海上石油平臺供電網(wǎng)勵磁涌流解決方案研究

柯呂雄

CNOOC Ltd._Zhanjiang，廣東湛江 524057

1 海上石油平臺供電網(wǎng)概況

1.1 電網(wǎng)規(guī)劃概況

南海某油田群海域油氣資源非常豐富，組成供電網(wǎng)前采用每一個海上油氣田中心平臺建一個電站的方式進(jìn)行供電。為提高供電可靠性差、增強(qiáng)電站抗沖擊性能、減少備用發(fā)電機(jī)組配置、降低投資及運行維護(hù)成本，各平臺電站之間通過海底電纜進(jìn)行組成海上石油平臺供電網(wǎng)。初期組網(wǎng)在WZIT、WZ12-1、WZ11-1N和WZ11－1等平臺進(jìn)行，主干線路電壓等級采用35kV。隨著油田群的進(jìn)一步開發(fā)，還將延伸到WZ6-1等平臺，電網(wǎng)的規(guī)劃接線詳見圖1。該供電網(wǎng)2008年12月投產(chǎn)，是我國第一個長距離、小機(jī)組海上石油平臺群供電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 海上石油平臺供電網(wǎng)示意圖

1.2 電網(wǎng)構(gòu)成

各平臺電氣主接線方式35kV采用部分采用單母線接線，主變壓器均采用有載調(diào)壓方式，其中WZIT配置2臺主變壓器、WZ12-1及WZ11-1平臺各配置1臺主變壓器。采用消弧線圈接地方式。WZIT與WZ12-1平臺之間采用3×185mm2截面電纜；WZ12-1與WZ11-1N之間采用3×95mm2截面電纜；WZ11-1與WZ11-1N之間采用3×150mm2截面電纜。具體接線詳見圖2。

圖2 電氣主接線圖

2 電網(wǎng)存在的勵磁涌流問題

2.1 變壓器空載閘產(chǎn)生勵磁涌流

據(jù)組網(wǎng)所采用的變壓器廠方提供的資料，變壓器空載合閘時最大勵磁涌流將達(dá)到額定電流的6倍～10倍。陸上電網(wǎng)由于電網(wǎng)容量足夠大，可不考慮勵磁涌流問題。海上石油平臺電網(wǎng)機(jī)組臺數(shù)少，容量小，這種所謂的勵磁涌動的流量對于電網(wǎng)以及發(fā)電機(jī)的基本電壓產(chǎn)生比較大的影響，同時這些影響會直接通過我們的系統(tǒng)總體輸電線的基本電阻誘發(fā)相鄰變電站及發(fā)電廠運行中的變壓器形成一種“和應(yīng)涌流”，從而可能引起誤跳閘的情況。針對這樣的情況，我們可以適當(dāng)采取限制性的基本措施以限制這一情況的發(fā)生。

2.2 勵磁涌流產(chǎn)生原因

按照磁鏈?zhǔn)睾愣?，一旦變壓器中的任何一?cè)發(fā)生突然間的電壓增加情況，電壓瞬變后最終會導(dǎo)致鐵心出現(xiàn)過度飽和狀態(tài)。在此情況下變壓器的勵磁性電流量的過度增大，其數(shù)據(jù)甚至可能會超過正常運行的空載型號電流的好多倍。并且我們都知道在變壓器中，有一個繞組電阻的存在，因而我們的勵磁涌流也會按照基本常數(shù)得到遞減。

由于勵磁涌流和故障電流都是瞬時值很大，變壓器繼電保護(hù)裝置難以正確識別他們的差別，如果不采取措施變壓器繼電保護(hù)裝置將誤動作。特別是變壓器在投產(chǎn)或檢修空載投入時，差動保護(hù)誤動的情況更加明顯。由于勵磁涌流形態(tài)的多變性，目前各種繼電保護(hù)應(yīng)用的算法均不足以徹底解決勵磁涌流問題，亟需一種實用、可靠地解決方案。

3 勵磁涌流解決方案

3.1 勵磁涌流的四個解決方案

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)條件，海上石油平臺供電網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計提出了解決變壓器空載合閘勵磁涌流問題的以下4個方案：

方案一：變壓器采用零起升壓后并網(wǎng)

正常情況變壓器都是處于運行狀態(tài)，此時不存在勵磁涌流問題。只有在少數(shù)運行工況下（變壓器檢修或故障退出后再投），才存在合閘勵磁涌流問題，此時可以讓發(fā)電機(jī)帶變壓器零起升壓后并網(wǎng)。

方案二：串聯(lián)電阻合閘

串聯(lián)電阻合閘是在合閘側(cè)回路串入電阻來抑制合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流，合閘后通過負(fù)荷開關(guān)把合閘電阻短路運行。

方案三：采用斷路器分相合閘

采用斷路器分相合閘，通過捕捉合閘電壓的相位角，使各相均在電壓最大時投入，避免由于變壓器鐵心磁通的突變產(chǎn)生勵磁涌流。

方案四：采用涌流抑制器

抑制器是通過變壓器斷電時電壓的分閘相位角獲知磁路剩磁的極性，下一次合閘時選擇在相近的相位角，此時就能避免變壓器鐵心磁通的突變產(chǎn)生勵磁涌流。

3.2 方案比較

方案一為少數(shù)工況。該方案的每臺變壓器要并網(wǎng)時，都需一臺發(fā)電機(jī)帶其零起升壓，且該發(fā)電機(jī)所在的6kV段上的負(fù)荷要停運，因此將犧牲其他各種運行工況的靈活性。

方案二是一個比較簡潔的方案。雖然目前已有專利產(chǎn)品，但目前還沒有相關(guān)的成功運行案例，需選用非標(biāo)產(chǎn)品。

方案三由于相角很難捕捉，而且該產(chǎn)品采用晶閘管電子開關(guān)，價格昂貴且目前國內(nèi)也沒有此產(chǎn)品，不推薦用。

方案四所采用的涌流抑制器產(chǎn)品價格便宜（每套約4萬）且國內(nèi)有校豐富的運行經(jīng)驗。

3.3 方案確定

根據(jù)以上分析，采用方案一、方案四技術(shù)上比較穩(wěn)妥。由于方案一不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施用電要求對電網(wǎng)靈活性的要求，宜采用方案四，即涌流抑制器方案。

4 涌流抑制器工作原理

我們的變壓器中的空載合閘的基本電源內(nèi)所引發(fā)的基本勵磁涌流與基本電壓的初始基本角度有著莫大的關(guān)系，并且與電壓的初始位置達(dá)到二分之π或者是三分之二π，勵磁電流或者是短路性質(zhì)的電流的暫態(tài)分隔量都基本上處在一個基本為零的狀態(tài)，這時變壓器的基本功能狀態(tài)會相對進(jìn)入一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)中，這是勵磁性的電流會暫時分隔到半個周期之后達(dá)到一個比較穩(wěn)定的數(shù)值范圍內(nèi)，因而，我們可以在這種基本情況下可以徹底抑制磁體方面的基本涌流狀態(tài)。

對于一些三相方面的基本變壓器，在三個基本相位的差值達(dá)到三分之二π時我們就可以充分采取基本的斷路器裝置，通過采用分項分時操作我們可以采用基本的抑制性的勵磁涌流進(jìn)行處理分析，但這樣并不會完全導(dǎo)致比較短暫的非全相性運行，并且，針對一些在35kV之下的電網(wǎng)我們還可以采用其他的方式進(jìn)行處理，旨在更好地達(dá)到我們需要達(dá)到的基本處理結(jié)果。

我們常使用的涌流的抑制性儀器主要是使用三種基本的方式進(jìn)行控制的方式進(jìn)行計算，并且充分結(jié)合相關(guān)變壓器發(fā)生斷電時的基本電壓的分閘相位角度來獲得相關(guān)的磁路的剩磁極性，并且在下一次進(jìn)行合閘的過程中選擇一個比較臨近的位相角度，同時實現(xiàn)對于勵磁涌流的整體控制。

5 實施情況

1）涌流抑制器的裝設(shè)

為滿足電網(wǎng)內(nèi)各變壓器空載合閘時涌流抑制的需求，本油田群電網(wǎng)在各平臺的4臺變壓器高、低壓側(cè)均安裝一臺涌流抑制器裝置。該裝置外形尺寸與低壓保護(hù)裝置類似，分別就地安裝在主變壓器的35kV/6kV側(cè)開關(guān)柜上。

我們使用的基本裝置主要是采用斷路的儀器來進(jìn)行變壓器的空投處理，主要的原理圖在下面的圖示中有具體的顯示，并且一旦我們需要的涌流抑制器收到的相關(guān)的合閘令之后就很容易根據(jù)預(yù)先基本設(shè)置的三相的斷路器進(jìn)行合閘處理，并且在使用電壓的二次互感器進(jìn)行角測值方面的計算時來更加標(biāo)準(zhǔn)的呈現(xiàn)發(fā)生分閘或者是合閘時期的定期信號。

站在更為精準(zhǔn)的角度出發(fā)，我們會發(fā)現(xiàn)輔助的基本接點與主觸頭的動作時間之間存在差距，直接導(dǎo)致了涌流的基本抑制器之間有著測量的基本裝置，同時，一旦我們所使用的斷路器脫離了回路的基本電源，就可以更好地對這一功能進(jìn)行測量研究。

我們使用的基本涌流控制器主要是對斷路的儀器進(jìn)行合閘方面的控制，我們使用的人工型號的繼電保護(hù)也可以在很大程度上對斷路器的基本設(shè)備進(jìn)行分閘方面的使用，主要是在一些比較特殊的情況中，人們當(dāng)臨時希望把變壓器在某個電源電壓的相位角進(jìn)行斷電裝置的處理時，就可以通過對涌流抑制器的基本角度分析來進(jìn)行相關(guān)的操作研究。

圖3 控制原理示意圖

2）涌流抑制器初次合閘調(diào)試

涌流抑制器初次合閘時，由于涌流抑制器沒有變壓器的分閘相位角無法獲知磁路剩磁的極性，需在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試，具體步驟如下：

（1）測量斷路器的合閘回路動作總時間；

（2）測量斷路器的分閘回路動作總時間；

（3）錄制投切變壓器負(fù)載波形；

（4）根據(jù)負(fù)載波形設(shè)置參數(shù)，涌流抑制器即可投入運行。

6 運行情況

2008年12月5日WZ12-1石油平臺與WZIT之間的海底電纜正式投入運行，在涌流抑制器的有效配合下，各臺主變壓器順利投入。

在兩年多的運行期間，經(jīng)歷了變壓器有載、空載投入十幾次，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)均沒有采集到明顯的涌流現(xiàn)象，更無因勵磁涌流造成的其他異?，F(xiàn)象。

7 結(jié)論

海上石油平臺的電力組網(wǎng)必須考慮主變壓器空載合閘的勵磁涌流問題，采用涌流抑制器是很好的解決方案。

[1]張繼芬，胡鵬，邱國華，劉峻，王雄文.海上石油平臺電力組網(wǎng)及其EMS設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力勘測設(shè)計，2008(2).