一起海洋平臺(tái)開(kāi)關(guān)誤合閘事件分析

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

一起海洋平臺(tái)開(kāi)關(guān)誤合閘事件分析

陳林1，封園2，陳雨強(qiáng)1，劉煉1

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

分析渤海油田某平臺(tái)的電網(wǎng)中2電站的發(fā)電機(jī)組之間因非正常并列而產(chǎn)生波動(dòng)，故障發(fā)生過(guò)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(dòng)作機(jī)理，從設(shè)計(jì)與施工調(diào)試等方面提出幾點(diǎn)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(yùn)過(guò)程中涌流帶來(lái)的影響，目前海上油田廣泛采用微機(jī)涌流抑制器[1]，其中由深圳國(guó)立研發(fā)設(shè)計(jì)的SID-3YL型涌流抑制器應(yīng)用較多[2]。其合閘出口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)作。這里對(duì)渤海油田渤中某平臺(tái)一臺(tái)35 kV側(cè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)誤合閘事件進(jìn)行分析，介紹事故排查過(guò)程，通過(guò)引用電力MOSFET工作原理解釋此次事件根本原因，進(jìn)行總結(jié)。

1 事件過(guò)程

1.1 背景

油田位于渤海海域中南部，包括1座中心平

臺(tái)和4個(gè)井口平臺(tái)，中心平臺(tái)A設(shè)3臺(tái)5 500 kW燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組，2014年12月，該平臺(tái)電站與位于其北邊的S電站4臺(tái)5 500 kW燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)網(wǎng)供電。故障VCB104開(kāi)關(guān)位于2電站聯(lián)絡(luò)線上的平臺(tái)D，并且于聯(lián)網(wǎng)調(diào)試期間同步投入運(yùn)行，發(fā)生故障時(shí)開(kāi)關(guān)投運(yùn)已經(jīng)6個(gè)月。該油田群電網(wǎng)電力系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

1.2 故障過(guò)程

上午10點(diǎn)，D平臺(tái)VCB103和VCB104開(kāi)關(guān)綜保低電壓保護(hù)同時(shí)跳閘，隨后確認(rèn)是誤動(dòng)作，準(zhǔn)備恢復(fù)這2臺(tái)開(kāi)關(guān)運(yùn)行。當(dāng)操作人員按下VCB104開(kāi)關(guān)盤(pán)面的“復(fù)位”按鈕時(shí)，斷路器突然合閘，2電站發(fā)電機(jī)在此刻非同期并列運(yùn)行，電網(wǎng)產(chǎn)生較大波動(dòng)。圖2 是監(jiān)控到電網(wǎng)波動(dòng)畫(huà)面。

圖1 電網(wǎng)電力系統(tǒng)原理示意

圖2 電網(wǎng)波動(dòng)后臺(tái)監(jiān)控畫(huà)面

在電網(wǎng)穩(wěn)定后，將D平臺(tái)VCB103開(kāi)關(guān)和1#組網(wǎng)變壓器投入運(yùn)行，VCB104開(kāi)關(guān)和2#組網(wǎng)變壓器退出運(yùn)行，查找VCB104開(kāi)關(guān)誤合閘原因。

2 故障原因分析

VCB104開(kāi)關(guān)是由西門(mén)子公司提供的8DA10型金屬封閉氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜，綜保裝置采用的是南瑞繼保的PCS-9611D線路保護(hù)裝置，涌流抑制裝置是深圳國(guó)立設(shè)計(jì)的SID-3YL型微機(jī)涌流抑制器。

根據(jù)故障現(xiàn)象，分析故障原因在開(kāi)關(guān)合閘控制回路，開(kāi)關(guān)的合閘回路接線簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 VCB104合閘回路簡(jiǎn)圖

從圖3可以分析出經(jīng)過(guò)涌流抑制器開(kāi)關(guān)合閘條件必須滿足以下3個(gè)條件。

1)Q1的S25觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)。

2)KC1繼電器21、22觸點(diǎn)處于常閉狀態(tài)，即KC1繼電器未動(dòng)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(chǎng)確認(rèn)，Q1的S25觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，KC1繼電器是用于保護(hù)裝置“跳閘保持”信號(hào)擴(kuò)充輔助接點(diǎn)，在復(fù)位按鈕按下前，開(kāi)關(guān)由于低電壓保護(hù)動(dòng)作使得繼電器處于得電狀態(tài)，當(dāng)按下盤(pán)面復(fù)位按鈕后，KC1繼電器的21/22觸點(diǎn)閉合?，F(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)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(jiàn)圖4)得知，JK3-1/JK3-2觸點(diǎn)是裝置合閘出口。

正常經(jīng)涌流合閘操作時(shí)，首先啟動(dòng)合閘命令，然后涌流裝置經(jīng)過(guò)計(jì)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(cè)到受控側(cè)與電源側(cè)均有電壓時(shí)(即該開(kāi)關(guān)上下口均有電)，不會(huì)發(fā)出合閘命令?，F(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)實(shí)際反復(fù)確認(rèn)按下該復(fù)位按鈕不會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)斷路器合閘指令，也未發(fā)現(xiàn)合閘回路中有其他接線錯(cuò)誤問(wèn)題，隨后將開(kāi)關(guān)處于隔離位置，模擬相同的狀況操作幾次，未出現(xiàn)自動(dòng)合閘情況。后來(lái)，經(jīng)仔細(xì)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(biāo)注了“+”“-”字樣，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量合閘電源為交流。為此與涌流裝置設(shè)計(jì)人員溝通，確認(rèn)該出口內(nèi)部結(jié)構(gòu)是電力MOSFET管，必須采用直流電源，而且正負(fù)極不能接反，如果采用交流電源，該合閘出口有可能處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此確定開(kāi)關(guān)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(guò)整改后測(cè)試，開(kāi)關(guān)再也未出現(xiàn)自動(dòng)合閘情況，而且在該開(kāi)關(guān)上下口均帶電情況，涌流抑制裝置不會(huì)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(chǎng)效應(yīng)管又名電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管[4]，分為結(jié)型和絕緣柵型，通常主要指絕緣柵型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)，簡(jiǎn)稱電力MOSFET(Power MOSFET)。電力MOSFET有3個(gè)極：門(mén)極G、源極S、漏極D，見(jiàn)圖5。

圖5 電力MOSFET結(jié)構(gòu)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(mén)極電壓的高低。電力MOSFET的輸入電阻非常高，達(dá)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(dǎo)電，無(wú)固有存儲(chǔ)時(shí)間，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率可以超過(guò)100 kHz。

當(dāng)門(mén)極電壓為0(UGS)時(shí)，漏極與源極之間存在著2個(gè)方向的相反的PN結(jié)，所以即使在漏源極間施加正向電壓，器件也不會(huì)導(dǎo)通。

當(dāng)門(mén)極G上有正向電壓(UGS>0)時(shí)，門(mén)極的正電荷會(huì)將P基片中的少數(shù)載流子——電子吸引到門(mén)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(fù)電荷區(qū)，硅的表面層由P型變成N型，新增一個(gè)N溝道，N溝道中的電子與2個(gè)N+區(qū)中的電子連成一片。如果此時(shí)在漏源極之間施加正向電壓UDS，則從源極發(fā)出的電子會(huì)順利經(jīng)過(guò)源區(qū)——N溝道——漏區(qū)進(jìn)入漏極，形成漏極電流ID，這樣器件就導(dǎo)通了。

SID-3YL型涌流抑制器合閘出口采用的是電力MOSFET管結(jié)構(gòu)。器件的源極和漏極之間存在著一個(gè)PN結(jié)，因此形成了一個(gè)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(dāng)漏極和源極間加反向電壓時(shí)，由于二極管導(dǎo)通，器件長(zhǎng)期導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)半個(gè)周期導(dǎo)通，半個(gè)周期截止，就是每秒鐘斷路器接收到出口信號(hào)50次，某種意義上出口是一直導(dǎo)通的。

4 結(jié)論

高壓開(kāi)關(guān)柜用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中，主要起通斷、控制或保護(hù)等作用，35 kV目前在渤海油田電壓等級(jí)最高，35 kV系統(tǒng)上的開(kāi)關(guān)直接關(guān)系著所在油田電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)出現(xiàn)誤合閘的原因很多，如人為誤操作、盤(pán)內(nèi)接線松動(dòng)、盤(pán)內(nèi)有雜物、合閘回路與設(shè)計(jì)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)?lái)很大困難。通過(guò)分析與總結(jié)，現(xiàn)針對(duì)設(shè)計(jì)、施工調(diào)試等方面提出防范措施。

1)開(kāi)關(guān)柜二次回路設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與盤(pán)內(nèi)器件廠家人員溝通，充分了解器件的工作原理和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)審核人員應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙嚴(yán)格審查和把關(guān)，從源頭上杜絕這類錯(cuò)誤問(wèn)題的產(chǎn)生，避免對(duì)客戶造成不必要的損失。

2)施工人員在施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙接線，接線過(guò)程遇到有新元器件應(yīng)積極與設(shè)計(jì)人員溝通，并有專人檢查和復(fù)核，確認(rèn)盤(pán)柜接線與圖紙一致[5]。

3)調(diào)試人員應(yīng)當(dāng)充分掌握盤(pán)內(nèi)元器件的工作原理和操作方法，調(diào)試前應(yīng)參照相關(guān)器件技術(shù)說(shuō)明書(shū)、圖紙及相關(guān)規(guī)范，對(duì)盤(pán)內(nèi)接線進(jìn)行復(fù)查。調(diào)試過(guò)程中嚴(yán)格按照調(diào)試步驟和計(jì)劃工作內(nèi)容進(jìn)行，避免有檢查和調(diào)試漏項(xiàng)情況。

4)運(yùn)行人員在開(kāi)關(guān)發(fā)生故障后，應(yīng)當(dāng)首先操作開(kāi)關(guān)隔離，避免電力系統(tǒng)受影響范圍擴(kuò)大。

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

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

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

[4] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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

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[7] 中國(guó)船級(jí)社.海上固定平臺(tái)入級(jí)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(xué)士，助理工程師

研究方向：海上油田電力系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)