На страже сетей

На XVI Конкурсе ПАО «ЛУКОЙЛ» на лучшую научно-техническую работу молодых учёных и специалистов за 2021-2022 годы сотрудники Пермского регионального управления ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕТИ» Иван Марчинский, Андрей Катаев и Виктор Коновалов получили первую премию. Ребята представили «Разработку цифровой модели электроснабжения сетей 0,4 кВ для расчёта токов короткого замыкания, анализа уставок РЗиА в целях повышения надёжности электроснабжения производственных установок ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез"». Предлагаем читателям рассказ об этой работе.

Производственные артерии

Электрические сети 0,4 кВ - самые обширные и разветвлённые на любом производстве. На предприятии «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» они питают почти 70% всего электрооборудования, сами получая энергию от полутора сотен трансформаторных подстанций (ТП) 6/0,4 кВ. Так как переработка нефти - процесс непрерывный, необходимо надёжное электроснабжение технологического оборудования.

Защитная аппаратура на напряжение 0,4 кВ в большинстве случаев выбирается исключительно по номинальному току подключённого потребителя. При этом зачастую не учитываются такие критические параметры, как максимальный выдерживаемый ток КЗ (при отключении и включении), коэффициент чувствительности (способность прибора, находящегося в начале защищаемой линии, реагировать на минимальный ток КЗ в её конце), надёжность и селективность (отключение только повреждённого элемента цепи). Пренебрежение этими параметрами может приводить к выходу из строя электрооборудования и отключению ответственных механизмов, питаемых от неповреждённых участков сети.

Отметим, что на предприятиях Группы «ЛУКОЙЛ» Пермского края цифровые модели для расчёта токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ раньше не применялись. Команда службы РЗиА Пермского регионального управления ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕТИ» начала это делать, чтобы наилучшим образом решить следующие задачи: предусмотреть все возможные эксплуатационные режимы работы электрооборудования, рассчитывать токи КЗ и по критическим параметрам подбирать оборудование РЗиА, выбирать подходящую кабельную продукцию и оценивать возможности самозапуска двигателей в ответственных механизмах.

Методичный подход

Чтобы разработать единую методику расчёта токов КЗ в сетях 0,4 кВ, ребята изучили рекомендации, предложенные в нормативно-технической документации: в ГОСТах, в правилах устройства электроустановок, в различных руководящих документах, а также в научных работах. Неоценимую помощь им оказали опытные наставники службы РЗиА - Заслуженный энергетик Российской Федерации М. В. Колупаев и инженер 1-й категории А. С. Смиреннов.

Коллектив разработчиков цифровой модели

В сетях 0,4 кВ самый распространённый вид повреждения - это однофазное короткое замыкание на землю (на корпус оборудования). При изучении вопроса было установлено, что в 85% подобных случаев в месте повреждения возникает электрическая дуга. Поэтому для того, чтобы точно определить значение тока КЗ, в расчётах учитываются сопротивление электрической дуги, рост сопротивления кабельной линии (из-за её нагрева) и сопротивления всех остальных элементов цепи (автоматические выключатели, магнитные пускатели, тепловые реле, трансформаторы тока, болтовые соединения, шинопроводы и т. д.).

Помимо этого выверяются однолинейные схемы электроснабжения ТП 6/0,4 кВ, технические (заводские) и установленные параметры существующего электрооборудования, собирается информация о приборах защиты, используемых кабелях, технологических режимах работы установок для расчёта токов самозапуска электродвигателей. В прилегающей сети 6 кВ рассчитываются токи КЗ, формируется база исходных данных по каждому элементу линии от ТП 6/0,4 кВ до конечных потребителей.

Новая степень свободы

На основе собранных данных в специализированном программном комплексе, аттестованном по ГОСТ, разрабатывается цифровая модель ТП 6/0,4 кВ и прилегающей к ней сети 0,4 кВ. Важно отметить, что эта модель не является статичной: можно, внося любые изменения в параметры моделируемого участка и внешней сети 6 кВ, пересчитывать токи КЗ. Подобная гибкость позволяет оперативно анализировать действие любой защитной аппаратуры при расследовании аварийных ситуаций, чтобы разработать мероприятия по их предотвращению, заменить имеющееся оборудование и проанализировать его работу, не дожидаясь повторения инцидентов.

После разработки цифровой модели рассчитываются следующие токи КЗ: однофазный минимальный - для проверки коэффициента чувствительности и настройки уставки отключения защитного аппарата; максимальный трехфазный - для проверки отключающей способности; ударный - для проверки включающей способности. Расчёты проводятся для нормального и аварийных режимов работы.

Для наглядного анализа разработана карта уставок с результатами расчёта токов КЗ и параметрами срабатывания устройств РЗиА для всех отходящих от ТП 6/0,4 кВ линий. Если параметры не соответствуют требуемым нормам защиты, специалисты формируют рекомендации, например, по замене автоматического выключателя, предохранителей либо кабельной линии, замене или корректировке уставки теплового реле, а также по настройке расцепителя автоматического выключателя.

При анализе селективности защитной аппаратуры составляются время-токовые характеристики. Путём сопоставления этих характеристик для нижестоящего и вышестоящего аппаратов формируется вывод о взаимной координации их работы. Кроме того, модель проверяет возможности самозапуска приводов ответственных механизмов при предложенных уставках автоматических выключателей.

Надёжный инструмент

Цифровая модель - это, конечно, не самоцель. На её основе создаётся технический отчёт с рекомендациями по повышению надёжности системы энергоснабжения производства. Сформированные базы данных, отчёты с выводами и рекомендациями полезны не только для текущей эксплуатации. Они пригодятся при выборе и замене оборудования, при организации капремонтов, помогут привлекаемым внешним проектным институтам лучше выполнить свои задачи.

Полученные на сегодня цифровые модели и отчёты для девяти участков сетей согласованы и утверждены в отделе главного энергетика ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». Проделан большой труд, ещё больше работы предстоит впереди, а результаты в виде более надёжной и эффективной деятельности предприятия, повышения качества нефтепродуктов не заставят себя ждать.

Предложенная методика расчёта токов КЗ в сетях 0,4 кВ должна представлять интерес и для других предприятий Группы «ЛУКОЙЛ».

Наша справка

В России имеется опыт по созданию цифровых информационных моделей для систем энергоснабжения, но данных о том, насколько широко они применяются на крупных предприятиях и какое ПО при этом используется, мало.

К сегодняшнему дню на заводе «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» уже разработана и эксплуатируется цифровая модель сетей напряжением выше 1 кВ. Важно, что выстраиваемая сегодня система для сетей 0,4 кВ не просто распространяет цифровизацию на линии низкого напряжения, но и даёт возможность аргументированно выбирать оборудование и корректировать уставки устройств РЗиА, снижает влияние «человеческого фактора».

В Группе «ЛУКОЙЛ» формируется сильный центр компетенций по цифровым моделям систем энергоснабжения, что можно считать конкурентным преимуществом на рынке.