駱金龍

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

在海洋油氣田開(kāi)發(fā)中，海纜將海上油氣田電力系統(tǒng)連接成一個(gè)完整的有機(jī)體。隨著海洋石油油田群規(guī)模和范圍的不斷擴(kuò)大，以及中小油田和邊際油田的滾動(dòng)開(kāi)發(fā)，井口平臺(tái)不設(shè)電站，依托中心平臺(tái)電站通過(guò)海纜將富余電力輸送到平臺(tái)的供電模式得到廣泛應(yīng)用。隨著井口平臺(tái)到中心電站的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，在利用長(zhǎng)距離海纜進(jìn)行輸電時(shí)，由于電纜的容性效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)較大的容性無(wú)功。當(dāng)井口平臺(tái)負(fù)荷較輕或運(yùn)行在輕載和空載狀況時(shí)，平臺(tái)電力系統(tǒng)沒(méi)有足夠的感性負(fù)荷與之平衡，會(huì)帶來(lái)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行、系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性降低等問(wèn)題。

1 無(wú)功功率

1.1 無(wú)功功率補(bǔ)償（Reactive power compensation）

電網(wǎng)輸出功率包括有功功率和無(wú)功功率。直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、熱能、化學(xué)能或聲能，這部分功率稱為有功功率；不消耗電能，只把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，它作為電氣設(shè)備作功的必備條件，并且這種能在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換，這部分功率稱為無(wú)功功率。

無(wú)功補(bǔ)償，是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并接在同一電路，當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時(shí)，感性負(fù)荷吸收能量，而感性負(fù)荷釋放能量時(shí)，容性負(fù)荷吸收能量，能量在兩種負(fù)荷之間交換，感性負(fù)荷所吸收的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率中得到補(bǔ)償。

1.2 容性無(wú)功的產(chǎn)生

電纜線路在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，由于其相對(duì)地、相與相之間存在分布電容，在電纜中存在著容性無(wú)功功率。它與電纜的單位電容C0、電纜的長(zhǎng)度l 以及系統(tǒng)電壓U 相關(guān)。電纜的單位電容是指導(dǎo)體與金屬屏蔽或金屬套間的設(shè)計(jì)電容。電纜線路中存在的容性無(wú)功功率QC計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中 U——系統(tǒng)電壓，kV

ω——系統(tǒng)角頻率，ω=2πf

C0——單位電纜電容，Μf/km

l——電纜長(zhǎng)度，km

1.3 過(guò)量容性無(wú)功的影響

（1）發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行。發(fā)電機(jī)既是唯一的有功功率電源，又是最基本的無(wú)功功率電源。其電氣圖及等值電路如圖1所示。

在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出供系統(tǒng)中感性負(fù)載吸收利用的無(wú)功功率，此時(shí)發(fā)電機(jī)處于過(guò)勵(lì)磁遲相運(yùn)行狀態(tài)。即電流I˙滯后于U˙，P＞0，Q＞0，功率因數(shù)為正。但是，當(dāng)系統(tǒng)中容性無(wú)功過(guò)大，沒(méi)有足夠的感性無(wú)功負(fù)載與之平衡，發(fā)電機(jī)在正常輸出有功功率的同時(shí)，會(huì)吸收系統(tǒng)中的容性無(wú)功，變?yōu)榍穭?lì)磁遲相運(yùn)行，即電流I˙超前于U˙。P＞0，Q＜0，功率因數(shù)為負(fù)，如圖2 所示。

圖1 發(fā)電機(jī)電氣圖及等值電路

圖2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行相量

當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，隨著勵(lì)磁電流下降，電磁轉(zhuǎn)矩下降，發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁極間磁力線減少，在轉(zhuǎn)子上就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不平衡現(xiàn)象，故發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行受諸多條件限制，如現(xiàn)有勵(lì)磁系統(tǒng)能否滿足進(jìn)相運(yùn)行條件、發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)極限對(duì)進(jìn)相運(yùn)行的限制、系統(tǒng)電壓變化范圍的限制以及進(jìn)相運(yùn)行時(shí)可能導(dǎo)致的失磁不同步等的限制。所以，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行極易出現(xiàn)：①發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)定性降低；②發(fā)電機(jī)定子端部發(fā)熱嚴(yán)重；③低勵(lì)整定容易誤動(dòng)作。

（2）影響發(fā)電機(jī)的帶載能力。電網(wǎng)中額外增加的容性無(wú)功，需要由發(fā)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的感性無(wú)功并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離線路傳送來(lái)進(jìn)行平衡，從而要求發(fā)電機(jī)容量增加，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)帶載能力下降。

（3）系統(tǒng)末端電壓升高，在孤立的小系統(tǒng)中尤為明顯，容易損壞用電設(shè)備。

（4）發(fā)電機(jī)帶長(zhǎng)線路可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁諧振現(xiàn)象。

1.4 并聯(lián)電抗器補(bǔ)償容性無(wú)功

并聯(lián)電抗器無(wú)功功率補(bǔ)償裝置常用于補(bǔ)償系統(tǒng)容性。它通過(guò)向高壓長(zhǎng)距離的電纜輸電網(wǎng)絡(luò)提供感性無(wú)功功率，補(bǔ)償電網(wǎng)中剩余的容性充電無(wú)功功率，控制無(wú)功功率潮流，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

并聯(lián)電抗器用于補(bǔ)償輸電線路的容性充電功率時(shí)，其容量可按式（2）計(jì)算。

式中 QL——并聯(lián)電抗器容量，MVar

QC——線路中的充電功率，MVar

β——補(bǔ)償度，取0.4～0.8

并聯(lián)電抗器可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行有級(jí)調(diào)節(jié)，能夠方便有效的使系統(tǒng)達(dá)到無(wú)功平衡。輕負(fù)荷時(shí)線路中的無(wú)功功率盡可能就地平衡，減少無(wú)功功率不合理流動(dòng) 同時(shí)也減輕了線路上的功率損失，并能防止發(fā)電機(jī)帶長(zhǎng)線路可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁諧振現(xiàn)象。

2 并聯(lián)電抗器進(jìn)行容性無(wú)功補(bǔ)償在南海某油田群的應(yīng)用

2.1 改造前的問(wèn)題

南海某油田群由A，B，C，D，E 共5 個(gè)生產(chǎn)平臺(tái)和1 艘十萬(wàn)噸級(jí)FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）組成。油田采用集中供電方式，3 臺(tái)索拉（SOLAR）公司生產(chǎn)的金牛（TAURUS）70 透平發(fā)電機(jī)組集中安置在FPSO 上，采用2 用1 備的方式運(yùn)行。10.5 kV 電力從FPSO經(jīng)單點(diǎn)電滑環(huán)及2 條海底電纜輸送至A 平臺(tái)。A 平臺(tái)作為電力中轉(zhuǎn)站，將電壓升高至35 kV 后，分3 路外輸至B，C，D，E 等4個(gè)平臺(tái)。油田群平臺(tái)分散且相互之間距離較遠(yuǎn)，海底電纜長(zhǎng)度分別為2 km，5.5 km，38.6 km，29.6 km，18 km，海底電纜總長(zhǎng)度約95 km。在投產(chǎn)初期，海底電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功合計(jì)約為-5.5 MVar、發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行（功率因數(shù)在0.86～0.9）、末端平臺(tái)電壓抬升至38 kV（超出額定電壓35 kV 約9%），嚴(yán)重影響油田群電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.2 改造方案

針對(duì)該油田群電力系統(tǒng)存在的問(wèn)題，首先對(duì)海纜產(chǎn)生的無(wú)功功率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)海纜充電功率計(jì)算公式，海纜中產(chǎn)生的充電功率QC=4.9 MVar。

利用EDSA 電力系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行建模、計(jì)算分析，找出影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的原因。模型中各主要參數(shù)包括發(fā)電機(jī)參數(shù)、變壓器參數(shù)、海纜參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)。

根據(jù)EDSA 分析結(jié)果，潮流計(jì)算分析的結(jié)果和正常工況下實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)完全相符。該油田群在正常運(yùn)行工況時(shí)，除了給B平臺(tái)供電的海纜長(zhǎng)度較短，平臺(tái)負(fù)荷能夠平衡海纜中的容性無(wú)功，其他幾條海纜都存在大量剩余的容性無(wú)功，從而導(dǎo)致兩透平機(jī)需要吸收約2 MVar 的容性無(wú)功。因此，F(xiàn)PSO 上的透平發(fā)電機(jī)在正常工況下運(yùn)行時(shí)一直處于進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，在電網(wǎng)輕載運(yùn)行工況下，發(fā)電機(jī)進(jìn)相又進(jìn)一步加劇，2 臺(tái)透平發(fā)電機(jī)需要吸收約3.5 MVar 的容性無(wú)功，并且系統(tǒng)中流動(dòng)的無(wú)功增加，系統(tǒng)電壓進(jìn)一步抬高。

在EDSA 模型中，投入了5 MVar 的并聯(lián)電抗器，電抗器投入后，在正常和輕載兩種工況下都能保證發(fā)電機(jī)正常遲相運(yùn)行，并且發(fā)電機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)在0.8 以上，是非常合理的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)改造

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，并考慮各平臺(tái)的空間布局，最終采用就地并聯(lián)電抗器的方案進(jìn)行改造，將3 臺(tái)容量為1 MVar，2 MVar，2 MVar，電壓等級(jí)均為35 kV 的電抗器安裝在距離較遠(yuǎn)的C，D，E 等3 個(gè)平臺(tái)。

2.3.1 電抗器的主要結(jié)構(gòu)、原理接線圖及技術(shù)參數(shù)

電抗器為3 柱式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。三相繞組由套管引出電抗器后通過(guò)（1×3×95）mm2的獨(dú)立電纜經(jīng)一真空斷路器接入35 kV母排。電抗器均采用封閉型外殼，可以使外界空氣以循環(huán)方式直接冷卻鐵心和繞組。為加強(qiáng)干式電抗器的通風(fēng)散熱，選擇安裝風(fēng)冷系統(tǒng)，并加裝一套溫度控制系統(tǒng)。電抗器繞組和鐵心的溫度通過(guò)鉑電阻Pt100 傳輸?shù)綔乜仄魃希瑴乜仄骶哂屑瘻囟蕊@示、控制遠(yuǎn)程輸出等功能。

2.3.2 電抗器回路保護(hù)設(shè)置

（1）電抗器的進(jìn)線端裝設(shè)一臺(tái)35 kV 的真空斷路器，并配備了多功能繼電器，設(shè)置了4 種保護(hù)，即電流速斷保護(hù)、定時(shí)限速斷保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)以及過(guò)電壓保護(hù)，沒(méi)有設(shè)置差動(dòng)保護(hù)。

（2）電抗器溫度控制器具有三相鐵芯溫度巡回測(cè)量顯示、最大值測(cè)量并顯示、輸入開(kāi)路、故障自檢顯示輸出、冷卻風(fēng)機(jī)自動(dòng)起停輸出、超溫報(bào)警顯示并輸出、超溫跳閘顯示并輸出、風(fēng)機(jī)手動(dòng)控制/自動(dòng)控制兩種狀態(tài)顯示、輸出等。電抗器溫度異常報(bào)警會(huì)在MCC（Motor Control Centre，電機(jī)控制中心）控制中心顯示和報(bào)警，電抗器超溫保護(hù)跳閘信號(hào)接入相應(yīng)多功能保護(hù)繼電器，使對(duì)真空斷路器跳閘，電抗器退出運(yùn)行。

（3）組織專業(yè)人員專門編寫《電抗器管運(yùn)行管理規(guī)定》，對(duì)電抗器的運(yùn)行、巡檢、異常和事故處理作明確規(guī)定。

2.4 改造效果

該油田群完成并聯(lián)電抗器改造后，設(shè)備運(yùn)行近2 a，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的效果。

（1）主發(fā)電機(jī)組始終保持在遲相運(yùn)行狀態(tài)，容性無(wú)功得到了有效的補(bǔ)償（表1、表2）。

表1 改造前發(fā)電機(jī)狀態(tài)

表2 改造后發(fā)電機(jī)狀態(tài)

（2）發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁電流下降，發(fā)電機(jī)定子端發(fā)熱大大下降，靜態(tài)穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

（3）遠(yuǎn)端平臺(tái)電壓由38 kV 將至35.5 kV，滿足電壓運(yùn)行要求。

3 結(jié)論

采用并聯(lián)電抗器，成功解決了南海某油田群長(zhǎng)距離輸電產(chǎn)生的容性無(wú)功過(guò)大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)端電壓抬升等問(wèn)題，為其他海上油氣生產(chǎn)裝置解決同類問(wèn)題提供可借鑒范例。