МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЕ- И ГАЗОПРОВОДОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены характер и особенности организации электроснабжения протяженных вдольтрассовых линий электроснабжения нефте- и газопроводов.  Проблематика исследования связана с особенностями эксплуатации подобных объектов: значительная протяженность линий, малые значения токов короткого замыкания и маломощные потребители. Разрабатываемый подход основан на применении современных алгоритмов релейной защиты и автоматики, а также использовании реклоузеров для автоматического секционирования и быстрой локализации аварийных участков. В статье рассмотрен алгоритм "Разборка-сборка сети", позволяющий значительно повысить эффективность и надежность электроснабжения нефте- и газопроводов за счет оптимизации количества реклоузеров и настройки систем РЗиА. Результаты исследования демонстрируют значительное снижение риска нарушения технологических процессов и потенциальных ущербов от аварий, обеспечивая тем самым более высокую надежность электроснабжения нефте- и газопроводов.

ABSTRACT

The article examines the nature and features of the organization of electrical supply for extensive along-track power lines for oil and gas pipelines. The research problem is associated with the operational characteristics of such facilities: significant length of lines, low short-circuit currents, and low-power consumers. The developed approach is based on the application of modern algorithms for relay protection and automation, as well as the use of reclosers for automatic sectioning and rapid localization of emergency sections. The article discusses the "Disassembly-Assembly Network" algorithm, which significantly improves the efficiency and reliability of the power supply to oil and gas pipelines by optimizing the number of reclosers and setting up the PRA systems. The research results demonstrate a significant reduction in the risk of technological process disruptions and potential damages from accidents, thereby ensuring a higher reliability of power supply to oil and gas pipelines.

Ключевые слова: вдольтрассовые линии электроснабжения, разборка-сборка сети, реклоузер, релейная защита и автоматика

Keywords: along-route power supply lines, disassembly-assembly of the network, recloser, relay protection and automation

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день для электроснабжения оборудования магистральных нефте- и газопроводов в большинстве случаев применяются так называемые вдольтрассовые воздушные линии электропередач. Как правило, используется напряжение 6 или 10 кВ. Основной нагрузкой, питаемой от ВЛ, являются устройства электрохимической защиты, система управления запорной арматурой, система связи и управления.

Учитывая значительную протяженность вдольтрассовых воздушных линий электропередачи для магистральных нефте- и газопроводов, длина которых достигает 100 и более километров[3], организация релейной защиты и автоматики  является нетривиальной задачей и характеризуется следующими особенностями, которые ограничивают применение классических принципов релейной защиты:

• Малые значения токов короткого замыкания на конце линии электропередач в связи с большой протяженностью вдольтрассовых линий
• Маломощные потребители электроэнергии и их относительно небольшое количество (общая нагрузка до 80 кВт), распределение которых при этом наравномерно  по длине воздушной линии.
• Недопустимость получаемой большой выдержки времени максимальной токовой защиты головного выключателя ВЛ при обеспечении селективности, связанной с необходимостью установки значительного числа пунктов секционирования
• Требуемая исключительная надежность электроснабжения линейной нагрузки. 

1. Существующие методы релейной защиты и автоматики

Питание вдольтрассовых воздушных линий осуществляется от РУ-6-10 кВ сетевых подстанций 35/6(10) кВ, 110/6(10) кВ, либо ВЛ 6(10) кВ сетевых компаний. Основной питаемой нагрузкой вдольтрассовых ВЛ являются трансформаторные подстанции 6(10)/0,4 кВ мощностью до 100 кВА.

Существует несколько методов защиты протяженных воздушных линий:

• Автоматическое секционирование

Основная цель автоматического секционирования заключается в быстрой локализации поврежденного участка от остальной линии, обеспечивая тем самым непрерывность электроснабжения. Это достигается за счет применения вакуумных выключателей и устройств автоматического повторного включения (АПВ) на секционирующих и головных выключателях.

• Применение микропроцессорных терминалов РЗиА

Современные микропроцессорные терминалы РЗиА обеспечивают возможность реализации сложных алгоритмов работы, необходимых для эффективной защиты и автоматизации вдольтрассовых ЛЭП. Важными аспектами являются селективность работы РЗиА, управление выключателями секционирующих пунктов, а также интеграция с сетевыми устройствами автоматического ввода резерва (АВР) для обеспечения высокой надежности системы.

• Системы автоматизации и РЗиА

Особенное внимание уделяется выбору устройств РЗиА и коммутирующей аппаратуры для вдольтрассовых ЛЭП, а также разработке алгоритмов работы автоматики секционирующих пунктов. Использование двухступенчатых направленных токовых защит, включая селективную токовую отсечку и максимальную токовую защиту (МТЗ) с зависимой или независимой выдержкой времени, позволяет эффективно защищать ЛЭП от междуфазных коротких замыканий и замыканий на землю.

• Автоматическое секционирование с применением реклоузеров

Использование реклоузеров для автоматического секционирования представляет собой один из наиболее перспективных методов автоматизации воздушных сетей вдольтрассовых.

Подробнее рассмотрим метод автоматического секционирования. Целью автоматического секционирования протяженных линий является максимальная скорость выделения аварийного участка воздушной линии от неповрежденных участков. Вместе с тем, в условиях значительной протяженности электрической сети, когда длина магистрального участка достигает 100 и более километров, для организации надежной системы электроснабжения необходима установка значительного числа аппаратов. В этом случае последовательно может быть установлено до 10–15 реклоузеров.

При этом, в зависимости от требуемого уровня надежности электроснабжения на сегодняшний день существуют следующие варианты комбинации алгоритмов секционирования:

1. Определенный уровень надежности.

В данном случае пункты секционирования (реклоузеры) устанавливаются на несколько участков воздушной линии средней длины. Такой способ секционирования обеспечивает определенный допустимый уровень надежности по воздушной линии вцелом и по каждому конкретному фидеру, существенно упрощает процесс локализации точки аварийной ситуации и тем самым сократить время перерыва электроснабжения. Данный алгоритм применяется если на ВЛ нет нагрузки, которая требует непрерывного электроснабжения.

Рисунок 1. Схема автоматизации «Определенный уровень надежности»

Преимущества:

• Установка реклоузеров на различных участках линии способствует повышению общей надежности системы за счет возможности быстрого восстановления энергоснабжения после кратковременных нарушений без вмешательства оперативного персонала.
• Благодаря автоматизированной системе секционирования, точка аварии может быть быстро локализована, что сокращает время на её устранение и минимизирует перерывы электроснабжения.

Ограничения:

• Несмотря на повышение надежности электроснабжения, данный вариант не обеспечивает достаточный уровень надежности для нагрузок, требующих непрерывного электроснабжения, без использования дополнительных мер, таких как резервное питание.
• Эффективность данного варианта секционирования во многом зависит от правильности настройки защит и автоматики, что требует высокой квалификации персонала и регулярного обслуживания.

В целом, данный подход к секционированию является эффективным решением для повышения надежности электроснабжения на отдельных участках сети. Однако для критически важных объектов, требующих непрерывного электроснабжения, необходимо рассматривать дополнительные меры.

2. Максимальный уровень защиты каждого потребителя

В этом случае, при наличии двух источников питания на концах вдольтрассовой ВЛ, реклоузеры устанавливаются до и после каждого фидера, питающего нагрузку магистрального нефте- или газопровода. Тем самым обеспечивается непрерывность электроснабжения потребителя в случае возникновения короткого замыкания в любом месте ВЛ. Если взять во внимание факт, что в среднем длина отпайки на вдольтрассовой ВЛ составляет 30-300 метров[4], очевидно, что вероятность аварий на такой протяженности минимальна, что в свою очередь обеспечивает максимальную надежность электроснабжения каждого потребителя.

Рисунок 2. Схема автоматизации «Максимальный уровень защиты»

Преимущества:

• Наличие двух источников питания и установка реклоузеров до и после каждого фидера значительно повышают надежность электроснабжения для каждого потребителя, обеспечивая непрерывное питание даже в случае аварий.
• Данный вариант обеспечивает автоматическую локализацию аварийного участка, не нарушая питание остальной сети, что является критически важным для объектов, требующих бесперебойного электроснабжения.
• Благодаря быстрой локализации аварийных участков и наличию альтернативного источника питания время на восстановление электроснабжения сводится к минимуму.

Ограничения:

• Реализация такой схемы требует значительных инвестиций из-за необходимости установки большого количества реклоузеров и наличия двух независимых источников питания.
• Для участков сети с низкой вероятностью аварий, такая схема может оказаться избыточной и нецелесообразной с точки зрения затрат.

Данный  вариант комбинации алгоритмов секционирования идеально подходит для объектов, для которых критически важно обеспечение бесперебойности электроснабжения. Однако его реализация требует тщательного анализа затрат и выгод, а также учета специфических потребностей и условий эксплуатации.

Таким образом, ни один из вышеописанных вариантов не является оптимальным как с технической, так и экономической стороны. Поэтому на сегодняшний день самым многообещающим решением проблемы повышения надежности и автоматизации системы электроснабжения вдольтрассовых воздушных линий 6-10 кВ нефте- и газопроводов является применение компромиссной с точки зрения количества устанавливаемых реклоузеров схемы расстановки с применением настройки РЗиА по  алгоритму так называемой «Разборки-сборки сети».

2. Алгоритм «Разборка-сборка сети»

Рассмотрим алгоритм работы «разборка-сборка сети» на обобщенном участке линии продольного электроснабжения трубопровода, которая содержит 14 последовательно установленных реклоузеров.

Для работы алгоритма разборка-сборка сети необходимо, чтобы в составе реклоузеров были введены в работу следующие виды защит и автоматики:

Рисунок 3. Состав защит

В случае появления короткого замыкания происходит полное отключение линии вводным выключателем В1.

Далее начинается процесс сборки сети. Производится автоматическое повторное включение (АПВ). Если короткое замыкание было неустойчивым, электроснабжение нагрузки возобновляется. В случае неуспешного АПВ, когда КЗ оказалось устойчивым, происходит повторное отключение вводным выключателем В1 и от защиты ЗМН происходит отключение всех реклоузеров до точки АВР.

Далее производится повторное АПВ выключателя В1, восстанавливается питание ближайшего к вводному В1 реклоузера R1 и происходит его коммутация. Одновременно с этим в реклоузере активируется ускоренная МТЗ, но если реклоузер включается на неаварийный сегмент ВЛ, то через 50-60 мс ускоренная МТЗ деактивируется. В результате чего происходит восстановление питания на реклоузере R2 и осуществляется его включение. И так далее, осуществляется поочередное включение пунктов секционирования, пока не будет обнаружено место короткого замыкания.

Поведение ближайшего к месту КЗ реклоузера выглядит следующим образом: когда данный реклоузер включается, в этот момент у него активировна ускоренная ступень МТЗ, то есть он имеет самую быструю защиту по отношению ко всем другим реклоузерам, у которых ускорение на этот момент деактивировано. Данный реклоузер отключается быстрее всех других и таким образом выделяется аварийный участок линии.

После отработки алгоритма со стороны основного источника питания включается реклоузер с АВР. Пункт АВР включается по условию наличия напряжения на резервном источнике питания и отсутствии напряжения на основном источнике питания. После восстановления напряжения на резервном источнике питания алгоритм запускается аналогичным образом от резервного источника питания (для рассматриваемого участка сети от пункта АВР).

3. Пример реализации и расчета алгоритма

Примером реализации алгоритма является выполненный проект автоматизации вдольтрассовой линии электроснабжения газопровода в Иркутской области.

В качестве исходных данных использовались данные из проектной документации проектного института:

• однолинейная схема электроснабжения с указанием мест подключения потребителей, мощностью нагрузки;
• результаты расчетов нагрузочных токов;
• результаты расчетов токов КЗ.

По результатам расчетов было предложено секционировать ВЛ с применением 14 реклоузеров. Очевидно, что согласование работы МТЗ такого количества реклоузеров традиционным способом с селективной отстройкой по времени срабатывания выполнить невозможно. На реклоузерах есть возможность установки ступень селективности от 0,1с. При согласовании 6 реклоузеров выдержка времени МТЗ головного участка сети будет составлять 0,9с (6х0,1+0,3) при использовании микропроцессорной защиты на подстанции или 1,1с (6х0,1+0,5) при использовании электромеханической защиты. На практике установка времени срабатывания МТЗ более 0,5 с невозможна из-за сложностей согласования с защитами вводных выключателей подстанции.

Для согласования работы МТЗ реклоузеров было предложено применить алгоритм «разборка-сборка сети», который позволяет согласовать требуемое количество реклоузеров при сохранении времени срабатывания МТЗ 0,5с на головных участках сети. Время срабатывания МТЗ 0,5с при этом не зависит от количества установленных реклоузеров.

Согласно исходным данным, максимальный нагрузочный ток через R1 и R14 в режиме энергоснабжения всего фидера составил – 18,36 А.

Для работоспособности алгоритма проведены расчеты уставок защит:

1. Максимальные токовые защиты

В соответствии с алгоритмом «разборка-сборка сети» для вводных выключателей (В1 и В2)  принята ненаправленная МТЗ с током срабатывания 40А. Ток срабатывания выбран по условию обеспечения коэффициента чувствительности при двухфазном коротком замыкании в конце линии при питании от каждого из источников питания:

;

- время срабатывания МТЗ для В1 и В2 составляет 0,5 с.;

- для обеспечения селективности действия ток срабатывания всех реклоузеров должен быть отстроен от тока срабатывания R1 и R14;

; Принимаем значение равным 35 А. Аналогичным образом расчет сделан для всех реклоузеров линии.

- реклоузеры в своем составе имеют быструю ступень МТЗ, которая селективно настроена в МТЗ с защитами В1 и В2. Принимаем ее равной 0,1 с.;

- медленную ступень МТЗ для реклоузеров, выдержка времени которой больше МТЗ В1 и В2, принимаем равной 1 с.

2. Токовая отсечка

Токовые отсечки реклоузеров, в большинстве участков неэффективны, в связи незначительными отличиями токов КЗ в местах установки двух последовательно установленных реклоузеров. Ток срабатывания ТО получается меньше тока КЗ в месте установки реклоузера или близкий к нему, в связи с чем невозможно обеспечить чувствительность ТО к коротким замыканиям через переходные сопротивления.

3. Защиты от однофазных замыканий на землю

Защиты ОЗЗ введены с действием на сигнал. Ток срабатывания защиты от ОЗЗ на всех реклоузерах принят минимально возможным и равным – 1А, время срабатывания принято равным 1с.

4. Автоматическое повторное включение, автоматический ввод резервного питания

На реклоузерах принято однократное АПВ. Выдержка времени АВР принята равной 4 с, время подготовки АПВ принято равным 10с.

Согласно алгоритму функционирования реклоузеры отключаются от ЗМН во вторую бестоковую паузу АПВ. Время срабатывания ЗМН реклоузеров должно быть отстроено от времени первой бестоковой паузы АПВ, чтобы избежать излишних отключений при неустойчивых повреждениях.

;

Принимаем: .

Поскольку реклоузеры от ЗМН должны отключаться только после второго отключения головного выключателя от защит, во время второй бестоковой паузы АПВ, то время срабатывания второго цикла АПВ:

;

Сетевой АВР на реклоузере R6 выполняется двухсторонним (ненаправленным): ввод АВР происходит при наличии напряжения с одной стороны и отсутствия напряжения с другой. Выдержка времени АВР выбирается исходя из условия отстройки от режима одновременного включения двух питающих систем на устойчивое КЗ (рассматривается КЗ рядом с пунктом сетевого АВР). Выдержка времени сетевого АВР выбирается больше, чем время, требуемое для разборки и последующей сборки участка сети до пункта сетевого АВР.

;

Принято: . 

Выводы

Организация электроснабжения нефте- и газопроводов с применением вдольтрассовых воздушных линий обладает рядом характеристик, не позволяющих применять классические методы и принципы релейной защиты.

Самым многообещающим решением проблемы повышения надежности и автоматизации системы электроснабжения вдольтрассовых воздушных линий 6-10 кВ нефте- и газопроводов является применение реклоузеров с применением настройки РЗиА по  алгоритму «Разборки-сборки сети».

Основным эффектом для предприятий по транспортировке нефти и газа является снижение риска нарушения технологического процесса, а соответственно и возможных многомиллионных ущербов от аварийного разлива нефти и выбросов газа. Кроме этого, в условиях значительной протяженности линий гораздо больший эффект, нежели в сетях сетевых компаний, приобретает сокращение времени локализации повреждения и полная автоматизация данного процесса.

Список литературы:

1. Сазыкин В.Г., Кудряков А.Г., Багметов А.А. Критерии оптимизации места установки реклоузера в распределительной сети 6-10 кВ – Электроснабжение, 2018. – 33-36 с.
2. Ray S., Bhattacharya A. Optimal placement of switches in a radial distribution network for reliability improvement - Electric power energy systems, 2016. – 53-66 р.
3. О.В. Крюков Принципы релейной защиты и автоматики вдольтрассовых линий электропередач - Научный вестник №3, 2015 – 56-59 с.
4. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков А.В., Плехов А.С. АСУ систем электроснабжения на принципах SMART GRID для объектов магистральных газопроводов - Автоматизация в промышленности №4, 2012. – 36-38 с.
5. Afroz A., Tariq M., Zaid M. Optimal Placement of Reclosers in a Radial Distribution System for Reliability Improvement – Electronics №10, 2021. – 1-16 р.
6. Калентионок Е.В. Статистический анализ повреждаемости воздушных распределительных электрических сетей - Энергия и менеджмент №4, 2011. – 15-18 с.
7. Нормы проектирования вдольтрассовых ВЛ 6(10) кВ / РД-33.040.99-КТН-002-11