Диссертация (Электромагнитные воздействия и защита от них оборудования нефтеперекачивающих станций)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ"На правах рукописиИсам Мохамед Ахмед АбдельшафиЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ЗАЩИТА ОТ НИХОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙСпециальность 05.14.12 - Техника высоких напряженийДиссертация на соискание научной степени кандидата технических наукНаучный руководительк.т.н., с.н.с. Борисов Р.К.Москва – 20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..ГЛАВА 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ДЛЯ НОРМАЛЬНОГОФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХСТАНЦИЙ (НПС)……………………………………………………………………1.1 Общая характеристика НПС…………………………………………………….1.2 Источники электромагнитных воздействий (ЭМВ) на НПС…………………1.2.1 Переходные процессы в заземляющих устройствах при коротких замыканиях на подстанциях (ПС) и силовых двигателях…………………………………1.2.2 Магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовыми кабелями и оборудованием электропитания двигателей насосов и задвижек, а также других электроприемников……………………………………………………...1.2.3 Быстрые переходные процессы при коммутациях в индуктивных цепяхнизкого напряжения………………………………………………………………….1.2.4 Переходные процессы при ударах молнии в молниеотводы на НПС иливблизи НПС…………………………………………………………………………..1.2.5 Разряды статического электричества…………………………………………1.2.6 Радиочастотные поля различного происхождения…………………………..1.2.7 Электромагнитные помехи в цепях электропитания………………………..1.3 Приемники ЭМВ на НПС………………………………………………………..1.3.1 Автоматизированная система управления технологическим процессомНПС………………………………………………………..………………………….1.3.2 Системы управления, контроля и сигнализации на подстанции НПС……..1.4 Каналы передачи помех от источника к приемнику…….…….…….…….…..1.4.1 Упрощенные модели передачи помех от источника к приемнику.…….…..1.4.2 Каналы передачи электромагнитных воздействий от источниковк приемникам на НПС.…….…….…….…...…….…...…….…....…….…..….…….Выводы.…….…….…….…...…….…...…….…....…….…..….……...….…..….…..ГЛАВА 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА И ВЫБОРА МЕТОДОВРАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМВ НАВТОРИЧНЫЕ ЦЕПИ И ОБОРУДОВАНИЕ НПС…………………………………2.1 Общие положения………………………………………………………………..2.2 Методы расчета распределения напряжений и токов по заземляющемуустройству при КЗ и ударах молнии в молниеотводы…………………………….2.3 Методы расчета определения наведенных перенапряжений при ударахмолнии………………………………………………………………………………...2.3.1 Модель расчета наведенных перенапряжений……………………………….499111314151719212325253234343542444446565732.3.2 Расчет коэффициентов экранирования……………………………………….2.3.3 Методика экспериментального определения коэффициентовэкранирования кабелей………………………………………………………………2.3.4 Экспериментальные исследования наведенных напряжений………………2.4 Методика расчёта и ограничения накопления зарядов статическогоэлектричества на операторе до допустимого уровня……………………………...Выводы………………………………………………………………………………..ГЛАВА 3.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГООПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЕЙ ЭМВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НПС…..3.1 Численное исследование распределений напряжений и токов позаземляющему устройству НПС…………………………………………………….3.2 Численное исследование наведенных перенапряжений в кабельных линияхот молнии……………………………………………………………………………..3.3 Результаты расчёта накопления зарядов статического электричества наоператоре……………………………………………………………………………..Выводы………………………………………………………………………………..ГЛАВА 4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ АСУ ТП И ОБОРУДОВАНИЯ НПСОТ ОПАСНЫХ ЭМВ………………………………………………………………...Выводы………………………………………………………………………………..ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………...647283889395961001091121141201211234ВВЕДЕНИЕАктуальность работыНефтеперекачивающие станции (НПС), являясь одним из основных узлов системы перекачки нефти, представляют собой сложный объект, содержащий весьспектр электромагнитных воздействий (ЭМВ), в том числе, опасных для различныхсистем, обеспечивающих соблюдение технологического процесса.В мировой практике (Россия, Республика Судан и др.) имели место не тольконарушения технологического процесса, но и большие материальные потери по невыясненным обстоятельствам.

Так, например, в 1994 году в результате пожара полностью была уничтожена НПС на трубопроводе из г. Порт-Судан в г. Хартум. Причина аварии заключается в том, что верхний клапан начал закрываться ложным сигналом, что привело к увеличению давления на выходе насоса, пока не разрушилосьуплотнение у насоса, и не возник пожар.Рассматриваемая в данной работе НПС была построена в 1999 году по проектуфранцузских специалистов в Республике Судан для транспортировки легких нефтепродуктов.

В процессе эксплуатации были перерывы в работе станции из-за возникших проблем с ложными отключениями насосов по сигналам, поступающим с датчиков. Наиболее вероятной причиной таких нарушений в работе НПС являютсяэлектромагнитные воздействия на системы управления технологическим процессом.Для выяснения роли ЭМВ и предотвращения их опасных проявлений необходимо провести расчетно-экспериментальные исследования по определению уровнейЭМВ в условиях эксплуатации НПС и разработать мероприятия по защите оборудования от их воздействий.Приведенные примеры технологических нарушений и аварии на НПС свидетельствуют об актуальности темы диссертации.5Степень проработанности темыПрименительно к НПС в комплексной форме проблема опасных проявленийЭМВ и защите от них не проработана.

Электромагнитные воздействия на объектахвходят составной частью в проблему под названием электромагнитная совместимость - "молния и молниезащита", "заземление и заземлители", и др.. По направлениям этих проблем внесли существенный вклад ряд Российских и зарубежных ученых. Среди них Борисов Р.К., Дьяков А.Ф., Жуков А.В., Максимов Б.К., ОвсянниковА.Г., Кармашев В.С., Колечицкий Е.С., Кужекин И.П., Ларионов В.П., Петров С.Р.,Бургсдорф В.В., Якобс А.И., Коровкин Н.В., Шишигин С.Л., Хабигер Э., Шваб А.,Уильямс Т., Армстронг К., Бутырин П.В. и многие другие.

При работе над диссертацией использованы результаты основных работ перечисленных ученых.В настоящее время имеется большое количество литературы, в которой рассматриваются теоретические и практические вопросы обеспечения ЭМС на объектахпромышленности и электроэнергетики [1-4, 63].

В Российской федерации создананормативно-техническая база по ЭМС для электросетевых объектов [5]. Для НПСпроблемы ЭМС решаются не системно, часто просто путем установки устройств защиты от импульсных перенапряжений в большинстве проводных цепей управленияи контроля. Нормативные документы [6] носят ограниченный характер, и не соответствую современным взглядам на обеспечение ЭМС.Объекты исследования.

Силовое оборудование напряжением выше 1 кВ,система молниезащиты, АСУ ТП.Предмет исследования. Обеспечение защиты автоматизированных системуправления технологическим процессом от опасных электромагнитных воздействий.Цель работы. Определение электромагнитных воздействий на входные цепиАСУ ТП нефтеперекачивающих станций и формирование мероприятий по защите отопасных проявлений этих воздействий.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.61. Определение и анализ источников ЭМВ потенциально опасных для нормального функционирования оборудования НПС.2.

Анализ и выбор методов расчетно-экспериментального определения ЭМВна вторичные цепи и оборудование НПС.3. Расчетно-экспериментальное определение уровней ЭМВ в условиях эксплуатации НПС.4. Формулирование мероприятий по защите АСУ ТП и оборудования НПС отопасных ЭМВ.Основные положения диссертации, выносимые на защиту1. Результаты выявления и анализа источников ЭМВ, потенциально опасныхдля нормального функционирования оборудования НПС.2. Результаты анализа и выбора методов расчетно-экспериментального определения ЭМВ на вторичные цепи и оборудование НПС.3.

Результаты расчетно-экспериментального определения уровней ЭМВ вусловиях эксплуатации НПС.4. Мероприятия по защите АСУ ТП и оборудования НПС от опасных ЭМВ.Научная новизна1. Впервые применительно к условиям эксплуатации НПС Республики Суданна основе расчетно-экспериментального анализа выявлен и обоснован состав источников ЭМВ (короткие замыкания в сети выше 1 кВ, удары молнии, разряды статического электричества и магнитные поля 50 Гц), представляющих опасность для нормального функционирования АСУ ТП и технологического оборудования.2.

Разработана и реализована (на примере программы "Interference") экспериментальная методика для верификации компьютерных программ, применяемых прирасчете наведенных от молнии перенапряжений в кабельных линиях, отличающаясятем, что канал молнии моделируется протеканием тока по вертикальному проводнику.73. Разработана и реализована на практике новая методика экспериментальногоопределения коэффициентов экранирования с использованием магнитопровода длявоздействия электромагнитных полей на испытуемые кабели, которая обеспечилаполучение более точных результатов, чем расчеты.4.

Предложена уточненная методика расчета потенциала оператора и снижения его до допустимых значений, определяемых из условия соблюдения требованияустойчивости АСУ ТП к разрядам СЭ, впервые комплексно учитывающая геометрические и физические параметры напольного покрытия и окружающей среды.Практическая ценность1. Разработанная методика экспериментального определения коэффициентовэкранирования позволила установить, что для типовых контрольных кабелей: нанизких частотах в диапазоне (50-500) Гц заземление резервных жил кабелей болееэффективно, чем заземление экранов; на высоких частотах (0,5-10 МГц) и при апериодических импульсах (1,2/50; 8/20) мкс - заземление экранов кабелей более эффективно; при воздействии магнитного поля на частотах (5·10-5 - 10) МГц необходимо заземлять с двух сторон экраны кабелей и резервные жилы.2.

Применительно к НПС Республики Судан определено для наиболее опасныхЭМВ, что:- разность потенциалов между местом однофазного КЗ на землю в сети электропитания двигателей и заземляющим устройством (ЗУ) технического здания составляет более 10 кВ, что представляет опасность для контрольных кабелей;- наведенные от молнии перенапряжения в кабелях существенно превышаютдопустимые значения;- устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) имеют ограниченную зону действия и не защищают кабели по всей длине.В учебном центре нефти (Petroleum training center) в г.