海上采油平臺(tái)長(zhǎng)線電纜過(guò)電壓與諧波防護(hù)探索

齊健磊

（中海福陸重工有限公司，廣東 珠海519055）

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效率運(yùn)行，人們通常選擇PWM 變頻器作為電機(jī)調(diào)速設(shè)備。變頻器與電機(jī)間使用的引接電纜長(zhǎng)度根據(jù)距離的長(zhǎng)短進(jìn)行劃分，20m之內(nèi)為近距離；20～100m 為中距離；超過(guò)100m 即為遠(yuǎn)距離。在使用過(guò)程中，電纜長(zhǎng)度與漏電現(xiàn)象的產(chǎn)生呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。在特殊工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，不可避免地要使用長(zhǎng)線電纜連接變頻器和電機(jī)，比如，造紙生產(chǎn)、采礦、石油開(kāi)采等領(lǐng)域內(nèi)，因此，長(zhǎng)線電纜的研究有助于保障生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行，降低生產(chǎn)成本。

2 諧波危害

電網(wǎng)產(chǎn)生諧波會(huì)造成電網(wǎng)污染，導(dǎo)致輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、用電系統(tǒng)出現(xiàn)諸多故障，同時(shí)增加電能損耗。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多非線性設(shè)備的投入使用導(dǎo)致大量諧波電流被注入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響了電能的質(zhì)量，威脅電網(wǎng)本身安全性能的同時(shí)也增加了電能損耗，導(dǎo)致企業(yè)很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的發(fā)展目標(biāo)。在實(shí)際生活中，諧波能夠影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)質(zhì)量，浪費(fèi)電網(wǎng)容量，而且還會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成一定的傷害[1]。諧波還會(huì)使變壓器的銅耗增加，如電阻損耗、導(dǎo)體渦流損耗等，變壓器的鐵耗也會(huì)增大并存在明顯噪聲，在運(yùn)行過(guò)程中甚至?xí)l(fā)出金屬的聲音。在電纜的運(yùn)行過(guò)程中，電纜的電阻、線路的感抗、系統(tǒng)串聯(lián)等因素都會(huì)產(chǎn)生諧波。

3 海上采油平臺(tái)長(zhǎng)線電纜計(jì)算

3.1 模型分析

以QYEQX6 三芯乙丙橡膠絕緣潛油泵扁形電力電纜為主要的研究對(duì)象，其中，電纜參數(shù)如表1 所示。

表1 QYEQX6 三芯乙丙橡膠絕緣潛油泵扁形電力電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

其中，輸入電壓為1kV，采用PSCAD/EMTDC 建立仿真系統(tǒng)模型，模型建設(shè)完成后，根據(jù)不同的情況進(jìn)行仿真分析，針對(duì)電機(jī)、電纜接頭端電壓、電流等，仿真系統(tǒng)可以根據(jù)模型參數(shù)的需要而改變。在本次研究過(guò)程中，整個(gè)潛油電泵系統(tǒng)并沒(méi)有安裝濾波裝置，實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，電纜接頭為燒毀事故的常發(fā)地點(diǎn)，因此，可以初步判斷長(zhǎng)線電纜與引接電纜之間的特性抗阻存在差別，因此產(chǎn)生過(guò)電壓[2]。

3.2 結(jié)果分析

分別調(diào)整變頻器整流輸入側(cè)電壓、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓、電動(dòng)機(jī)電壓之后，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，如表2 所示。

表2 PWM 脈沖過(guò)電壓計(jì)算涉及參數(shù)

基于上述參數(shù)，得出結(jié)算結(jié)果。在長(zhǎng)線電纜和引接電纜的接頭處，最大電壓達(dá)到3 283V，潛油電機(jī)端的最大電壓值為3 585V，逆變器的輸出電壓為1 450V。通過(guò)計(jì)算得出電纜接頭位置和潛油電機(jī)端的過(guò)電壓數(shù)值，二者之間的過(guò)電壓倍數(shù)分別為2.26 倍、2.47 倍。

通過(guò)計(jì)算可知，在電纜接頭位置和潛油電機(jī)端，兩者的過(guò)電壓位置處存在嚴(yán)重的諧波現(xiàn)象，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 電纜接頭處與潛油電機(jī)端的過(guò)電壓諧波總畸變率

根據(jù)上述分析，得出電纜燒毀的主要原因：該潛油電泵系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中使用量電平變頻器，而且在使用過(guò)程中沒(méi)有安裝任何濾波裝置，導(dǎo)致變頻器輸出電壓在長(zhǎng)線電纜和引接電纜的接頭位置出產(chǎn)生了超過(guò)2 倍以上的過(guò)電壓，而且計(jì)算發(fā)現(xiàn)電纜的THD 均高于80%。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要采取合理的措施保護(hù)電纜絕緣性能，特別是在石油等領(lǐng)域的開(kāi)采工作中，電纜處于在海底高溫環(huán)境中，甚至處于高壓狀態(tài)下，高溫、高壓、過(guò)電壓、高頻諧波等的長(zhǎng)期作用會(huì)腐蝕電纜的絕緣性能，導(dǎo)致電纜的絕緣性能逐漸降低。尤其是長(zhǎng)線電纜和引接電纜運(yùn)行的過(guò)程中，長(zhǎng)期的過(guò)電壓和高頻諧波的環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致電纜接頭位置的絕緣性能被快速損耗，很容易發(fā)生自爆現(xiàn)象，影響石油生產(chǎn)。

4 海上采油平臺(tái)長(zhǎng)線電纜過(guò)電壓與諧波防護(hù)途徑

4.1 變頻器電路結(jié)構(gòu)

用PWM 通用變頻器、電壓源型交-直-交變頻器、二極管不可控三相橋式整流電路，2 個(gè)串聯(lián)大容量電解電容、逆變器為IGBT 智能功率模塊Intelligent Power Module、全數(shù)字控制方式；運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理器——TMS320F2407 型微處理器。三相整流橋選擇國(guó)產(chǎn)設(shè)備，耐壓值為1 200V。直流環(huán)節(jié)使用4 個(gè)電解電容串并聯(lián)，當(dāng)變頻器合閘后電容電流變大，會(huì)破壞三相整流橋的二極管，可以在直流環(huán)節(jié)當(dāng)中串入限流電阻來(lái)保護(hù)整流橋。當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到設(shè)定值后，閉合繼電器，限流電阻被短路。配置快速熔斷器是為了保護(hù)整流器和逆變器，一旦逆變器發(fā)生短路故障能夠及時(shí)短路，PWM 選擇三菱電機(jī)公司的智能功率。

4.2 變頻器調(diào)制方法

SPWM 技術(shù)能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)和逆變器作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，使異步電機(jī)的輸入量最大程度接近正弦波值，這樣就可以讓被控電動(dòng)機(jī)獲得恒定的幅值，形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在計(jì)算過(guò)程中，將PWM 逆變器修改成為SVPWM 元件，其他參數(shù)保持不變，將其進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。對(duì)比二者的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用調(diào)制方式能夠明顯降低電纜中高次諧波的輸出量，進(jìn)而降低過(guò)電壓的倍數(shù)，相對(duì)應(yīng)提高了變頻器輸出電壓的基波比例。

4.3 濾波裝置

為抑制PWM 變頻器通過(guò)長(zhǎng)線電纜傳輸電流時(shí)產(chǎn)生的高頻電壓，建議選擇使用變頻器端輸出端濾波器。對(duì)于設(shè)計(jì)好的低通濾波器，設(shè)定截止頻率、濾波電感、濾波電容、阻尼電容，設(shè)計(jì)完畢之后得出仿真結(jié)果圖，運(yùn)用在試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示電壓值明顯減弱，證明濾波器能夠?qū)ο到y(tǒng)電壓起到抑制作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文中分析了長(zhǎng)線電纜過(guò)電壓產(chǎn)生的主要原因，對(duì)其進(jìn)行了具體分析，并設(shè)計(jì)了濾波裝置。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，可以借助仿真和調(diào)試手段驗(yàn)證濾波器抑制過(guò)電壓的方案，并且將其運(yùn)用在實(shí)際工程中。