавного включения ШПТУ-Т в цепях каждого повышающего трансформатора, связывающего генераторное напряжение с распределительной сетью 35 кВ. Это обеспечивает высокую надежность и живучесть схемы, исключая риски сброса нагрузки при вводах новых мощностей (рис. 7).
Рисунок 7. Фрагмент схемы электроснабжения с применением устройства ШПТУ-Т для плавного включения трансформатора.
Заключение
1. Применение устройств плавного включения силовых трансформаторов для изолированных энергосистем с источниками ограниченной мощности является не просто желательной опцией, а необходимым условием обеспечения устойчивости и надежности электроснабжения.
2. Прямое включение мощных трансформаторов ведет к недопустимым провалам напряжения, отключению потребителей и недоотпуску продукции, а также создает аварийные перегрузки для генераторного оборудования.
3. Использование тиристорных устройств серии ШПТУ-Т позволяет ограничить пусковые токи, исключить электродинамические удары по обмоткам трансформатора и обеспечить селективность работы релейной защиты.
2. Прямое включение мощных трансформаторов ведет к недопустимым провалам напряжения, отключению потребителей и недоотпуску продукции, а также создает аварийные перегрузки для генераторного оборудования.
3. Использование тиристорных устройств серии ШПТУ-Т позволяет ограничить пусковые токи, исключить электродинамические удары по обмоткам трансформатора и обеспечить селективность работы релейной защиты.
4. Оптимизация капитальных затрат возможна за счет применения многофункциональных преобразовательных комплексов, совмещающих функции пуска двигателей и включения трансформаторов.
Владимир Виту
Ильдар Гайнетдинов
