伊拉克某油田電網(wǎng)增強(qiáng)穩(wěn)定性的分析和探索

中國海油伊拉克有限公司

油田電網(wǎng)服務(wù)主體為天然氣、原油、水處理廠，以及脫氣站、潛油電泵井、注水泵、生活設(shè)施等。穩(wěn)定運(yùn)行的電網(wǎng)與油田持續(xù)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。由于地理位置、環(huán)境氣候的不同，電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的因素也多有差異。油田多處于人跡稀少的空曠地帶，特別是中東地區(qū)多是半沙漠化狀態(tài)，高溫、灰塵、大風(fēng)、雷電、野生動(dòng)物、飛鳥等是影響電網(wǎng)不穩(wěn)定的主要因素。因此，在進(jìn)行油田電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮地區(qū)實(shí)際狀態(tài)，采取針對(duì)性措施以增加電網(wǎng)的可靠性。

1 油田電網(wǎng)現(xiàn)狀

位于中東地區(qū)的伊拉克某油田，有33 kV架空電網(wǎng)已服役接近40 年，并且常年沒有維護(hù)。鋼芯鋁絞線（ACSR）斷股、陶瓷絕緣子污化和裂化、塔體鋼結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重，已經(jīng)沒有維修價(jià)值。中方企業(yè)接管油田后，已將所有生產(chǎn)負(fù)荷從舊架空電網(wǎng)剝離，但一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民用電仍然還需要該電網(wǎng)支持。近年來，油田開始逐步引入潛油電泵（ESP）作為單井生產(chǎn)主體設(shè)備，為滿足電力需求，油田新建了132 kV 與33 kV 架空電網(wǎng)。油田33 kV和132 kV架空電網(wǎng)單線如圖1、圖2所示。

圖1 油田北區(qū)33 kV架空電網(wǎng)單線Fig.1 Single line for 33 kV overhead power grid at north area of oilfield

圖2 油田南區(qū)132 kV架空電網(wǎng)單線Fig.2 Single line for 132 kV overhead power grid at south area of oilfield

2 影響油田電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要因素

黃緒勇等[1]根據(jù)3 年的鳥害故障歷史數(shù)據(jù)、地理特征以及桿塔結(jié)構(gòu)，建立鳥害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證。王永昆等[2]根據(jù)2007年以來的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析了不同電壓等級(jí)下鳥類引起架空線路故障的主要特點(diǎn)，并提出了鳥害分布圖量化繪制方法。參考以上統(tǒng)計(jì)方法，通過現(xiàn)場勘查，并對(duì)2019 年三個(gè)月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖3），可以看出，導(dǎo)致油田電網(wǎng)故障的直接原因中，雷電引起的故障不到總體的19%，飛鳥引起的故障占所有故障的73%，考慮到未確認(rèn)的9%也有很大概率是飛鳥引起，鳥害故障幾乎占到電網(wǎng)故障的80%以上。而鳥害主要發(fā)生在架空線塔并聯(lián)間隙（招弧角）、支線刀閘、井場內(nèi)H桿、井場內(nèi)變壓器等部位。

圖3 故障類型占比統(tǒng)計(jì)Fig.3 Fault type ratio statistics

2.1 架空線塔并聯(lián)間隙

并聯(lián)間隙的使用可以在一定程度上減少設(shè)備受雷電襲擊造成的傷害，降低線路跳閘事故率，但油田區(qū)域空曠，幾乎沒有樹木生長，新建架空線塔成為了鳥類的最佳歇息地點(diǎn)。據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀察，鳥類在架空線上，特別是在飛越并聯(lián)間隙或者在附近活動(dòng)時(shí)，極易引起并聯(lián)間隙擊穿放電，從而引發(fā)單相接地短路而造成故障跳閘。據(jù)2016 年以來數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該油田70%的鳥害故障發(fā)生在此處。

2.2 支線刀閘

作為有效的隔離手段之一，油田早期架空電網(wǎng)建設(shè)階段，在各主要分支都裝有隔離刀閘。新電網(wǎng)接入時(shí)安裝支線刀閘可有效縮小隔離范圍，減少對(duì)油田生產(chǎn)的影響，但也產(chǎn)生了意想不到的負(fù)面影響。根據(jù)現(xiàn)場勘查，鳥類在此處活動(dòng)時(shí)，會(huì)引起兩種故障，刀閘與架空線連接部分的導(dǎo)線對(duì)地導(dǎo)通，產(chǎn)生單相對(duì)地故障，以及在刀閘兩相間活動(dòng)時(shí)引起兩相短路故障。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，油田電網(wǎng)20%的鳥害故障發(fā)生在此處。

2.3 井場內(nèi)H桿

井場內(nèi)H桿連接架空線與井場變壓器，桿上安裝有刀閘，跌落保險(xiǎn)等。鳥類，特別是諸如鴿子、白鷺等大型鳥類在H桿上活動(dòng)，拍打翅膀時(shí)易引起刀閘和跌落保險(xiǎn)處單相對(duì)地或者兩相短路故障，根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)，油田電網(wǎng)6%的鳥害故障發(fā)生在此處。

2.4 井場內(nèi)變壓器

井場內(nèi)變壓器為井場內(nèi)低壓用戶配電。鳥類以及野貓等動(dòng)物在變壓器上活動(dòng)時(shí)引起變壓器高壓側(cè)進(jìn)線絕緣柱上并聯(lián)間隙短路，或者兩相相間短路，根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)，伊拉克米桑油田電網(wǎng)4%的鳥害故障發(fā)生在該處。

2.5 雷擊故障

雷電一直是電氣行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。油田架空線所在地勢相對(duì)平坦，附近沒有較高的山脊、建筑物、樹木等，雷雨季節(jié)雷暴強(qiáng)度大、閃擊頻繁，對(duì)架空線路的防雷、避雷又增加了挑戰(zhàn)。雷電等引起架空線路絕緣子閃絡(luò)，繼而單相或者相間短路，最終導(dǎo)致斷路器跳閘。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷電故障發(fā)生率占所有瞬時(shí)故障率的18%。

3 增強(qiáng)油田電網(wǎng)穩(wěn)定性的必要性

隨著油田ESP支線電網(wǎng)的擴(kuò)大，上述因素引起的電網(wǎng)故障跳閘次數(shù)越來越多，也越來越頻繁，尤其是春夏季節(jié)，且電網(wǎng)故障跳閘基本上是由瞬時(shí)性故障導(dǎo)致。雖然這些故障跳閘能短時(shí)間恢復(fù)供電，但頻繁的電網(wǎng)故障跳閘已經(jīng)嚴(yán)重影響了油田的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。表1 為2019 年3 月～5 月份的故障統(tǒng)計(jì)記錄。

表1 2019年3月～5月份故障統(tǒng)計(jì)Tab.1 Fault statistics from March 2019 to May 2019

由表1可知，頻繁故障跳閘已經(jīng)嚴(yán)重影響了原油產(chǎn)量，采取措施降低油田電網(wǎng)故障跳閘率，增強(qiáng)油田電網(wǎng)穩(wěn)定性已經(jīng)迫在眉睫。

4 增強(qiáng)油田電網(wǎng)穩(wěn)定性的探索

孫寧[5]考慮到油田地域范圍廣、南北架空線路距離長、故障點(diǎn)分布不集中、故障的根除不能短時(shí)間解決等因素，并結(jié)合現(xiàn)有條件進(jìn)行治理，以達(dá)到最大限度減少電網(wǎng)故障對(duì)油田生產(chǎn)影響的目的。確定了從兩方面探索增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的工作思路，即從電網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)角度考慮縮小故障影響時(shí)間和范圍的可行性；根據(jù)已經(jīng)掌握的影響油田電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要因素采取有針對(duì)性且現(xiàn)場易于實(shí)施的治理措施。

4.1 縮短故障影響時(shí)間

油田架空電網(wǎng)由南區(qū)4套、北區(qū)12套VCB（真空斷路器）分別進(jìn)行電源控制?？紤]到現(xiàn)場故障多為瞬時(shí)性，故障過后即可馬上恢復(fù)合閘，而南北區(qū)域VCB 布置分散，每次故障跳閘后再次合閘需要較長時(shí)間，影響生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)率。連鴻波等[6]通過對(duì)小電流接地電網(wǎng)的數(shù)據(jù)整理，特別是對(duì)該電網(wǎng)中瞬時(shí)故障的詳細(xì)分析，提出了在小電流接地系統(tǒng)中引入面向單相接地故障的自動(dòng)重合閘技術(shù)。油田電力系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，現(xiàn)場配置西門子33 kV VCB 控制器7SJ82，經(jīng)過研究，依據(jù)廠方資料SIPROTEC 5 Overcurrent Protection 7SJ82/7SJ85，激活現(xiàn)場VCB 自動(dòng)重合閘功能，并對(duì)重合閘參數(shù)進(jìn)行核算和研究，實(shí)現(xiàn)斷電后1 次自動(dòng)重合閘功能，從而最大限度地縮短故障影響時(shí)間。對(duì)現(xiàn)場VCB作以下設(shè)置：

通過現(xiàn)場VCB 重合閘功能的激活和實(shí)現(xiàn)，可以使故障停電到恢復(fù)供電的時(shí)間由原來的平均2 h縮短到5 min，此措施不增加任何投資，可在每次發(fā)生故障時(shí)減少約2×104bbl原油損失。

4.2 減小故障影響范圍

油田配電網(wǎng)距離長、分支多、故障點(diǎn)查找時(shí)間長，根據(jù)油田自身特點(diǎn)，為限制故障影響范圍，快速切除故障所在的區(qū)域，采取保護(hù)定值設(shè)置措施限制各級(jí)開關(guān)越級(jí)跳閘[7]。據(jù)北區(qū)架空線單線圖，從電廠33 kV 母線開關(guān)柜AH07 到油田北部區(qū)域負(fù)荷由三級(jí)開關(guān)控制，表2和表3為從電廠到北區(qū)33 kV母線出線開關(guān)AH07，以及BUN 地區(qū)VCB-CPN 和VCB-BUN08 開關(guān)的保護(hù)定值。經(jīng)過繼電保護(hù)定值的優(yōu)化，可大大縮短故障切除時(shí)間，降低由接地引起的原油減產(chǎn)損失。

4.3 減少故障跳閘次數(shù)

根據(jù)油田電網(wǎng)故障多為瞬時(shí)故障，且單相接地占比為72%的特點(diǎn)，減少故障跳閘次數(shù)的主要思路如下：

（1）油田電網(wǎng)為中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)文件，電網(wǎng)最大可以承受120 A接地電流10 s。嘗試將架空線路接地過電流保護(hù)時(shí)間延長，使電力系統(tǒng)在許可范圍內(nèi)短時(shí)間帶故障運(yùn)行，直到瞬時(shí)故障自動(dòng)滅弧和故障消除，從而減少不必要的生產(chǎn)關(guān)停，但最終測試到3 s，無法有效規(guī)避故障。表明一旦相線與地之間形成回路，即使接地原因消除，但該回路因?yàn)榻拥匾痣娀o法自行熄滅，必須切斷電源以熄滅電弧。

表2 AH07保護(hù)定值Tab.2 Protection value for AH07

（2）探索特殊情況下，油田33 kV 架空電網(wǎng)可否由中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地改為不接地系統(tǒng)，以使單相接地時(shí)系統(tǒng)可以短時(shí)不跳閘持續(xù)運(yùn)行。

油田單塔單回架空線路長度約170 km，按照經(jīng)驗(yàn)公式粗略估算電容電流為15.147 A。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》[8]第3.1.2條的規(guī)定，35 kV、66 kV 架空線路系統(tǒng)電容電流大于10 A 時(shí)，應(yīng)采用消弧線圈接地系統(tǒng)。

綜上，33 kV 架空電網(wǎng)改為三相不接地系統(tǒng)缺乏理論依據(jù)，該油田33 kV架空電網(wǎng)不適合改三相不接地系統(tǒng)，不適合用該方法減少故障跳閘次數(shù)。

4.4 針對(duì)故障源頭的治理措施

根據(jù)油田電網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，雷電引起的故障為18%，鳥害故障占80%以上，所以，故障處理的重點(diǎn)是鳥害。針對(duì)鳥害和雷電故障的具體治理措施包括：

（1）針對(duì)架空線塔并聯(lián)間隙部位的鳥害治理。伊拉克油田33 kV線路鐵塔是大量群鳥集聚地，鳥群在并聯(lián)間隙周圍飛過時(shí)易造成瞬間接地故障。在每次接地故障后巡線中幾乎都能發(fā)現(xiàn)電擊死亡的鳥尸體。王樹軍等[9]以及陳雪琨等[10]指出并聯(lián)間隙的使用可以減少雷電襲擊的傷害，降低線路跳閘事故率，但會(huì)造成跳閘次數(shù)增多。另根據(jù)GB 50061—2010《66 kV 及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]第三節(jié)建議棒式并聯(lián)間隙一般只在66 kV線路使用。

油田井場布置相對(duì)密集（井場間距100～1 000 m不等），各個(gè)井場已經(jīng)安裝避雷器，且架空線又有避雷線，均可有效提供防雷保護(hù)。為提高油田供電可靠性，穩(wěn)定油田原油生產(chǎn)，將已經(jīng)安裝的架空線塔上的并聯(lián)間隙全部拆除，拆除后的并聯(lián)間隙可以明顯看到有放電痕跡。對(duì)于新建架空線路桿塔不再設(shè)計(jì)并聯(lián)間隙，從根本上消除該故障隱患。

并聯(lián)間隙的拆除大都在油田停產(chǎn)檢修時(shí)段進(jìn)行，所以工作本身并未造成油田產(chǎn)量損失。線塔最高處17 m，施工中需要用到的也只是升降車與一般人力。本項(xiàng)工作本身投入不高，但對(duì)油田穩(wěn)定性的提升卻效果顯著。

（2）針對(duì)支線刀閘部位的鳥害治理。隨著油田電網(wǎng)建設(shè)不斷完善，油田主體架空網(wǎng)絡(luò)已逐步成型，支線刀閘的隔離功能逐漸被各環(huán)路電網(wǎng)上的VCB取代，因此新建電網(wǎng)不再設(shè)計(jì)支線刀閘，在已經(jīng)安裝運(yùn)行的支線刀閘部位安裝驅(qū)鳥設(shè)施。

（3）針對(duì)井場內(nèi)H桿部位的鳥害治理。對(duì)已經(jīng)建設(shè)完成的井場，新安裝旋轉(zhuǎn)式和聲光驅(qū)鳥器；對(duì)新建井場項(xiàng)目，除安裝旋轉(zhuǎn)式和聲光驅(qū)鳥器外，對(duì)H 桿及其附屬電力設(shè)備也做了優(yōu)化。根據(jù)國標(biāo)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定[8]，刀閘兩相間抗擊雷電過電壓的最小電氣間距應(yīng)為450 mm，但是考慮到該部位引起的的危害多為鳥類飛行掠過時(shí)雙翅在單相對(duì)地或者兩相間引起的短路，而該地區(qū)以石雀（翼展約28～32 cm），斑鳩（翼展約47～55 cm），鴿子（翼展約50～60 cm）為主，因此新裝H 桿兩桿間跨距由原來的2.5 m 增加到3 m，新裝刀閘兩相間距由原設(shè)計(jì)的50 cm 增加到70 cm，新裝跌落保險(xiǎn)安裝間距由50 cm增加到70 cm。

根據(jù)與承包商協(xié)商結(jié)果，H桿以及所屬部件設(shè)計(jì)的優(yōu)化并不需要增加項(xiàng)目費(fèi)用。

（4）針對(duì)井場內(nèi)變壓器部位的鳥害治理。對(duì)已經(jīng)建設(shè)完成的井場內(nèi)變壓器部位安裝旋轉(zhuǎn)和聲光驅(qū)鳥器，并拆除變壓器并聯(lián)間隙；對(duì)新建井場內(nèi)變壓器項(xiàng)目，除采取以上措施外，再對(duì)變壓器高壓側(cè)接線柱加裝絕緣護(hù)套。按照油田所在地區(qū)市場價(jià)格，驅(qū)鳥器采購、安裝成本每套不超過200美元，而大多數(shù)油井日產(chǎn)量都在2 000 bbl以上，相對(duì)于減少的產(chǎn)量損失，驅(qū)鳥器的施工成本可以忽略不計(jì)。

（5）針對(duì)雷擊的治理。雷擊一直是造成架空電網(wǎng)故障跳閘的疑難因素，油田有33 kV架空電網(wǎng)服役時(shí)間久且常年沒有維護(hù)，幾乎沒有防雷措施，抗雷效果差，故障頻繁，且輸電能力也不能滿足油田生產(chǎn)需求，因此，從2016 年起，已經(jīng)在逐步建設(shè)新架空線并淘汰舊架空線。截至2019 年底，油田所有生產(chǎn)負(fù)荷都已由新建架空線路供電。

對(duì)于新建架空線路的防雷，已經(jīng)采取了全線鋪設(shè)避雷線，且所有架空線節(jié)點(diǎn)VCB 和井場內(nèi)部變壓器上游都裝有氧化鋅避雷器等措施，但是油田沒有雷電強(qiáng)度密度等官方數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)上能針對(duì)性采取的防雷措施有限。為給后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并盡可能地減少雷電危害，后期新建架空線路計(jì)劃采取措施如下：

考慮到相對(duì)架空線路絕緣子價(jià)格不高，為增強(qiáng)新建項(xiàng)目架空線的絕緣水平，計(jì)劃后期施工中將每串絕緣子的片數(shù)由3 片增加到4 片；計(jì)劃后期在所有避雷器上安裝計(jì)數(shù)器，以便于對(duì)雷電頻繁影響區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為以后同類工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

5 治理效果評(píng)估

上述油田電網(wǎng)故障治理措施取得了明顯效果，圖4 是對(duì)治理前后的2019 年和2020 年同月份故障跳閘次數(shù)的對(duì)比。由圖4可知，電網(wǎng)整體故障次數(shù)下降明顯。

圖4 治理前后故障跳閘次數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of fault trip times before and after modification

6 結(jié)論

油田電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到油田的穩(wěn)定生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。伊拉克某油田33 kV和132 kV電網(wǎng)頻繁故障跳閘的原因分析和故障治理結(jié)果表明，通過對(duì)現(xiàn)場VCB 自動(dòng)重合閘功能設(shè)置以縮短故障影響時(shí)間，采取保護(hù)定值設(shè)置措施限制各級(jí)開關(guān)越級(jí)跳閘以減小故障影響范圍，以及針對(duì)不同部位鳥害、雷擊的具體治理措施均取得了明顯效果，同類電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)人員可以借鑒參考。