海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)主要調(diào)壓方式探討

王樹(shù)達(dá)，安曉龍，孔凡旭，陳亮

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津 300451）

1 前言

海上油氣田開(kāi)發(fā)工程的電力系統(tǒng)是電能的產(chǎn)生，變換，傳輸，分配和消耗等全部設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)的總稱。這個(gè)系統(tǒng)將自然界的能源（如:天然氣或原油）通過(guò)動(dòng)力發(fā)電設(shè)備（如:柴油機(jī)，雙燃料柴油機(jī)或雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)等）旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)變電，輸電和配電，將電能分配給用電設(shè)備。隨著我國(guó)沿海海上油氣田的開(kāi)發(fā)和利用，海上油氣田規(guī)模在逐步擴(kuò)大，海上油氣田電力系統(tǒng)的供電范圍也在逐步擴(kuò)大，它對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，因此保證海洋電力系統(tǒng)的用電質(zhì)量至關(guān)重要，而電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

2004年IEEE給出的電壓穩(wěn)定的定義［1］是:“系統(tǒng)在給定的初始運(yùn)行點(diǎn)處，經(jīng)歷擾動(dòng)后，所有母線能夠維持穩(wěn)態(tài)電壓的能力”。系統(tǒng)能夠保持電壓穩(wěn)定依賴于在負(fù)荷需求和電能供應(yīng)之間維持或恢復(fù)功率平衡的能力。電壓穩(wěn)定問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)的承載能力問(wèn)題，即供需不平衡問(wèn)題。本文將針對(duì)海洋平臺(tái)3種主要調(diào)壓方式進(jìn)行分析與探討。

2 電力系統(tǒng)調(diào)壓原理

電力系統(tǒng)調(diào)壓原理如圖1所示［2］。

圖1 電力系統(tǒng)調(diào)壓原理圖

在圖1中，一臺(tái)發(fā)電機(jī)通過(guò)升壓變壓器、線路和降壓變壓器向用戶供電，要求調(diào)節(jié)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)b的電壓。略去線路的電容功率、變壓器的勵(lì)磁功率和網(wǎng)絡(luò)的功率損耗，b點(diǎn)的電壓為:

式（1）中，k1和k2分別為升壓變壓器和降壓變壓器的變比；R和X分別為變壓器和線路的總電阻和總電抗。

海洋平臺(tái)的電力系統(tǒng)與圖1類似，由式（1）可見(jiàn)，為了調(diào)整用戶端電壓Vb可以延伸出海洋平臺(tái)的3種主要調(diào)壓方式:

（1）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以改變發(fā)電機(jī)端電壓VG；

（2）無(wú)功補(bǔ)償；

（3）適當(dāng)選擇變壓器的變比（有載調(diào)壓）。

下面將針對(duì)3種調(diào)壓方式在海洋平臺(tái)的應(yīng)用情況進(jìn)行分別的研究。

3 系統(tǒng)主要調(diào)壓方式及調(diào)節(jié)策略

3.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)壓及其控制調(diào)節(jié)

對(duì)于海上油氣田電站的同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，由于電樞反應(yīng)的影響將使發(fā)電機(jī)的端電壓發(fā)生變化，尤其是電感性電流的影響，它可能造成用電設(shè)備無(wú)法正常工作（如:電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，日光燈熄滅，繼電器的接觸器釋放等），因此需要采用自動(dòng)電壓調(diào)整裝置來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的端電壓。

自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)可以看成為一個(gè)以電壓為被調(diào)量的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。無(wú)功負(fù)荷電流是造成發(fā)電機(jī)端電壓下降的主要原因，當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓將隨無(wú)功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求，發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)基本保持不變，實(shí)現(xiàn)這一要求的辦法是隨無(wú)功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。目前海洋平臺(tái)的發(fā)電機(jī)均配備了自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR），出廠時(shí)AVR基本已經(jīng)設(shè)定好了，一般能夠滿足試運(yùn)行的要求，只需要調(diào)整一個(gè)在空載或負(fù)載時(shí)的電壓。

下面針對(duì)AVR（MX341型）在負(fù)載情況下，出現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)特性差或電壓下降的幾種情況的調(diào)節(jié)策略。

3.1.1 頻率過(guò)低引起的電壓下降

AVR連著一個(gè)轉(zhuǎn)速保護(hù)線路，其電壓/頻率特性如圖2。控制電位器設(shè)定“膝點(diǎn)”位置。設(shè)置不當(dāng)時(shí)癥狀為:（1）在控制電位器上方的一只發(fā)光二極管（LED）在負(fù)載時(shí)一直亮著；（2）在負(fù)載時(shí)電壓調(diào)整率低，即此時(shí)發(fā)電機(jī)工作于特性曲線上，即50Hz的發(fā)電機(jī)頻率為47Hz；60Hz的發(fā)電機(jī)頻率為57Hz。指示燈就發(fā)亮。

圖2 AVR轉(zhuǎn)速保護(hù)線路電壓/頻率特性曲線

3.1.2 勵(lì)磁跳閘

當(dāng)兩相間或一相與中性線發(fā)生短路時(shí)，由永磁機(jī)供電的AVR將提供最大的勵(lì)磁系統(tǒng)，為了保護(hù)發(fā)電機(jī)繞組，AVR和一個(gè)過(guò)勵(lì)磁線路相連，該線路一旦探測(cè)到過(guò)高的勵(lì)磁電流，在一個(gè)預(yù)設(shè)的時(shí)間后就會(huì)切斷勵(lì)磁。勵(lì)磁跳閘設(shè)置不當(dāng)將使發(fā)電機(jī)在負(fù)載或稍過(guò)載時(shí)產(chǎn)生電壓聚然下降，同時(shí)發(fā)光二極管一直亮著。如出現(xiàn)這種情況，應(yīng)調(diào)節(jié)端子X(jué)與端子X(jué)X之間的電壓為70V±5%。

3.1.3 瞬時(shí)加載調(diào)節(jié)

AVR附加的電壓下降和恢復(fù)時(shí)間延遲控制功能，使發(fā)電機(jī)組具有最優(yōu)化的負(fù)載接受能力。整個(gè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能和調(diào)速器反應(yīng)速度以及發(fā)電機(jī)的特性所決定。調(diào)節(jié)電壓下降水平及恢復(fù)時(shí)間和發(fā)電機(jī)性能有很大的關(guān)系，因此必須在頻率下降和電壓下降中做出一個(gè)折衷的選擇。

3.2 變壓器有載調(diào)壓

變壓器有載調(diào)壓技術(shù)廣泛用于配電系統(tǒng)，其基本原理是從變壓器某一側(cè)的線圈中引出若干分接頭，通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)，在不切斷負(fù)荷電流的情況下，由一分接頭切換到另一分接頭，以變換有效匝數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。

有載調(diào)壓變壓器可以保持電網(wǎng)運(yùn)行在較高的電壓水平，優(yōu)化了無(wú)功功率，從而降低了線損，提高了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。但有載調(diào)壓變壓器無(wú)法改變無(wú)功需求平衡狀態(tài)，會(huì)將無(wú)功功率缺額全部轉(zhuǎn)移至主網(wǎng)，從而使主網(wǎng)電壓逐漸下降，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)系統(tǒng)電壓崩潰。

3.2.1 有載分接開(kāi)關(guān)

有載分接開(kāi)關(guān)主要包括切換開(kāi)關(guān)、分接選擇器、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、減速箱、電氣控制部分、過(guò)流保護(hù)、電流互感器、控制器等，投運(yùn)之前應(yīng)先對(duì)分接開(kāi)關(guān)手動(dòng)操作一個(gè)循環(huán)試驗(yàn)，然后通電進(jìn)行電動(dòng)操作試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中檢查變壓器電壓變化是否正確、位置指示是否一致，檢查控制器功能是否正確無(wú)誤后，方可投入運(yùn)行。分接開(kāi)關(guān)在正常運(yùn)行中一般不須特別維護(hù)，如發(fā)現(xiàn)不切換或異常聲光現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查，排除故障后方可繼續(xù)運(yùn)行。

正常運(yùn)行的分接開(kāi)關(guān)每年至少進(jìn)行一次檢查；如一年內(nèi)運(yùn)行次數(shù)達(dá)到5000次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行一次檢查，檢查項(xiàng)目如下:

（1）切換轉(zhuǎn)換觸頭及選擇器觸頭等處每年必須涂一次工業(yè)凡士林潤(rùn)滑。

（2）檢查、清除絕緣件和導(dǎo)電零件表面的灰塵。（3）檢查所有緊固件有無(wú)松動(dòng)，并及時(shí)擰緊。

（4）檢查所有運(yùn)動(dòng)磨擦部位的潤(rùn)滑情況，清除污損的潤(rùn)滑脂、及時(shí)補(bǔ)充清潔防凍潤(rùn)滑脂。這些部位包括:滑動(dòng)軸承，絲桿與絲母，軸套與軸等。

（5）檢查選擇器觸頭壓力彈簧有無(wú)損壞、動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)是否靈活。

（6）檢查真空開(kāi)關(guān)管觸頭開(kāi)距應(yīng)在3mm以上，觸頭超程不應(yīng)小于5mm，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整。如發(fā)現(xiàn)真空開(kāi)關(guān)管有破損或漏氣情況，可按內(nèi)部絕緣要求在真空開(kāi)關(guān)管動(dòng)靜觸頭間進(jìn)行4kV工頻1min耐壓試驗(yàn)，若發(fā)生擊穿須更換好的真空開(kāi)關(guān)管。

3.2.2 有載調(diào)壓控制策略

有載調(diào)壓雖然有其自身的不足，但隨著新技術(shù)的引入，有載調(diào)壓變壓器自動(dòng)調(diào)壓分接頭的使用勢(shì)必更加廣泛，對(duì)于有載自動(dòng)調(diào)壓所帶來(lái)的副作用，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ㄊ强梢韵蜏p小的:

（1）制定變壓器有載調(diào)壓運(yùn)行原則。設(shè)定當(dāng)調(diào)壓變壓器一次側(cè)電壓高于某一最低數(shù)值時(shí)（如額定值的90%～95%）時(shí)才允許進(jìn)行有載調(diào)壓，如一次側(cè)電壓低于規(guī)定的最低數(shù)值時(shí)，立即閉鎖有載調(diào)壓。

（2）對(duì)于多平臺(tái)集中供電的電力系統(tǒng)，應(yīng)在多個(gè)平臺(tái)建立帶負(fù)荷調(diào)壓的自動(dòng)閉鎖系統(tǒng)，將每個(gè)平臺(tái)分成若干“帶負(fù)荷調(diào)壓閉鎖動(dòng)作區(qū)”，由選定的節(jié)點(diǎn)測(cè)定電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的電壓低于認(rèn)定門檻時(shí)，自動(dòng)地將閉鎖命令有序地傳到平臺(tái)的每一臺(tái)帶負(fù)荷自動(dòng)調(diào)壓裝置，閉鎖變壓器的帶負(fù)荷調(diào)壓。

（3）由于有載調(diào)壓變壓器無(wú)法改變系統(tǒng)的無(wú)功需求平衡狀態(tài)，所以系統(tǒng)應(yīng)有足夠的無(wú)功容量，才能避免引發(fā)電網(wǎng)的電壓崩潰。所以對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全面考慮，提高網(wǎng)絡(luò)的電壓強(qiáng)度。

（4）系統(tǒng)出現(xiàn)大擾動(dòng)，引發(fā)電壓大幅度下降時(shí)，應(yīng)設(shè)置應(yīng)急工況，閉鎖有載調(diào)壓，并切除部分負(fù)荷，消除系統(tǒng)有功和無(wú)功缺額，或在系統(tǒng)中設(shè)置電壓降低自動(dòng)減負(fù)荷裝置，抵消變壓器控制產(chǎn)生的負(fù)面影響，快速動(dòng)作，限制局部擾動(dòng)發(fā)展為全網(wǎng)或主網(wǎng)事故。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償

海上油田的機(jī)采系統(tǒng)、注水系統(tǒng)及油氣集輸系統(tǒng)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。這種系統(tǒng)的負(fù)荷分散性大，配電網(wǎng)供電半徑大、分支多、配電變壓器數(shù)量多、負(fù)荷率低，因而運(yùn)行時(shí)供電線路的網(wǎng)損率高，功率因數(shù)低，末端壓降大。海上油田配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償基本上以電容器補(bǔ)償為主［4］。不過(guò)，由于現(xiàn)在海上油田的規(guī)模越來(lái)越大，多平臺(tái)集中供電的方式越來(lái)越多，因此，有大量的長(zhǎng)距離的海底電纜被應(yīng)用到海上平臺(tái)的電力系統(tǒng)中，長(zhǎng)距離的海纜往往使系統(tǒng)電阻呈容性，所以在海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償上也有部分電抗器的使用。

3.3.1 無(wú)功補(bǔ)償配置原則

為了最大限度地減少無(wú)功功率的傳輸損耗，提高輸配電設(shè)備的效率，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的配置，應(yīng)按照“分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡”的原則，合理布局。

（1）總體平衡與局部平衡相結(jié)合，以局部為主。

（2）發(fā)電機(jī)補(bǔ)償與負(fù)荷補(bǔ)償相結(jié)合。

（3）分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合，以分散為主。

（4）降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主。

利用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，其主要目的是為了達(dá)到無(wú)功電力就地平衡，減小網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功損耗，以降低線損。與此同時(shí)，也可以利用電容器的分組投切，對(duì)電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這是補(bǔ)償?shù)妮o助目的，在一般情況下，以降損為主，調(diào)壓為輔。但目前海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償裝置受平臺(tái)面積以及環(huán)境條件的限制，多采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞?，雖然提高了供電能力、減少了線損和電能損耗，穩(wěn)定了電壓。但這種方式未能很好地解決電網(wǎng)內(nèi)部的無(wú)功流動(dòng)。因此，無(wú)功電流在內(nèi)部仍大量存在，電力網(wǎng)絡(luò)的線損等仍比較大。

3.3.2 無(wú)功補(bǔ)償方式、容量的選擇

配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式的選擇，從理論上而言，無(wú)功補(bǔ)償最好的方式是在哪里產(chǎn)生無(wú)功，就在哪里進(jìn)行補(bǔ)償，整個(gè)系統(tǒng)將沒(méi)有無(wú)功電流的流動(dòng)。但在實(shí)際電網(wǎng)中這是不可能做到的，因?yàn)闊o(wú)論是變壓器、輸電線路還是各種負(fù)載，均會(huì)產(chǎn)生無(wú)功。所以實(shí)際電網(wǎng)中就補(bǔ)償裝置的安裝位置而言有以下幾種補(bǔ)償方式:變電站高、低壓母線集中補(bǔ)償；高、低壓配電線路分散補(bǔ)償；負(fù)荷側(cè)的集中補(bǔ)償；負(fù)荷的就地補(bǔ)償。一般應(yīng)將幾種補(bǔ)償方式結(jié)合起來(lái)采用，以達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。

配電線路上的分散補(bǔ)償容量通常可以按照“三分之二”法則來(lái)選擇。即在均勻分布負(fù)荷的配電線路上，安裝電容器的最佳容量是該線路平均負(fù)荷的2/3；安裝最佳地點(diǎn)是自送電端起的線路長(zhǎng)度的2/3處。這一結(jié)論是在理想情況下推演出來(lái)的，因此在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，不能一概而論。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的調(diào)壓方式進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，降低配電網(wǎng)損耗，提高功率因數(shù)，對(duì)于配電網(wǎng)的穩(wěn)定、海上油田安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的作用。

［1］IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions，Definition and classification of power system stability［J］.IEEE Trans.on Power Systems，2004，19（2）：1387 －1400.

［2］何仰贊，溫增銀等.電力系統(tǒng)分析（下）［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社.1991：35 －87.

［3］羅顯泉.淺析無(wú)功補(bǔ)償與電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)系［J］.電力電容器，2007（4）：6 －9.

［4］李炳建，閏蘇莉，魏娜.油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化分析［J］.國(guó)外電子元器件，2008（7）：25 －26.