基于ATP的海底電纜空載投入仿真

盧雪松, 劉繼峰， 馮紹寧， 邵芳蘋， 唐 怡

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

基于ATP的海底電纜空載投入仿真

盧雪松, 劉繼峰， 馮紹寧， 邵芳蘋， 唐 怡

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

隨著我國海上油氣田的開發(fā)和利用，海洋平臺電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大,運用電力系統(tǒng)分析仿真軟件對系統(tǒng)進行研究計算的方法也日趨成為電氣工程師的主要應(yīng)用工具。介紹電力系統(tǒng)分析仿真軟件ATP的功能特點，結(jié)合海上油田某項目實例，運用ATP軟件進行海纜空載投入仿真研究，發(fā)現(xiàn)采用相控合閘策略可以有效地降低海纜空載投入的合閘涌流和操作過電壓，其理論分析對同型平臺的設(shè)計具有一定指導(dǎo)和借鑒意義。

ATP軟件；海纜空載投入；仿真

0 引言

海上油氣田通常由若干個海上結(jié)構(gòu)物(井口平臺或浮式儲油裝置)組成。在這些海上油氣田中，一般只在中心平臺(或浮式儲油船)上設(shè)置一個主電站，然后通過海底電纜將主電站的電能分別輸送到各個井口平臺上。海上平臺海纜作為平臺之間能量傳輸重要且唯一的通道，在海上平臺中起著極其重要的作用[1]。海上油氣田平臺電力系統(tǒng)與大陸電力系統(tǒng)有著很大的區(qū)別，一般采用單端電源供電，系統(tǒng)容量小，穩(wěn)定性弱，容易受到各種因素的干擾，供電可靠性相對較差[2]。由于海纜的電容效應(yīng)，在隨機投入長距離海纜時，由于電壓突變導(dǎo)致在回路中產(chǎn)生較大的沖擊電流，對設(shè)備及系統(tǒng)的運行安全帶來了極大的隱患。為了確保海上油氣田各井口平臺的正常生產(chǎn)和生活，如何有效降低海底電纜空載投入時的沖擊電流，是海上油氣田開發(fā)工程中電力系統(tǒng)設(shè)計的重要工作之一。

傳統(tǒng)的抑制合閘沖擊電流的方法[3-4]是在一次回路中增加合閘電阻或電抗器，但都存在著經(jīng)濟性或者可靠性上的不足，并且不能從根本上解決海纜投入電流沖擊的問題，造成的保護誤動仍影響著海上平臺的供電安全。結(jié)合海上油田某項目實例，提出一種相控策略投入海纜抑制合閘涌流的方法，并運用ATP軟件對不同海纜空載投入策略進行仿真研究，確認(rèn)相控策略投入海纜對抑制合閘涌流的有效性，為工程實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 空載海纜投入時產(chǎn)生合閘涌流的原理分析

圖1為斷路器關(guān)合單相空載海纜時的等效電路[5]。圖1中：u(t)為系統(tǒng)電源電壓；QF為電力斷路器；R為線路等效電阻；L為線路等效電感；C為線路等效電容。

圖1 斷路器關(guān)合單相空載海纜等效電路

由圖1可知，單相空載海纜投入系統(tǒng)時的回路方程為

(1)

式中：ω為電網(wǎng)的角頻率；α為合閘時電源的初始相角；U為電源電壓有效值。

由于線路電阻上的壓降很小，忽略電阻R的影響，并對式(1)兩邊進行微分運算得

(2)

求解式(2)，則回路中電容的電流i(t)和電壓uc(t)可表示為

(3)

(4)

2 相控投切技術(shù)簡介

通過空載海纜投入產(chǎn)生涌流機理的分析，可以采用相控投切技術(shù)解決其投入時的涌流和過電壓的問題。相控投切技術(shù)，實質(zhì)上就是通過控制斷路器合分閘時刻電壓初相角，使每相開關(guān)在其端電壓過零時刻關(guān)合，降低合閘涌流和過電壓沖擊，提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長斷路器的使用壽命和檢修周期。圖2為相控開關(guān)關(guān)合動作時序圖。圖2中：tc為外部合閘操作指令輸入時刻；t0為參考電壓零點；tclosing為開關(guān)合閘動作時間；tp為選擇的目標(biāo)關(guān)合相位(三相可以具有不同的目標(biāo)關(guān)合相位)；tm為開關(guān)觸頭金屬接觸時刻。

圖2 開關(guān)相控關(guān)合操作時序

同時由開關(guān)三相合閘時間tclosing和目標(biāo)關(guān)合相位tp獲得開關(guān)各相延遲時間td：

(5)

延時td后，控制器觸發(fā)合閘操作，開關(guān)觸頭在時刻tm閉合，實現(xiàn)各相電壓過零關(guān)合。

相控開斷操作，是根據(jù)所控制投入的負(fù)載特性以及連接方式，控制開關(guān)觸頭在電網(wǎng)電壓的特定相位開斷，避免斷路器在開斷過程中產(chǎn)生重?fù)舸?。圖3為相控開斷動作時序圖。圖3中：tc為外部分閘操作指令輸入時刻；topening為開關(guān)分閘動作時間；ts為開關(guān)觸頭分離時刻；tz為電流過零、電弧熄滅時刻；開關(guān)燃弧時間tarc=tz-ts，最小燃弧時間的確定需要根據(jù)開關(guān)滅弧室和負(fù)載特性確定。

圖3 開關(guān)相控分?jǐn)嗖僮鲿r序

同時，由開關(guān)三相分閘時間topening和預(yù)設(shè)燃弧時間tarc獲得三相延時觸發(fā)時間td：

(6)

式中：tw為CPU執(zhí)行計算時間；t0為負(fù)荷不同連接方式對應(yīng)的三相電流零點相移時間。

延時td后，控制器觸發(fā)分閘線圈，開關(guān)觸頭在時刻ts開始分離，在時刻tz電弧熄滅，開關(guān)觸頭開距d足夠大，能夠承受系統(tǒng)暫態(tài)恢復(fù)電壓，實現(xiàn)負(fù)荷可靠開斷。

3 工程概況

結(jié)合渤海油田某平臺實際工程項目，該平臺上不設(shè)主發(fā)電機，其主電源由區(qū)塊內(nèi)另外兩個平臺主電站經(jīng)35kV復(fù)合海底動態(tài)電纜為其供電。海纜長度及截面如圖4所示。

圖4 某平臺35 kV海纜一次圖

4 仿真模型搭建

ATP提供兩種線路模型：集中參數(shù)線路元件模型和線路分散元件模型。其中，集中參數(shù)線路元件模型不適用于暫態(tài)研究，故選取線路分散元件模型來仿真海纜的空載投入過程中的母線電壓、端電壓及回路電流暫態(tài)。海纜母線側(cè)以3個星型連接的等效電源模擬，電纜模型采用ATP軟件中的管式電纜模擬三芯電纜LCC模型。

由于空載長線路的電容效應(yīng)，空載投入線路時與電容器合閘時類似，故合閘相控策略可參照電容器組合閘策略，即選擇首合相在該相電壓零點時刻投入；對于第二合相，應(yīng)在該相電壓與首合相電壓相等時投入，在第三相電壓過零點時投入第三相。以A相電壓為參考，選取空載合閘策略進行比較。結(jié)果見表1。

表1 空載合閘比較

5 仿真結(jié)果分析

5.1 單投CEPA段海纜

(1) 相控策略。母線上三相電壓、斷路器線路側(cè)三相電壓和CEPA(13.7 km)段海纜線路上三相電流波形圖如圖5～圖7所示。

圖5 母線上三相電壓 圖6 斷路器線路側(cè)三相電壓

圖7 CEPA段海纜線路上三相電流

由圖5～圖7可知：相控合閘時，母線電壓略有波動，出現(xiàn)的電壓最大值約為穩(wěn)態(tài)電壓峰值的1.5倍；線路側(cè)電壓平滑過渡，電流經(jīng)過10 ms左右的振蕩進入穩(wěn)定狀態(tài)，幅值與線路空載運行時的穩(wěn)態(tài)電流相當(dāng)，最大值約為穩(wěn)態(tài)峰值的1.2倍。

(2) 隨機投入。母線上三相電壓、斷路器線路側(cè)三相電壓和CEPA段海纜線路上三相電流波形圖如圖8～圖10所示。

圖8 母線上三相電壓 圖9 斷路器線路側(cè)三相電壓

圖10 CEPA段海纜線路上三相電流

由圖8～圖10可知：隨機情況下，母線和海纜線路上電壓和電流均出現(xiàn)高頻振蕩，持續(xù)時間10～15 ms；電壓最大值約2.3 p.u，電流最大值約為25.3 p.u.若單投CEPB(21 km)段海纜時情況類似，只是幅值略有差別。

5.2 CEPA段與CEPB段海纜同時空載投入

(1) 相控策略。母線上三相電壓，斷路器線路側(cè)三相電壓，CEPA和CEPB段海纜線路上三相電流波形圖如圖11～圖14所示。

圖11 母線上三相電壓 圖12 斷路器線路側(cè)三相電壓

圖13 CEPA段海纜線路上三相電流 圖14 CEPB段海纜線路上三相電流

(2) 隨機投入。母線上三相電壓，斷路器線路側(cè)三相電壓，CEPA和CEPB段海纜線路上三相電流波形圖如圖19～圖22所示。

圖15 母線上三相電壓 圖16 斷路器線路側(cè)三相電壓

圖17 CEPA段海纜線路上三相電流 圖18 CEPB段海纜線路上三相電流

由圖11～圖18可知：兩段電纜同時投入與單投一段時的情況類似，非相控合閘下，與單投相比，同時投入兩條時各段的合閘電流幅值會偏小。

5.3 已投入CEPB段海纜，再空載投入CEPA段海纜

(1) 相控策略。母線上三相電壓、斷路器線路側(cè)三相電壓、CEPA、CEPB段海纜線路上三相電流波形圖如圖19～圖22所示。

圖19 母線上三相電壓 圖20 斷路器線路側(cè)三相電壓

圖21 CEPA段海纜線路上三相電流 圖22 CEPB段海纜線路上三相電流

(2) 隨機投入。母線上三相電壓，斷路器線路側(cè)三相電壓，CEPA和CEPB段海纜線路上三相電流波形圖如圖23～圖26所示。

圖23 母線上三相電壓 圖24 斷路器線路側(cè)三相電壓

圖25 CEPA段海纜線路上三相電流 圖26 CEPB段海纜線路上三相電流

由圖19～圖26可知：當(dāng)一段電纜已經(jīng)投入再空載投入另外一段時，不管是已投段還是后投段，均會在合閘時產(chǎn)生幅值很大的合閘電流，但持續(xù)時間短。各相過零點投入時效果最佳，母線波動小，無振蕩，合閘電流相對較小。

6 結(jié)論

本文采用EMTP-ATP軟件搭建空載海纜投切系統(tǒng)模型，對海上石油平臺電力系統(tǒng)海纜空載投入涌流產(chǎn)生的原因進行了分析，并采用ATP軟件，對各種不同海纜的投入方式進行了不同投入策略的暫態(tài)仿真分析研究。研究表明：海上石油平臺目前采用常規(guī)斷路器隨機投入空載海纜的確存在著很大的合閘涌流沖擊隱患；采用適當(dāng)?shù)南嗫睾祥l策略可以有效抑制海纜的空載投入涌流，對于實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，為海上石油平臺的供電故障問題分析提供了一種新的研究思路。

[1] 張振國，王長進，李銀朋. 海洋石油工程概論[M]. 北京：中國石化出版社，2012:1-6.

[2] 王耘.海洋石油平臺電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓的研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[3] 田斌賓.海洋石油平臺海纜擊穿故障的研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[4] 羅日成，劉從法.基于EMTP/ATP的輸電線路合閘過電壓仿真分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2011,26(3):63-67.

[5] 丁富華.真空開關(guān)的選相控制及其應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

Simulation of Submarine Cable No-Load Input Based on ATP

LU Xuesong, LIU Jifeng， FENG Shaoning， SHAO Fangping， TANG Yi

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tian Jin 300451, China)

Following China’s offshore oil and gas fields’ development and utilization, the scale and complexity of offshore oil and gas fields is gradually expanding, the method analyzing and researching for power system by simulation software has been the primary tool day by day. The function characteristic of ATP software is described. The way to use the software to carry on simulation of submarine cable no-load input by offshore platform project example is introduced. It can be found that the closing strategy for phase control can effectively reduce the switching current and operating over-voltage of submarine cable no-load input. Theoretical analysis of submarine cable no-load input based on ATP is of certain guide and reference to the similar offshore platform design.

ATP software; submarine cable no-load input; simulation

2016-11-17

盧雪松(1982-)，男，工程師

1001-4500(2017)02-0041-08

P75

A