王樹達，安曉龍，孔凡旭，陳亮

（海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451）

1 前言

海上油氣田開發(fā)工程的電力系統(tǒng)是電能的產(chǎn)生，變換，傳輸，分配和消耗等全部設施和網(wǎng)絡的總稱。這個系統(tǒng)將自然界的能源（如:天然氣或原油）通過動力發(fā)電設備（如:柴油機，雙燃料柴油機或雙燃料燃氣輪機等）旋轉機械設備的動能轉換成電能，再通過變電，輸電和配電，將電能分配給用電設備。隨著我國沿海海上油氣田的開發(fā)和利用，海上油氣田規(guī)模在逐步擴大，海上油氣田電力系統(tǒng)的供電范圍也在逐步擴大，它對電力系統(tǒng)設計的要求也越來越高，因此保證海洋電力系統(tǒng)的用電質(zhì)量至關重要，而電壓是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標。

2004年IEEE給出的電壓穩(wěn)定的定義［1］是:“系統(tǒng)在給定的初始運行點處，經(jīng)歷擾動后，所有母線能夠維持穩(wěn)態(tài)電壓的能力”。系統(tǒng)能夠保持電壓穩(wěn)定依賴于在負荷需求和電能供應之間維持或恢復功率平衡的能力。電壓穩(wěn)定問題實質(zhì)上是系統(tǒng)的承載能力問題，即供需不平衡問題。本文將針對海洋平臺3種主要調(diào)壓方式進行分析與探討。

2 電力系統(tǒng)調(diào)壓原理

電力系統(tǒng)調(diào)壓原理如圖1所示［2］。

圖1 電力系統(tǒng)調(diào)壓原理圖

在圖1中，一臺發(fā)電機通過升壓變壓器、線路和降壓變壓器向用戶供電，要求調(diào)節(jié)負荷節(jié)點b的電壓。略去線路的電容功率、變壓器的勵磁功率和網(wǎng)絡的功率損耗，b點的電壓為:

式（1）中，k1和k2分別為升壓變壓器和降壓變壓器的變比；R和X分別為變壓器和線路的總電阻和總電抗。

海洋平臺的電力系統(tǒng)與圖1類似，由式（1）可見，為了調(diào)整用戶端電壓Vb可以延伸出海洋平臺的3種主要調(diào)壓方式:

（1）調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流以改變發(fā)電機端電壓VG；

（2）無功補償；

（3）適當選擇變壓器的變比（有載調(diào)壓）。

下面將針對3種調(diào)壓方式在海洋平臺的應用情況進行分別的研究。

3 系統(tǒng)主要調(diào)壓方式及調(diào)節(jié)策略

3.1 發(fā)電機勵磁調(diào)壓及其控制調(diào)節(jié)

對于海上油氣田電站的同步發(fā)電機來說，當負載發(fā)生變化時，由于電樞反應的影響將使發(fā)電機的端電壓發(fā)生變化，尤其是電感性電流的影響，它可能造成用電設備無法正常工作（如:電動機停轉，日光燈熄滅，繼電器的接觸器釋放等），因此需要采用自動電壓調(diào)整裝置來調(diào)整發(fā)電機的端電壓。

自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)可以看成為一個以電壓為被調(diào)量的負反饋控制系統(tǒng)。無功負荷電流是造成發(fā)電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發(fā)電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質(zhì)量的要求，發(fā)電機的端電壓應基本保持不變，實現(xiàn)這一要求的辦法是隨無功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。目前海洋平臺的發(fā)電機均配備了自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），出廠時AVR基本已經(jīng)設定好了，一般能夠滿足試運行的要求，只需要調(diào)整一個在空載或負載時的電壓。

下面針對AVR（MX341型）在負載情況下，出現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)特性差或電壓下降的幾種情況的調(diào)節(jié)策略。

3.1.1 頻率過低引起的電壓下降

AVR連著一個轉速保護線路，其電壓/頻率特性如圖2。控制電位器設定“膝點”位置。設置不當時癥狀為:（1）在控制電位器上方的一只發(fā)光二極管（LED）在負載時一直亮著；（2）在負載時電壓調(diào)整率低，即此時發(fā)電機工作于特性曲線上，即50Hz的發(fā)電機頻率為47Hz；60Hz的發(fā)電機頻率為57Hz。指示燈就發(fā)亮。

圖2 AVR轉速保護線路電壓/頻率特性曲線

3.1.2 勵磁跳閘

當兩相間或一相與中性線發(fā)生短路時，由永磁機供電的AVR將提供最大的勵磁系統(tǒng)，為了保護發(fā)電機繞組，AVR和一個過勵磁線路相連，該線路一旦探測到過高的勵磁電流，在一個預設的時間后就會切斷勵磁。勵磁跳閘設置不當將使發(fā)電機在負載或稍過載時產(chǎn)生電壓聚然下降，同時發(fā)光二極管一直亮著。如出現(xiàn)這種情況，應調(diào)節(jié)端子X與端子XX之間的電壓為70V±5%。

3.1.3 瞬時加載調(diào)節(jié)

AVR附加的電壓下降和恢復時間延遲控制功能，使發(fā)電機組具有最優(yōu)化的負載接受能力。整個發(fā)電機組的運行性能和調(diào)速器反應速度以及發(fā)電機的特性所決定。調(diào)節(jié)電壓下降水平及恢復時間和發(fā)電機性能有很大的關系，因此必須在頻率下降和電壓下降中做出一個折衷的選擇。

3.2 變壓器有載調(diào)壓

變壓器有載調(diào)壓技術廣泛用于配電系統(tǒng)，其基本原理是從變壓器某一側的線圈中引出若干分接頭，通過有載分接開關，在不切斷負荷電流的情況下，由一分接頭切換到另一分接頭，以變換有效匝數(shù)，達到調(diào)節(jié)電壓的目的。

有載調(diào)壓變壓器可以保持電網(wǎng)運行在較高的電壓水平，優(yōu)化了無功功率，從而降低了線損，提高了電網(wǎng)經(jīng)濟效益。但有載調(diào)壓變壓器無法改變無功需求平衡狀態(tài)，會將無功功率缺額全部轉移至主網(wǎng)，從而使主網(wǎng)電壓逐漸下降，嚴重時可能引發(fā)系統(tǒng)電壓崩潰。

3.2.1 有載分接開關

有載分接開關主要包括切換開關、分接選擇器、儲能機構、減速箱、電氣控制部分、過流保護、電流互感器、控制器等，投運之前應先對分接開關手動操作一個循環(huán)試驗，然后通電進行電動操作試驗。試驗過程中檢查變壓器電壓變化是否正確、位置指示是否一致，檢查控制器功能是否正確無誤后，方可投入運行。分接開關在正常運行中一般不須特別維護，如發(fā)現(xiàn)不切換或異常聲光現(xiàn)象時，應及時檢查，排除故障后方可繼續(xù)運行。

正常運行的分接開關每年至少進行一次檢查；如一年內(nèi)運行次數(shù)達到5000次時，應進行一次檢查，檢查項目如下:

（1）切換轉換觸頭及選擇器觸頭等處每年必須涂一次工業(yè)凡士林潤滑。

（2）檢查、清除絕緣件和導電零件表面的灰塵。（3）檢查所有緊固件有無松動，并及時擰緊。

（4）檢查所有運動磨擦部位的潤滑情況，清除污損的潤滑脂、及時補充清潔防凍潤滑脂。這些部位包括:滑動軸承，絲桿與絲母，軸套與軸等。

（5）檢查選擇器觸頭壓力彈簧有無損壞、動觸頭運動是否靈活。

（6）檢查真空開關管觸頭開距應在3mm以上，觸頭超程不應小于5mm，必要時進行調(diào)整。如發(fā)現(xiàn)真空開關管有破損或漏氣情況，可按內(nèi)部絕緣要求在真空開關管動靜觸頭間進行4kV工頻1min耐壓試驗，若發(fā)生擊穿須更換好的真空開關管。

3.2.2 有載調(diào)壓控制策略

有載調(diào)壓雖然有其自身的不足，但隨著新技術的引入，有載調(diào)壓變壓器自動調(diào)壓分接頭的使用勢必更加廣泛，對于有載自動調(diào)壓所帶來的副作用，通過采取適當?shù)拇胧┖头椒ㄊ强梢韵蜏p小的:

（1）制定變壓器有載調(diào)壓運行原則。設定當調(diào)壓變壓器一次側電壓高于某一最低數(shù)值時（如額定值的90%～95%）時才允許進行有載調(diào)壓，如一次側電壓低于規(guī)定的最低數(shù)值時，立即閉鎖有載調(diào)壓。

（2）對于多平臺集中供電的電力系統(tǒng)，應在多個平臺建立帶負荷調(diào)壓的自動閉鎖系統(tǒng)，將每個平臺分成若干“帶負荷調(diào)壓閉鎖動作區(qū)”，由選定的節(jié)點測定電壓進行監(jiān)控，當監(jiān)測到的電壓低于認定門檻時，自動地將閉鎖命令有序地傳到平臺的每一臺帶負荷自動調(diào)壓裝置，閉鎖變壓器的帶負荷調(diào)壓。

（3）由于有載調(diào)壓變壓器無法改變系統(tǒng)的無功需求平衡狀態(tài)，所以系統(tǒng)應有足夠的無功容量，才能避免引發(fā)電網(wǎng)的電壓崩潰。所以對電網(wǎng)規(guī)劃設計時，應進行全面考慮，提高網(wǎng)絡的電壓強度。

（4）系統(tǒng)出現(xiàn)大擾動，引發(fā)電壓大幅度下降時，應設置應急工況，閉鎖有載調(diào)壓，并切除部分負荷，消除系統(tǒng)有功和無功缺額，或在系統(tǒng)中設置電壓降低自動減負荷裝置，抵消變壓器控制產(chǎn)生的負面影響，快速動作，限制局部擾動發(fā)展為全網(wǎng)或主網(wǎng)事故。

3.3 無功補償

海上油田的機采系統(tǒng)、注水系統(tǒng)及油氣集輸系統(tǒng)多采用三相異步電動機作為動力。這種系統(tǒng)的負荷分散性大，配電網(wǎng)供電半徑大、分支多、配電變壓器數(shù)量多、負荷率低，因而運行時供電線路的網(wǎng)損率高，功率因數(shù)低，末端壓降大。海上油田配電網(wǎng)的無功補償基本上以電容器補償為主［4］。不過，由于現(xiàn)在海上油田的規(guī)模越來越大，多平臺集中供電的方式越來越多，因此，有大量的長距離的海底電纜被應用到海上平臺的電力系統(tǒng)中，長距離的海纜往往使系統(tǒng)電阻呈容性，所以在海洋平臺電力系統(tǒng)的無功補償上也有部分電抗器的使用。

3.3.1 無功補償配置原則

為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無功補償設備的配置，應按照“分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。

（1）總體平衡與局部平衡相結合，以局部為主。

（2）發(fā)電機補償與負荷補償相結合。

（3）分散補償與集中補償相結合，以分散為主。

（4）降損與調(diào)壓相結合，以降損為主。

利用并聯(lián)電容器進行無功補償，其主要目的是為了達到無功電力就地平衡，減小網(wǎng)絡中的無功損耗，以降低線損。與此同時，也可以利用電容器的分組投切，對電壓進行適當?shù)恼{(diào)整，這是補償?shù)妮o助目的，在一般情況下，以降損為主，調(diào)壓為輔。但目前海洋平臺電力系統(tǒng)中的無功補償裝置受平臺面積以及環(huán)境條件的限制，多采用集中補償?shù)姆绞?，雖然提高了供電能力、減少了線損和電能損耗，穩(wěn)定了電壓。但這種方式未能很好地解決電網(wǎng)內(nèi)部的無功流動。因此，無功電流在內(nèi)部仍大量存在，電力網(wǎng)絡的線損等仍比較大。

3.3.2 無功補償方式、容量的選擇

配電網(wǎng)無功補償方式的選擇，從理論上而言，無功補償最好的方式是在哪里產(chǎn)生無功，就在哪里進行補償，整個系統(tǒng)將沒有無功電流的流動。但在實際電網(wǎng)中這是不可能做到的，因為無論是變壓器、輸電線路還是各種負載，均會產(chǎn)生無功。所以實際電網(wǎng)中就補償裝置的安裝位置而言有以下幾種補償方式:變電站高、低壓母線集中補償；高、低壓配電線路分散補償；負荷側的集中補償；負荷的就地補償。一般應將幾種補償方式結合起來采用，以達到最佳的補償效果。

配電線路上的分散補償容量通?？梢园凑铡叭种狈▌t來選擇。即在均勻分布負荷的配電線路上，安裝電容器的最佳容量是該線路平均負荷的2/3；安裝最佳地點是自送電端起的線路長度的2/3處。這一結論是在理想情況下推演出來的，因此在應用時，應根據(jù)具體情況具體分析，不能一概而論。

4 結束語

對海洋平臺電力系統(tǒng)的調(diào)壓方式進行合理的設計，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，降低配電網(wǎng)損耗，提高功率因數(shù)，對于配電網(wǎng)的穩(wěn)定、海上油田安全經(jīng)濟運行具有重要的作用。

［1］IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions，Definition and classification of power system stability［J］.IEEE Trans.on Power Systems，2004，19（2）：1387 －1400.

［2］何仰贊，溫增銀等.電力系統(tǒng)分析（下）［M］.武漢：華中理工大學出版社.1991：35 －87.

［3］羅顯泉.淺析無功補償與電網(wǎng)經(jīng)濟運行的關系［J］.電力電容器，2007（4）：6 －9.

［4］李炳建，閏蘇莉，魏娜.油田配電網(wǎng)無功優(yōu)化分析［J］.國外電子元器件，2008（7）：25 －26.