海上動(dòng)力平臺(tái)電網(wǎng)“晃電”情況研究

摘要：首先，闡述了海上平臺(tái)電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)電網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；然后，以岸電投用后的三次“晃電”情況為案例進(jìn)行量化剖析，對(duì)比三則案例所造成的影響，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵因素；最后，分別針對(duì)高壓盤、中壓盤、變頻柜等設(shè)備提出了相應(yīng)的防“晃電”措施和改進(jìn)方案，為后續(xù)海上平臺(tái)接入岸電適應(yīng)性改造探明了方向，提供了問題解決思路。

關(guān)鍵詞：海上平臺(tái)；晃電；孤島模式；岸電

中圖分類號(hào)：TM774? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.001

1? ? 海上電力系統(tǒng)發(fā)展

渤海油田開發(fā)建設(shè)以來，海上油田電力系統(tǒng)從最開始的自發(fā)電模式，發(fā)展到近幾年逐步趨于成熟的岸電供電模式，經(jīng)歷了三個(gè)階段——孤島模式、區(qū)域組網(wǎng)、岸電入海，每一次改變都代表著海上電力系統(tǒng)向更加可靠、更加穩(wěn)定邁進(jìn)一步[1]。

1.1? ? 孤島模式

渤海油田開發(fā)早期，油田的電能來源是海上自備發(fā)電機(jī)以天然氣或原油為燃料進(jìn)行發(fā)電，以輻射結(jié)構(gòu)向中心平臺(tái)及周邊小平臺(tái)供電，發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生電能僅用于礦區(qū)內(nèi)，不與外電網(wǎng)聯(lián)系，這種供電模式被稱為“孤島模式”。這種模式下，一旦燃料供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，或發(fā)電機(jī)本身發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)礦區(qū)失電，生產(chǎn)中斷，與此同時(shí)，大型設(shè)備的啟停也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊，所以，孤島模式存在供電穩(wěn)定性差、熱備容量低等缺陷。

1.2? ? 區(qū)域組網(wǎng)

渤海油田油氣勘探開發(fā)不斷發(fā)展，海上平臺(tái)數(shù)量持續(xù)增加，相鄰油礦間的距離也在逐漸拉近，讓區(qū)域組網(wǎng)成為可能。通過綜合評(píng)估，在距離相近的三到四個(gè)礦區(qū)間鋪設(shè)海底動(dòng)力電纜，組成區(qū)域電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同油礦間發(fā)電機(jī)組互為備用，一定程度上提高了供電的穩(wěn)定性，降低了大電機(jī)啟動(dòng)帶來的電網(wǎng)沖擊，也為后續(xù)岸電接入打下了局部基礎(chǔ)，積累了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1.3? ? 岸電入海

隨著高壓海底電纜技術(shù)不斷成熟，為了克服海上油田開發(fā)電力瓶頸，助力海上油田綠色發(fā)展，海上平臺(tái)也迎來了電力系統(tǒng)發(fā)展的新階段。從陸地開關(guān)站敷設(shè)220 kV海底電纜至海上動(dòng)力平臺(tái)，海上動(dòng)力平臺(tái)間220 kV電網(wǎng)互聯(lián)，動(dòng)力平臺(tái)經(jīng)220 kV/35 kV變壓器降壓后，依托原區(qū)域電網(wǎng)送至各個(gè)油礦，至此，海上平臺(tái)步入岸電時(shí)代。

2? ? “晃電”分析

“晃電”是指電網(wǎng)電壓瞬間跌落，在1.5 s以內(nèi)又恢復(fù)正常的現(xiàn)象。某海上動(dòng)力平臺(tái)向各油田正式供電以來，已出現(xiàn)三次晃電情況，其中兩次是站外故障導(dǎo)致。三次故障嚴(yán)重程度不同，對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊程度不同，對(duì)平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行及正常生產(chǎn)帶來的影響也不同?，F(xiàn)對(duì)三次晃電情況進(jìn)行定量分析，以便后續(xù)以此為依據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，提高設(shè)備應(yīng)對(duì)電網(wǎng)晃電性能，提高生產(chǎn)流程運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.1? ? 第一次“晃電”

2022-12-19T19：36：56，陸地開關(guān)站上級(jí)變電站在為某風(fēng)電項(xiàng)目并網(wǎng)時(shí)發(fā)生單相對(duì)地短路故障，安穩(wěn)系統(tǒng)啟動(dòng)故障錄波，錄波波形如圖1所示，由右側(cè)實(shí)線游標(biāo)數(shù)據(jù)可見，220 kV線路A相電壓由正常運(yùn)行時(shí)的131 kV拉低至30.6 kV（23.3%），35 kV線路C相電壓由正常運(yùn)行時(shí)的20.7 kV拉低至12.6 kV（60.9%）。

如圖2所示，故障持續(xù)約60 ms后，220 kV和35 kV電壓均恢復(fù)至正常值。

2.2? ? 第二次“晃電”

此次“晃電”不是站外故障導(dǎo)致，而是動(dòng)力平臺(tái)同一段母線相鄰線路故障導(dǎo)致，故障類型為單相對(duì)地短路故障，造成電網(wǎng)單相拉低1 038 ms。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單相接地短路故障占電力系統(tǒng)故障比例高達(dá)65%，因此，本次案例具有一定的典型性，故在此引申出來。

2022-12-23T10：43：03，海上動(dòng)力平臺(tái)在向某一油礦中心平臺(tái)初次送電時(shí)，發(fā)生單相對(duì)地?fù)舸┕收?，安穩(wěn)系統(tǒng)啟動(dòng)錄波，波形如圖3所示，該油礦中心平臺(tái)供電開關(guān)所在35 kVⅠ段母線A相電壓由正常運(yùn)行時(shí)的20.7 kV拉低至1.02 kV（4.9%），由于35 kV系統(tǒng)為高阻抗接地系統(tǒng)，B、C兩相對(duì)地電壓提升至35 kV左右。35 kV Ⅱ段母線未受影響，位于35 kV Ⅱ段母線的另一油礦中心平臺(tái)供電未見異常。

如圖4所示，故障持續(xù)約1 038 ms后，供電開關(guān)綜保零序過流保護(hù)動(dòng)作，供電開關(guān)分閘切斷故障，35 kV Ⅰ段母線電壓恢復(fù)至正常值。由于該油礦中心平臺(tái)供電線路為棧橋電纜，無光纖差動(dòng)保護(hù)，而零序過流保護(hù)時(shí)限1 s，因此，故障持續(xù)時(shí)間為1 038 ms。

此故障發(fā)生時(shí)，與初次送電油礦中心平臺(tái)供電開關(guān)同在35 kV Ⅰ段母線的兩座無人平臺(tái)正處于調(diào)試階段，之前已在中控對(duì)高壓盤失壓信號(hào)設(shè)置延時(shí)1 s，但由于持續(xù)時(shí)間超過1 s（故障持續(xù)時(shí)間為1.038 s），所以WHPB平臺(tái)觸發(fā)關(guān)斷。WHPC平臺(tái)中控正在做功能調(diào)試，高壓盤失壓信號(hào)為旁通狀態(tài)，因此未觸發(fā)關(guān)斷，在35 kV供電線路A相低電壓的1 s內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、加熱器、控制盤等設(shè)備均未見異常動(dòng)作。

2.3? ? 第三次“晃電”

2022-12-30T17：37：47，風(fēng)電項(xiàng)目并網(wǎng)時(shí)對(duì)其他相鄰線路造成擾動(dòng)，安穩(wěn)系統(tǒng)啟動(dòng)故障錄波，錄波波形如圖5所示，由右側(cè)實(shí)線游標(biāo)數(shù)據(jù)可見，220 kV線路A相電壓由正常運(yùn)行時(shí)的131 kV拉低至82.97 kV（63.3%），35 kV線路C相電壓由正常運(yùn)行時(shí)的20.7 kV拉低至16.35 kV（79.0%）。

如圖6所示，故障持續(xù)約60 ms后，220 kV和35 kV電壓均恢復(fù)至正常值。

2.4? ? 對(duì)比分析

對(duì)比分析，第一次晃電發(fā)生時(shí)，某10.5 kV盤柜欠壓保護(hù)繼電器定值為90%，且中控接收到欠壓信號(hào)后無延時(shí)立即動(dòng)作，故導(dǎo)致該平臺(tái)三級(jí)關(guān)斷發(fā)生。后將欠壓保護(hù)繼電器設(shè)定值調(diào)整為70%，與綜保定值一致，中控對(duì)中高壓盤柜失壓信號(hào)設(shè)置1 s延時(shí)，以躲過陸地開關(guān)站供電發(fā)生的常規(guī)“晃電”情況。

第二次晃電發(fā)生在調(diào)試階段，未對(duì)生產(chǎn)造成影響。根據(jù)波形分析和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，1 038 ms的晃電時(shí)長(zhǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不會(huì)造成影響，因此將中控檢測(cè)到高壓盤、中壓盤失電信號(hào)邏輯觸發(fā)延時(shí)調(diào)整為5 s，與綜保定值失壓保護(hù)動(dòng)作延時(shí)保持一致。因?yàn)槿绻щ姵^5 s，綜保會(huì)觸發(fā)高壓盤失壓保護(hù)，觸發(fā)開關(guān)動(dòng)作分閘，即使5 s后電網(wǎng)電壓恢復(fù)，生產(chǎn)平臺(tái)也無法立即恢復(fù)供電，需要人為恢復(fù)供電，此時(shí)就需要中控系統(tǒng)觸發(fā)相應(yīng)關(guān)斷邏輯以保證生產(chǎn)流程安全停運(yùn)[2]。

經(jīng)過邏輯和保護(hù)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，在第三次“晃電”發(fā)生時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)未造成影響，可以驗(yàn)證邏輯、參數(shù)優(yōu)化達(dá)到了躲過“晃電”的效果。

3? ? 防“晃電”措施

海上平臺(tái)供用電設(shè)備種類繁多，不同設(shè)備對(duì)于“晃電”情況的敏感程度不同，下面就海上平臺(tái)的幾種常用電氣設(shè)備列舉相應(yīng)可以采取的防“晃電”措施，通過這些措施，可以將“晃電”情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)流程的影響降至最低。

3.1? ? 配電盤

海上平臺(tái)的主要配電設(shè)備由高壓盤、中壓盤、低壓盤組成，配電設(shè)備能否躲過“晃電”周期直接決定現(xiàn)場(chǎng)供電的穩(wěn)定性，而且往往失電信號(hào)與中控關(guān)斷信號(hào)間存在邏輯關(guān)系，配電系統(tǒng)一旦發(fā)出失電信號(hào)，中控系統(tǒng)會(huì)判斷配電系統(tǒng)故障，根據(jù)邏輯關(guān)系觸發(fā)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備關(guān)停，造成生產(chǎn)關(guān)斷。所以，防止“晃電”對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備造成影響的關(guān)鍵一步就是優(yōu)化配電系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)。

高、中壓盤柜的繼電保護(hù)系統(tǒng)一般采用綜保裝置，以渤海某油田為例，高、中壓盤柜均采用長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的ISA系列綜保裝置，失壓保護(hù)設(shè)定如表1所示。

由表1參數(shù)可以看出，該油田將電壓低于額定值的70%作為發(fā)生失電的電壓判定值，設(shè)定延時(shí)5 s，只有當(dāng)電壓低于額定電壓70%持續(xù)時(shí)間超過5 s，才觸發(fā)失壓保護(hù)動(dòng)作，以此來躲過電網(wǎng)電壓短時(shí)間內(nèi)的大范圍波動(dòng)。

3.2? ? 油井變頻器

多數(shù)變頻器的出廠默認(rèn)設(shè)置中，當(dāng)供電電壓降低時(shí)，變頻器直流母線電壓也會(huì)隨之降低，當(dāng)直流母線電壓下降至欠壓保護(hù)電壓時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)欠壓報(bào)警并關(guān)停變頻器。針對(duì)該情況，需要從兩方面降低“晃電”情況對(duì)油井變頻器的影響：一方面，與高、中壓盤綜保定值修改思路一致，調(diào)低欠壓保護(hù)電壓定值，設(shè)定延時(shí)時(shí)間，以保證“晃電”期間不觸發(fā)變頻柜報(bào)警關(guān)停；另一方面，油井變頻器的負(fù)荷是井下潛油電泵機(jī)組，負(fù)荷具有較大的慣性動(dòng)能，供電恢復(fù)正常后，負(fù)荷側(cè)電機(jī)仍在運(yùn)行，為了保證供電恢復(fù)后變頻器能夠拖帶井下機(jī)組重新恢復(fù)到原設(shè)定工況，需要設(shè)置允許飛車重啟動(dòng)。根據(jù)表2修改油井變頻器參數(shù)后，油井變頻器能夠穿越“晃電”周期，且保證井下機(jī)組運(yùn)行不受影響。

4? ? 結(jié)語

本文針對(duì)渤海油田引入岸電后，電網(wǎng)“晃電”對(duì)現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)造成的影響，對(duì)比了海上油田從孤島模式、區(qū)域組網(wǎng)到岸電入海三個(gè)階段供電結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，以三次典型的“晃電”情況為案例進(jìn)行定量、定性分析，最終從配電盤和油井變頻器兩個(gè)角度，闡明了消除“晃電”影響的兩個(gè)重要方面是失壓/欠壓設(shè)定值與延時(shí)時(shí)間。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)等慣性負(fù)載，還需在變頻器設(shè)置允許飛車重啟動(dòng)，以保證電網(wǎng)恢復(fù)正常后，變頻器能重新拖帶電機(jī)恢復(fù)設(shè)定頻率。

岸電入海為海上油田開發(fā)提供了更加穩(wěn)定、清潔的能源[3]，與此同時(shí)，也為海上電氣專業(yè)帶來了新的課題。一方面，結(jié)合岸電供電質(zhì)量等特點(diǎn)，如何對(duì)海上設(shè)備、保護(hù)參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化，另一方面，探索動(dòng)力平臺(tái)110 kV、220 kV高壓設(shè)備在海上的管理、運(yùn)維模式，均將成為下一階段研究的重要課題。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 雷歐納德·L.格雷斯比.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制[M].李相俊，李生虎，金恩淑，等譯.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3] 高璇，劉國(guó)鋒，李雪.海上油氣田岸電應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].電氣應(yīng)用，2020，39（3）：74-77.

收稿日期：2023-03-07

作者簡(jiǎn)介：王萌（1990—），男，天津人，電氣工程工程師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。