一起海洋平臺開關誤合閘事件分析

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(1.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司,天津 300425；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

一起海洋平臺開關誤合閘事件分析

陳林1，封園2，陳雨強1，劉煉1

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司,天津 300425；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

分析渤海油田某平臺的電網(wǎng)中2電站的發(fā)電機組之間因非正常并列而產(chǎn)生波動，故障發(fā)生過程引用電力MOSFET管工作原理，得出涌流抑制器合閘出口接入交流電源后動作機理，從設計與施工調試等方面提出幾點防范措施。

誤合閘；涌流抑制器；電源；MOSFET

為了減少在變壓器投運過程中涌流帶來的影響，目前海上油田廣泛采用微機涌流抑制器[1]，其中由深圳國立研發(fā)設計的SID-3YL型涌流抑制器應用較多[2]。其合閘出口的內部結構設計采用電力MOSFET管，如果出口斷路器合閘控制回路采用交流電控制，將會導致斷路器誤動作。這里對渤海油田渤中某平臺一臺35 kV側進線開關誤合閘事件進行分析，介紹事故排查過程，通過引用電力MOSFET工作原理解釋此次事件根本原因，進行總結。

1 事件過程

1.1 背景

油田位于渤海海域中南部，包括1座中心平

臺和4個井口平臺，中心平臺A設3臺5 500 kW燃氣透平發(fā)電機組，2014年12月，該平臺電站與位于其北邊的S電站4臺5 500 kW燃氣透平發(fā)電機組實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)網(wǎng)供電。故障VCB104開關位于2電站聯(lián)絡線上的平臺D，并且于聯(lián)網(wǎng)調試期間同步投入運行，發(fā)生故障時開關投運已經(jīng)6個月。該油田群電網(wǎng)電力系統(tǒng)原理見圖1。

1.2 故障過程

上午10點，D平臺VCB103和VCB104開關綜保低電壓保護同時跳閘，隨后確認是誤動作，準備恢復這2臺開關運行。當操作人員按下VCB104開關盤面的“復位”按鈕時，斷路器突然合閘，2電站發(fā)電機在此刻非同期并列運行，電網(wǎng)產(chǎn)生較大波動。圖2 是監(jiān)控到電網(wǎng)波動畫面。

圖1 電網(wǎng)電力系統(tǒng)原理示意

圖2 電網(wǎng)波動后臺監(jiān)控畫面

在電網(wǎng)穩(wěn)定后，將D平臺VCB103開關和1#組網(wǎng)變壓器投入運行，VCB104開關和2#組網(wǎng)變壓器退出運行，查找VCB104開關誤合閘原因。

2 故障原因分析

VCB104開關是由西門子公司提供的8DA10型金屬封閉氣體絕緣開關柜，綜保裝置采用的是南瑞繼保的PCS-9611D線路保護裝置，涌流抑制裝置是深圳國立設計的SID-3YL型微機涌流抑制器。

根據(jù)故障現(xiàn)象，分析故障原因在開關合閘控制回路，開關的合閘回路接線簡圖見圖3。

圖3 VCB104合閘回路簡圖

從圖3可以分析出經(jīng)過涌流抑制器開關合閘條件必須滿足以下3個條件。

1)Q1的S25觸點處于閉合狀態(tài)。

2)KC1繼電器21、22觸點處于常閉狀態(tài)，即KC1繼電器未動作。

3)“SID-3YL”涌流抑制器JK3-1、JK-2處于閉合狀態(tài)。

經(jīng)現(xiàn)場確認，Q1的S25觸點處于閉合狀態(tài)，KC1繼電器是用于保護裝置“跳閘保持”信號擴充輔助接點，在復位按鈕按下前，開關由于低電壓保護動作使得繼電器處于得電狀態(tài)，當按下盤面復位按鈕后，KC1繼電器的21/22觸點閉合?，F(xiàn)場轉換開關處于經(jīng)涌流合閘，如果該斷路器在合閘，必須要求SID-3YL的JK3-1/JK3-2閉合。查看涌流抑制器裝置的端子圖(見圖4)得知，JK3-1/JK3-2觸點是裝置合閘出口。

正常經(jīng)涌流合閘操作時，首先啟動合閘命令，然后涌流裝置經(jīng)過計算，發(fā)出合閘命令，裝置合閘出口閉合。而且在涌流抑制裝置檢測到受控側與電源側均有電壓時(即該開關上下口均有電)，不會發(fā)出合閘命令。現(xiàn)場人員對實際反復確認按下該復位按鈕不會導致啟動斷路器合閘指令，也未發(fā)現(xiàn)合閘回路中有其他接線錯誤問題，隨后將開關處于隔離位置，模擬相同的狀況操作幾次，未出現(xiàn)自動合閘情況。后來，經(jīng)仔細查看圖紙，在涌流抑制裝置端子圖中發(fā)現(xiàn)“合閘出口”特意標注了“+”“-”字樣，而現(xiàn)場測量合閘電源為交流。為此與涌流裝置設計人員溝通，確認該出口內部結構是電力MOSFET管，必須采用直流電源，而且正負極不能接反，如果采用交流電源，該合閘出口有可能處于導通狀態(tài)，因此確定開關誤合閘原因是由于涌流抑制裝置合閘出口工作電源與裝置要求不一致。

經(jīng)過整改后測試，開關再也未出現(xiàn)自動合閘情況，而且在該開關上下口均帶電情況，涌流抑制裝置不會發(fā)出合閘命令。

圖4 SID-3YL涌流抑制裝置端子圖

3 電力MOSFET工作原理

電力場效應管又名電力場效應晶體管[4]，分為結型和絕緣柵型，通常主要指絕緣柵型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱電力MOSFET(Power MOSFET)。電力MOSFET有3個極：門極G、源極S、漏極D，見圖5。

圖5 電力MOSFET結構示意

它類似GTR卻相差很大。GTR是電流控制元件，集電極電流的大小取決于基極電流的大小。而電力MOSFET是電壓控制元件，漏極電流的大小取決于門極電壓的高低。電力MOSFET的輸入電阻非常高，達到幾百兆歐甚至上千兆歐，是單極性器件，近多數(shù)載流子參與導電，無固有存儲時間，開關速度快，工作頻率可以超過100 kHz。

當門極電壓為0(UGS)時，漏極與源極之間存在著2個方向的相反的PN結，所以即使在漏源極間施加正向電壓，器件也不會導通。

當門極G上有正向電壓(UGS>0)時，門極的正電荷會將P基片中的少數(shù)載流子——電子吸引到門極下面的硅表面上，與空穴相中和，出現(xiàn)耗盡層。隨著電子數(shù)量繼續(xù)增多，耗盡區(qū)右邊成負電荷區(qū)，硅的表面層由P型變成N型，新增一個N溝道，N溝道中的電子與2個N+區(qū)中的電子連成一片。如果此時在漏源極之間施加正向電壓UDS，則從源極發(fā)出的電子會順利經(jīng)過源區(qū)——N溝道——漏區(qū)進入漏極，形成漏極電流ID，這樣器件就導通了。

SID-3YL型涌流抑制器合閘出口采用的是電力MOSFET管結構。器件的源極和漏極之間存在著一個PN結，因此形成了一個與器件反并聯(lián)的寄生二極管，使得電力MOSFET不具有反向阻斷能力，當漏極和源極間加反向電壓時，由于二極管導通，器件長期導通。

如果出口斷路器是交流電控制的，根據(jù)二極管的半波整流，將會出現(xiàn)半個周期導通，半個周期截止，就是每秒鐘斷路器接收到出口信號50次，某種意義上出口是一直導通的。

4 結論

高壓開關柜用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉換和消耗中，主要起通斷、控制或保護等作用，35 kV目前在渤海油田電壓等級最高，35 kV系統(tǒng)上的開關直接關系著所在油田電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。開關出現(xiàn)誤合閘的原因很多，如人為誤操作、盤內接線松動、盤內有雜物、合閘回路與設計圖紙存在出入等。本文中由于電源接線與裝置要求不一致這種原因給故障查找?guī)砗艽罄щy。通過分析與總結，現(xiàn)針對設計、施工調試等方面提出防范措施。

1)開關柜二次回路設計人員應當加強與盤內器件廠家人員溝通，充分了解器件的工作原理和技術要求，設計審核人員應對設計圖紙嚴格審查和把關，從源頭上杜絕這類錯誤問題的產(chǎn)生，避免對客戶造成不必要的損失。

2)施工人員在施工過程應嚴格按照圖紙接線，接線過程遇到有新元器件應積極與設計人員溝通，并有專人檢查和復核，確認盤柜接線與圖紙一致[5]。

3)調試人員應當充分掌握盤內元器件的工作原理和操作方法，調試前應參照相關器件技術說明書、圖紙及相關規(guī)范，對盤內接線進行復查。調試過程中嚴格按照調試步驟和計劃工作內容進行，避免有檢查和調試漏項情況。

4)運行人員在開關發(fā)生故障后，應當首先操作開關隔離，避免電力系統(tǒng)受影響范圍擴大。

[1] 許瑞生，肖凱，龔萍，等.海上油氣田電力組網(wǎng)技術探討[J].電工技術，2013(6): 62-64.

[2] 盧一丁．小議SID-3YL涌流抑制器的工作原理及應用[J]．電工文摘，2008(5)：45-49.

[3] 陳朝明，辛雁．一起開關誤合閘的原因分析[J]．江西電力，2002，26(1)：46-48.

[4] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[5] 魯曉強，代均輝．一起負荷隔離開關誤分、合閘事故分析[J]．農(nóng)村電工，2012，20(6)：23-23.

[6] 郭實田．一起機組開關誤合閘事故分析及防范[J]．電力安全技術，2009，11(12)：29-30.

[7] 中國船級社.海上固定平臺入級與建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1992.

An Analysis of the Switching-in Error of the Offshore Platform

CHENLin1,FENGYuan2,CHENYu-qiang1,LIULian1

(1.CNOOC Energy Development Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China;2.Tianjin Branch of CNOOC (China) Ltd., Tianjin 300452, China)

The process of the failure in a Bohai oilfield platform which results in generators of the power grid fluctuation was describesd. The cause of the malfunctio was analyzed. In light of the working principle of power MOSFET, the mechanism of action was obtained when the surge suppressor closing outlet used AC power supply. Form aspects of design and construction, some preventive measures were ste forth.

Error closing; surge suppressor; power supply; MOSFET

U665.1

A

1671-7953(2017)05-0126-04

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

陳林(1989—)，男，學士，助理工程師

研究方向：海上油田電力系統(tǒng)建設與維護