淺談海洋油氣田電力系統(tǒng)供電安全措施

李璇 張曉宇 丁洪霞 杜銀昌 許建奎

摘要：從設(shè)計(jì)角度分析了海洋油氣田電力系統(tǒng)供電安全方面存在的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目案例提出了相關(guān)問(wèn)題的解決方案，對(duì)于未來(lái)海上油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中電力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供了可參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：海洋油氣田;電力系統(tǒng);供電安全

1 ? ?海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)特點(diǎn)

安全、可靠的電能是海洋油氣田開(kāi)發(fā)的重要電力保障。海洋石油平臺(tái)電力系統(tǒng)受海洋環(huán)境和服務(wù)行業(yè)的影響，其電力系統(tǒng)構(gòu)成、電壓等級(jí)、電站的總裝機(jī)容量以及電氣設(shè)備和負(fù)載的種類與性質(zhì)都與陸地有很大的差別。海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：

（1）為集發(fā)電、變電、輸電、配電于一體的孤立電網(wǎng);

（2）單機(jī)容量和總裝機(jī)容量都比較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸地電網(wǎng);

（3）供電電壓較低，輸電距離較短;

（4）發(fā)電機(jī)出線與母線直接連接，多臺(tái)發(fā)電機(jī)共母線運(yùn)行;

（5）電力輸送主要通過(guò)電纜傳輸，輸電線路的對(duì)地電容較大;

（6）相對(duì)于主發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)、變壓器容量較大，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降大，變壓器空投時(shí)勵(lì)磁涌流高。

2 ? ?海洋平臺(tái)供電安全存在的問(wèn)題

隨著海洋石油“深水戰(zhàn)略”和“二次跨越”的實(shí)施，海洋油氣田開(kāi)發(fā)的步伐不斷加快，海上平臺(tái)電力系統(tǒng)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，逐步由過(guò)去單個(gè)平臺(tái)的小型電站發(fā)展為目前集發(fā)電、變電、輸電、配電于一體的較大的電力網(wǎng)，逐步由過(guò)去單個(gè)平臺(tái)的孤立電站發(fā)展為目前多個(gè)平臺(tái)間互聯(lián)以至整個(gè)油田群組網(wǎng)的較為復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前，海洋油氣田電力系統(tǒng)單機(jī)容量、電站總?cè)萘坎粩嗵岣?，變電變壓器的功率不斷增大，電壓等?jí)越來(lái)越高，輸電距離越來(lái)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。因此，出現(xiàn)了一些影響平臺(tái)供電安全、穩(wěn)定的新情況、新問(wèn)題，例如，短路電流直流分量高造成短路時(shí)斷路器分?jǐn)嗬щy;大容量變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生巨大的勵(lì)磁涌流，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的沖擊。這些問(wèn)題對(duì)海上平臺(tái)電力系統(tǒng)的供電安全和穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響，一旦系統(tǒng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，不但直接影響本平臺(tái)的供電安全，甚至可能使組網(wǎng)運(yùn)行的整個(gè)區(qū)域的電力網(wǎng)供電中斷，造成油田群大面積的停電停產(chǎn)，甚至還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，造成重大財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。

3 ? ?供電安全分析與解決方案

3.1 ? ?短路電流直流分量高

隨著海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)單機(jī)容量和總裝機(jī)容量的不斷提高，中壓系統(tǒng)從短路點(diǎn)計(jì)及的等效電感與電阻之比增大，直流分量衰減時(shí)間加長(zhǎng)，造成中壓系統(tǒng)斷路器開(kāi)斷時(shí)短路電流的直流分量較高，開(kāi)斷困難，這將對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

短路電流直流分量對(duì)斷路器正常分?jǐn)嗄芰Φ挠绊?，主要由以下兩個(gè)方面決定：

（1）直流分量持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，第一個(gè)短路半周波全電流峰值越大，斷路器滅弧過(guò)程中拉弧釋放的能量也越大，導(dǎo)致斷路器開(kāi)斷困難;

（2）直流分量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)零點(diǎn)漂移。通過(guò)計(jì)算，在某些支路上，短路電流較小，但直流分量的存在可能造成短路電流過(guò)零點(diǎn)漂移，更嚴(yán)重的情況是滅弧時(shí)間變長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致電弧不易熄滅。

研究表明，當(dāng)直流分量占短路電流交流分量幅值的比例小于1/5時(shí)，斷路器設(shè)計(jì)選型時(shí)，可只按短路電流交流分量有效值校驗(yàn);當(dāng)直流分量占短路電流交流分量幅值的比例大于20%時(shí)，斷路器的設(shè)計(jì)選型不僅要校驗(yàn)交流分量有效值，還要同時(shí)考慮直流分量百分比的影響。

在進(jìn)行具體的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)，目前，適用于發(fā)電機(jī)出口的斷路器主要有普通真空斷路器、發(fā)電機(jī)出口專用斷路器和快速限流器三種類型，三種斷路器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

實(shí)際選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)際短路計(jì)算值，統(tǒng)籌考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，判斷采用何種短路分?jǐn)嘣O(shè)備。

某海上項(xiàng)目電站設(shè)置三臺(tái)大容量發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口三相短路時(shí)，直流分量高達(dá)60%，普通斷路器根本無(wú)法開(kāi)斷。為解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)首次采用了“3+2”系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即發(fā)電機(jī)出口母線分成三段，各由一臺(tái)發(fā)電機(jī)供電，三段母線之間由兩臺(tái)快速限流器相連。

采用快速限流器后，短路故障發(fā)生時(shí)，快速限流器能在10 ms內(nèi)動(dòng)作，將電力系統(tǒng)快速分割成三個(gè)子網(wǎng)（解列運(yùn)行），從而降低短路電流?？焖傧蘖髌鲃?dòng)作后的短路電流交流分量和直流分量大幅下降，直流分量降至19.6%，斷路器能可靠動(dòng)作。

3.2 ? ?變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流大

海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)，在平臺(tái)主發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)時(shí)，首先開(kāi)啟應(yīng)急發(fā)電機(jī)為主發(fā)電機(jī)的輔機(jī)盤(pán)供電;主機(jī)輔機(jī)得電后，啟動(dòng)主發(fā)電機(jī);主發(fā)電機(jī)運(yùn)行后，投入配電變壓器，將輔機(jī)盤(pán)電源由應(yīng)急發(fā)電機(jī)切換為主發(fā)電機(jī)。此時(shí)，系統(tǒng)僅有單臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，容量較小，變壓器空載投入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，為變壓器額定電流的6～10倍。過(guò)大的勵(lì)磁涌流會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的沖擊，甚至直接造成主發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘，因此，必須對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流加以限制。海上工程項(xiàng)目中普遍采用的涌流抑制方法主要有以下兩種：

（1）采用涌流抑制器限制變壓器的勵(lì)磁涌流。通過(guò)對(duì)變壓器磁通的監(jiān)測(cè)，控制斷路器分合閘角度，從而抑制變壓器勵(lì)磁涌流，避免因勵(lì)磁涌流造成斷路器跳閘。此外，涌流抑制器還具備控制補(bǔ)償功能，可根據(jù)影響斷路器分合閘角度精度的因素動(dòng)態(tài)判定分合閘點(diǎn)以保證涌流抑制效果。通過(guò)使用涌流抑制器，大大提高了變壓器空投的成功率，同時(shí)也提高了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。近期某項(xiàng)目使用了基于三相聯(lián)動(dòng)合閘技術(shù)的涌流抑制裝置，據(jù)該作業(yè)方反饋，應(yīng)用效果較好，可將涌流抑制到較低水平。

（2）采用固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)器啟動(dòng)大容量變壓器。該技術(shù)主要利用固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)器可以控制電壓輸出的原理，使用軟啟動(dòng)器的電壓斜坡功能為變壓器的原邊緩慢提升電壓，通過(guò)原邊電壓的線性升高來(lái)為變壓器充磁，建立工作磁場(chǎng)，在啟動(dòng)過(guò)程中可基于零壓?jiǎn)?dòng)，所以幾乎沒(méi)有沖擊電流出現(xiàn)。該方法具有原理簡(jiǎn)單、計(jì)算快捷、實(shí)用性好等特點(diǎn)，解決了變壓器空載合閘時(shí)因勵(lì)磁涌流過(guò)大合閘失敗的問(wèn)題，并且減少了大電流沖擊造成設(shè)備使用壽命縮短的不良影響，延長(zhǎng)了設(shè)備的正常工作時(shí)間。

3.3 ? ?主發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行問(wèn)題

海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)主要采取集中供電方式，主電站通常設(shè)置幾臺(tái)容量相同的發(fā)電機(jī)組，并通過(guò)海纜或棧橋電纜向附近的其他井口平臺(tái)供電。當(dāng)海洋油氣田平臺(tái)主電站通過(guò)海纜長(zhǎng)距離為其他井口平臺(tái)輸送電力時(shí)，由于海纜線路長(zhǎng)，電壓等級(jí)高，線路容性無(wú)功功率將會(huì)非常大，導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行。這會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)穩(wěn)定性降低，定子端部溫度上升，機(jī)端電壓下降，定子電流增加等一些列問(wèn)題，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的安全和整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為解決長(zhǎng)距離海纜輸電線路電容性無(wú)功功率增大造成的發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行問(wèn)題，經(jīng)廣泛的技術(shù)分析、比較，海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)引入了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG（Static Var Generator）。SVG就地裝設(shè)于電力系統(tǒng)中，可動(dòng)態(tài)地對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)和補(bǔ)償，SVG的功能相當(dāng)于一個(gè)無(wú)功電源，它可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，隨著無(wú)功負(fù)荷的盈虧，自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所需的無(wú)功功率，使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到理想狀態(tài)，從根本上解決了發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的問(wèn)題。SVG具有快速響應(yīng)、運(yùn)行范圍寬、抑制電壓閃變能力強(qiáng)、補(bǔ)償功能多樣化、諧波分量低、占地面積較小等特點(diǎn)。該裝置的使用，很好地解決了系統(tǒng)容性無(wú)功過(guò)大的難題，提高了整個(gè)海上電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了海洋平臺(tái)各種供電安全問(wèn)題：短路電流直流分量高、變壓器空載投入勵(lì)磁涌流大、主發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，并對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目案例提出了相關(guān)問(wèn)題的解決方案，對(duì)于未來(lái)海上油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中電力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)提供了可參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 安曉龍.海油平臺(tái)電力系統(tǒng)短路電流直流分量分析[J].電氣開(kāi)關(guān)，2016，54（2）：13-15.

[2] 張繼芬，胡鵬，劉峻.海上石油平臺(tái)電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2009，36（2）：237-241.

收稿日期：2019-12-18

作者簡(jiǎn)介：李璇（1988—），女，河北人，工程師，從事海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。