海洋平臺(tái)小型電網(wǎng)擴(kuò)容方案的優(yōu)選及應(yīng)用

金 秋，戴國(guó)華，薄 昭，陳建玲，魯 凱

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300459）

0 引 言

合理的供電方案是油田開(kāi)發(fā)的重要用電保障。隨著海上老油田周邊區(qū)塊的滾動(dòng)開(kāi)發(fā)、老油田自身新鉆調(diào)整井和大泵提液等一系列開(kāi)發(fā)措施的施行，老油田原有的電網(wǎng)供電能力已不能滿足新增負(fù)荷的需求，對(duì)老油田進(jìn)行電網(wǎng)擴(kuò)容勢(shì)在必行。在進(jìn)行電網(wǎng)擴(kuò)容時(shí)，需保證新增電能安全、高效、經(jīng)濟(jì)地接入老油田原有電網(wǎng)。本文以渤海油田某海上平臺(tái)小型電網(wǎng)擴(kuò)容改造工程為例，對(duì)通過(guò)高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)與通過(guò)中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，確定通過(guò)中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的方案費(fèi)用較低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。此外，詳細(xì)研究采用6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案時(shí)存在的老平臺(tái)中壓母排運(yùn)行電流超限、單相接地電容電流超限、低壓母排短路電流超限和老平臺(tái)改造空間受限等問(wèn)題及其解決方法，為我國(guó)海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)擴(kuò)容項(xiàng)目的開(kāi)展提供參考。

渤海某油田計(jì)劃新建一座4腿無(wú)人井口平臺(tái)D和一座動(dòng)力平臺(tái)E，擬建動(dòng)力平臺(tái)E與已建平臺(tái)B棧橋連接，平臺(tái)位置示意圖見(jiàn)圖1。在新建動(dòng)力平臺(tái)E上布置2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)出力2 850 kW的電站，用于彌補(bǔ)新建項(xiàng)目負(fù)荷和老平臺(tái)負(fù)荷缺口，其中：已建平臺(tái)A上有2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)出力2 850 kW的電站；已建平臺(tái)B上有1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)出力3 850 kW的電站；已建平臺(tái)C為無(wú)人平臺(tái)。原電網(wǎng)通過(guò)35 kV海纜組網(wǎng)。電網(wǎng)情況見(jiàn)表1。

圖1 平臺(tái)位置示意圖

表1 電網(wǎng)情況

1 方案優(yōu)選

由于擬建動(dòng)力平臺(tái)E與已建平臺(tái)B是通過(guò)棧橋連接的，而已建平臺(tái)B的中壓系統(tǒng)電壓為6.3 kV，高壓系統(tǒng)電壓為35 kV，因此新增2臺(tái)電站與原電網(wǎng)有2種并網(wǎng)方案，分別為通過(guò)高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)和通過(guò)中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)。

1）通過(guò)高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案：擬建動(dòng)力平臺(tái)E上的2臺(tái)電站通過(guò)2臺(tái)4 000 kVA、3.3 kV／35 kV的并網(wǎng)變壓器將電壓升至35 kV，其中一路35 kV線路通過(guò)棧橋連接至B平臺(tái)的35 kV母排上，與原電網(wǎng)并網(wǎng)，另外通過(guò)一路35 kV線路給擬建平臺(tái)D供電。該并網(wǎng)方案示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 通過(guò)高壓35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案示意圖

2）通過(guò)中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案：從擬建動(dòng)力平臺(tái)E的6.3 kV中壓母排開(kāi)始鋪設(shè)一條高壓電纜，通過(guò)棧橋連接至已建平臺(tái)B的6.3 kV中壓母排上，與原電網(wǎng)并網(wǎng)。擬建動(dòng)力平臺(tái)E通過(guò)一路6.3 kV線路，經(jīng)6.3 kV／10.5 kV隔離變壓器給擬建平臺(tái)D供電。該并網(wǎng)方案示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 通過(guò)中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案示意圖

由于各擬建平臺(tái)內(nèi)部的配電方案基本一致，因此主要考慮不同并網(wǎng)方案下新增并網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量、重量、尺寸、費(fèi)用及其對(duì)已建平臺(tái)B的影響。35 kV并網(wǎng)方案與6.3 kV并網(wǎng)方案的主要設(shè)備對(duì)比見(jiàn)表2。從表2中可看出，6.3 kV并網(wǎng)方案設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，費(fèi)用低，能最大程度地簡(jiǎn)化平臺(tái)E的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

表2 2種并網(wǎng)方案的主要設(shè)備對(duì)比

通過(guò)分析可知：

1）35 kV并網(wǎng)方案的主要優(yōu)點(diǎn)為：已建平臺(tái)B與擬建平臺(tái)E的中低壓系統(tǒng)之間的相互影響較小，具有一定的獨(dú)立性；改造方案簡(jiǎn)單，僅需改造平臺(tái)B上的一面高壓開(kāi)關(guān)柜；后期校核工作量較小，無(wú)需單獨(dú)校核平臺(tái)B的電力系統(tǒng)的電容電流、潮流和短路電流等。35 kV并網(wǎng)方案的主要缺點(diǎn)為：新增設(shè)備數(shù)量多，重量重，占地面積大，投資高，后期維護(hù)工作量大。

2）6.3 kV并網(wǎng)方案的主要優(yōu)點(diǎn)為：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，擬建平臺(tái)E上無(wú)組網(wǎng)變壓器、接地電阻、高壓配電柜和組網(wǎng)變壓器軟啟器等，僅新增1臺(tái)6.3 kV／10.5 kV隔離變壓器，用于給擬建平臺(tái)D供電，電氣設(shè)備少，重量輕，電氣間面積小，投資低，后期維護(hù)工作量小。6.3 kV并網(wǎng)方案的主要缺點(diǎn)為：平臺(tái)B的中壓母排運(yùn)行電流超過(guò)其額定工作電流；平臺(tái)B的低壓母排短路電流超過(guò)其額定短路電流；系統(tǒng)中壓母排電容電流超過(guò)4 A，從而需改變平臺(tái)B中壓系統(tǒng)的接地方式；平臺(tái)B的電氣房間無(wú)空間或備用中壓盤柜用于安置組網(wǎng)設(shè)備。

2 應(yīng)用研究

雖然6.3 kV并網(wǎng)方案具有設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但該方案可能存在運(yùn)行電流超限、短路電流超限、電容電流超限和改造空間受限等諸多問(wèn)題，需予以解決。下面通過(guò)理論分析和建模計(jì)算證明6.3 kV并網(wǎng)方案切實(shí)可行，實(shí)現(xiàn)該方案的實(shí)際應(yīng)用。

2.1 老平臺(tái)中壓母排運(yùn)行電流超限

擬建動(dòng)力平臺(tái)E與已建平臺(tái)B通過(guò)6.3 kV中壓系統(tǒng)并網(wǎng)之后，6.3 kV中壓母排上的發(fā)電機(jī)由之前的1臺(tái)增加為3臺(tái)，分別是已建平臺(tái)B上的1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)出力為3 850 kW的發(fā)電機(jī)和擬建平臺(tái)E上的2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)出力為2 850 kW的發(fā)電機(jī)。當(dāng)這3臺(tái)發(fā)電機(jī)全開(kāi)，且其出力達(dá)到最大時(shí)，已建平臺(tái)B的6.3 kV中壓母排運(yùn)行電流可能達(dá)到1 095 A，超過(guò)了平臺(tái)B的6.3 kV母排的額定電流。表3為并網(wǎng)后6.3 kV母排最大電流。

表3 并網(wǎng)后6.3 kV母排最大電流

擬建平臺(tái)E的中壓母排額定電流可選1 250 A，而已建平臺(tái)B的中壓母排當(dāng)前不具備更換條件（若更換，涉及較長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)），需考慮其他方法。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，只要平臺(tái)E的用電負(fù)荷大于1 000 kW，通過(guò)平臺(tái)E的中壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)傳輸給平臺(tái)B的電流不會(huì)超過(guò)540 A，平臺(tái)B的中壓母排運(yùn)行電流不會(huì)超過(guò)1 000 A。因此，由平臺(tái)E直接給平臺(tái)D供電，2個(gè)平臺(tái)的最小計(jì)算負(fù)荷為1 674 kW，大于1 000 kW，從而保證平臺(tái)B的中壓母排上的最大電流在任何情況下都不超過(guò)1 000 A。同理，只要平臺(tái)A的用電負(fù)荷不小于1 000 kW，平臺(tái)B的中壓母排電流也不會(huì)超限。從負(fù)荷計(jì)算書(shū)中可發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)A的最小負(fù)荷為1 810 kW，遠(yuǎn)大于1 000 kW，也不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行電流超限的問(wèn)題。通過(guò)ETAP軟件進(jìn)行潮流仿真，可更加直觀地觀察到母排上電流的分配，見(jiàn)圖4。

圖4 6.3 kV母排電流仿真示意圖

從圖4中可看出，在平臺(tái)D和平臺(tái)E負(fù)荷最小的情況下，通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)傳輸給平臺(tái)B的電流為308 A，平臺(tái)B發(fā)電機(jī)的輸出電流為232 A，來(lái)自平臺(tái)A的電流為0.1 A，可忽略不計(jì)。因此，平臺(tái)B母排上實(shí)際運(yùn)行的電流只有540 A，遠(yuǎn)低于其額定電流1 000 A。通過(guò)對(duì)其他工況進(jìn)行模擬，都證明通過(guò)合理地進(jìn)行負(fù)荷分配，完全能規(guī)避平臺(tái)B中壓母排運(yùn)行電流超限的問(wèn)題。實(shí)際上該油田各區(qū)域基本上能做到電量就地平衡，通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)或海纜傳輸?shù)淖畲箅娏繛?臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率。另外，考慮到發(fā)電機(jī)實(shí)際出力一般不會(huì)超過(guò)其最大出力的90%，平臺(tái)B中壓母排的運(yùn)行電流不會(huì)超過(guò)1 000 A。

2.2 低壓母排短路電流超限

并網(wǎng)之后，平臺(tái)B與平臺(tái)E的中壓系統(tǒng)并列運(yùn)行，平臺(tái)B正常低壓母排和應(yīng)急低壓母排的短路電流均超過(guò)設(shè)計(jì)值。平臺(tái)B的正常低壓母排和應(yīng)急低壓母排的額定短路電流均為50 kA，而采用ETAP（Electrical

Transient Analysis Program）仿真時(shí)正常低壓母排的最大短路電流為59 kA，應(yīng)急低壓母排的短路電流為55.7 kA，平臺(tái)B低壓母排短路電流仿真示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 平臺(tái)B低壓母排短路電流仿真示意圖

進(jìn)一步查閱平臺(tái)B的低壓母排資料，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)B正常低壓母排的實(shí)際額定短路電流為65 kA，而應(yīng)急低壓母排的實(shí)際額定短路電流為50 kA，因此平臺(tái)B正常低壓母排的短路電流滿足要求，僅需解決應(yīng)急低壓母排短路電流超限的問(wèn)題。當(dāng)前有2種解決方案：一是安裝低壓快速限流器，當(dāng)短路電流超過(guò)50 kA時(shí)切斷故障電流；二是安裝限流電抗器，將短路電流限制在50 kA以內(nèi)。有關(guān)資料顯示，目前國(guó)內(nèi)低壓400 V快速限流器還處于研發(fā)階段，而低壓限流電抗器技術(shù)比較成熟。因此，本文選擇在應(yīng)急低壓母排進(jìn)線端（即正常低壓母排與應(yīng)急低壓母排母聯(lián)開(kāi)關(guān)處）安裝1套限流電抗器，將應(yīng)急低壓母排短路電流限制在50 kA以內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，電抗器基本參數(shù)為：AC 400 V，50 Hz，2 000 A，阻抗0.6%。加裝限流電抗器之后平臺(tái)B應(yīng)急低壓母排短路電流仿真示意圖見(jiàn)圖6。從圖6中可看出，加裝電抗器X1之后，平臺(tái)B的應(yīng)急低壓母排短路電流從55.7 kA降至49.6 kA，滿足設(shè)計(jì)要求，適當(dāng)增加電抗器阻抗值可進(jìn)一步降低短路電流。當(dāng)然，若X1阻抗取值過(guò)大，會(huì)影響平臺(tái)B應(yīng)急低壓母排的正常工作電壓。

圖6 加裝電抗器后平臺(tái)B應(yīng)急低壓母排短路電流仿真示意圖

2.3 中壓母排單相接地電容電流超限

平臺(tái)B與平臺(tái)E并網(wǎng)之后，平臺(tái)E通過(guò)一路6.3 kV線路經(jīng)4 km的海纜直接給平臺(tái)D供電，此時(shí)6.3 kV系統(tǒng)單相接地電容電流達(dá)到9.2 A。根據(jù)DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》的要求，當(dāng)6.3 kV發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)接地故障電流大于4 A時(shí)，不能采用不接地系統(tǒng)。平臺(tái)B中壓系統(tǒng)原設(shè)計(jì)采用不接地系統(tǒng)，若不能有效降低中壓母排單相接地電容電流，則需改變平臺(tái)B中壓系統(tǒng)的接地方式，需增加接地電阻，重新設(shè)置繼電保護(hù)，并增加接地電流互感器，改造工作量較大。進(jìn)一步分析電容電流的構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，6.3 kV海纜線路貢獻(xiàn)的電容電流達(dá)到6.2 A，中壓設(shè)備（包括發(fā)電機(jī)）貢獻(xiàn)的電容電流只有約3 A。因此，增加一臺(tái)6.3／10.5 kV隔離變壓器給平臺(tái)D供電，將平臺(tái)B的中壓母排電容電流降至3 A，從而無(wú)需改變平臺(tái)B的中壓系統(tǒng)接地方式。

2.4 老平臺(tái)改造空間受限

當(dāng)平臺(tái)E與平臺(tái)B通過(guò)中壓系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，需在平臺(tái)B主開(kāi)關(guān)間新增或改造一面中壓盤柜，但平臺(tái)B經(jīng)過(guò)多次改造，其電氣間已無(wú)多余空間或備用盤柜。由于2個(gè)平臺(tái)是通過(guò)棧橋連接的，因此考慮將部分中壓設(shè)備轉(zhuǎn)接到擬建平臺(tái)E的中壓母排上，從而將空出的開(kāi)關(guān)柜改造為組網(wǎng)盤柜。組網(wǎng)盤柜要求的最小寬度為800 mm，而平臺(tái)B的中壓盤柜只有4面尺寸為800 mm的盤柜，分別為發(fā)電機(jī)的出口斷路器、1臺(tái)6 300 kVA

主變進(jìn)線斷路器和2臺(tái)2 500 kVA主變進(jìn)線斷路器，其余盤柜均為600 mm的真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)。根據(jù)3.1節(jié)的分析，為減小平臺(tái)B的中壓母排電流，需將負(fù)荷盡可能地轉(zhuǎn)移至擬建的平臺(tái)E上。同時(shí)，考慮后期繼保設(shè)計(jì)和操作維護(hù)的便利性，將2臺(tái)2 500 kVA主變進(jìn)線斷路器轉(zhuǎn)接到擬建平臺(tái)E上，平臺(tái)B空出的2面盤柜，一面用于組網(wǎng)，一面留作備用柜。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于渤海某海上油田小型電網(wǎng)擴(kuò)容改造工程實(shí)例，從新增設(shè)備數(shù)量、尺寸、重量、改造難易度和經(jīng)濟(jì)效益的角度，探討了通過(guò)35 kV系統(tǒng)并網(wǎng)與通過(guò)6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定通過(guò)中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)的方案費(fèi)用較低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。此外，深入論證了6.3 kV并網(wǎng)方案中存在的主要問(wèn)題及其解決方法。通過(guò)中壓6.3 kV系統(tǒng)并網(wǎng)方案在該項(xiàng)目中的應(yīng)用，做到了電氣方案簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，為工程節(jié)省了費(fèi)用。該項(xiàng)目電網(wǎng)擴(kuò)容方案的成功實(shí)施解決了老油田原有電網(wǎng)能力不足的問(wèn)題，可供后續(xù)類似問(wèn)題的解決參考。