李璇 張曉宇 丁洪霞 杜銀昌 許建奎

摘要：從設計角度分析了海洋油氣田電力系統供電安全方面存在的問題，結合實際工程項目案例提出了相關問題的解決方案，對于未來海上油氣田開發(fā)項目中電力系統的方案設計提供了可參考和借鑒的經驗。

關鍵詞：海洋油氣田;電力系統;供電安全

1 ? ?海洋平臺電力系統特點

安全、可靠的電能是海洋油氣田開發(fā)的重要電力保障。海洋石油平臺電力系統受海洋環(huán)境和服務行業(yè)的影響，其電力系統構成、電壓等級、電站的總裝機容量以及電氣設備和負載的種類與性質都與陸地有很大的差別。海洋平臺電力系統主要有以下特點：

（1）為集發(fā)電、變電、輸電、配電于一體的孤立電網;

（2）單機容量和總裝機容量都比較小，遠遠小于陸地電網;

（3）供電電壓較低，輸電距離較短;

（4）發(fā)電機出線與母線直接連接，多臺發(fā)電機共母線運行;

（5）電力輸送主要通過電纜傳輸，輸電線路的對地電容較大;

（6）相對于主發(fā)電機，電動機、變壓器容量較大，電動機啟動壓降大，變壓器空投時勵磁涌流高。

2 ? ?海洋平臺供電安全存在的問題

隨著海洋石油“深水戰(zhàn)略”和“二次跨越”的實施，海洋油氣田開發(fā)的步伐不斷加快，海上平臺電力系統也得到了長足發(fā)展，逐步由過去單個平臺的小型電站發(fā)展為目前集發(fā)電、變電、輸電、配電于一體的較大的電力網，逐步由過去單個平臺的孤立電站發(fā)展為目前多個平臺間互聯以至整個油田群組網的較為復雜的電力網絡。

當前，海洋油氣田電力系統單機容量、電站總容量不斷提高，變電變壓器的功率不斷增大，電壓等級越來越高，輸電距離越來越遠，系統拓撲結構越來越復雜。因此，出現了一些影響平臺供電安全、穩(wěn)定的新情況、新問題，例如，短路電流直流分量高造成短路時斷路器分斷困難;大容量變壓器空載合閘時產生巨大的勵磁涌流，會對系統造成嚴重的沖擊。這些問題對海上平臺電力系統的供電安全和穩(wěn)定運行造成了嚴重影響，一旦系統中某個節(jié)點出現故障，不但直接影響本平臺的供電安全，甚至可能使組網運行的整個區(qū)域的電力網供電中斷，造成油田群大面積的停電停產，甚至還可能引發(fā)嚴重的安全事故，造成重大財產和經濟損失。

3 ? ?供電安全分析與解決方案

3.1 ? ?短路電流直流分量高

隨著海洋平臺電力系統單機容量和總裝機容量的不斷提高，中壓系統從短路點計及的等效電感與電阻之比增大，直流分量衰減時間加長，造成中壓系統斷路器開斷時短路電流的直流分量較高，開斷困難，這將對電力系統的安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響。

短路電流直流分量對斷路器正常分斷能力的影響，主要由以下兩個方面決定：

（1）直流分量持續(xù)時間越長，第一個短路半周波全電流峰值越大，斷路器滅弧過程中拉弧釋放的能量也越大，導致斷路器開斷困難;

（2）直流分量過大會導致過零點漂移。通過計算，在某些支路上，短路電流較小，但直流分量的存在可能造成短路電流過零點漂移，更嚴重的情況是滅弧時間變長，甚至導致電弧不易熄滅。

研究表明，當直流分量占短路電流交流分量幅值的比例小于1/5時，斷路器設計選型時，可只按短路電流交流分量有效值校驗;當直流分量占短路電流交流分量幅值的比例大于20%時，斷路器的設計選型不僅要校驗交流分量有效值，還要同時考慮直流分量百分比的影響。

在進行具體的電力系統設計選型時，目前，適用于發(fā)電機出口的斷路器主要有普通真空斷路器、發(fā)電機出口專用斷路器和快速限流器三種類型，三種斷路器優(yōu)缺點對比如表1所示。

實際選型時，應根據電網拓撲結構和實際短路計算值，統籌考慮技術可行性和經濟性，判斷采用何種短路分斷設備。

某海上項目電站設置三臺大容量發(fā)電機組，發(fā)電機出口三相短路時，直流分量高達60%，普通斷路器根本無法開斷。為解決該問題，設計首次采用了“3+2”系統拓撲結構，即發(fā)電機出口母線分成三段，各由一臺發(fā)電機供電，三段母線之間由兩臺快速限流器相連。

采用快速限流器后，短路故障發(fā)生時，快速限流器能在10 ms內動作，將電力系統快速分割成三個子網（解列運行），從而降低短路電流?？焖傧蘖髌鲃幼骱蟮亩搪冯娏鹘涣鞣至亢椭绷鞣至看蠓陆担绷鞣至拷抵?9.6%，斷路器能可靠動作。

3.2 ? ?變壓器空載合閘勵磁涌流大

海洋平臺電力系統為孤立系統，在平臺主發(fā)電機黑啟動時，首先開啟應急發(fā)電機為主發(fā)電機的輔機盤供電;主機輔機得電后，啟動主發(fā)電機;主發(fā)電機運行后，投入配電變壓器，將輔機盤電源由應急發(fā)電機切換為主發(fā)電機。此時，系統僅有單臺發(fā)電機運行，容量較小，變壓器空載投入時，會產生很大的勵磁涌流，為變壓器額定電流的6～10倍。過大的勵磁涌流會對系統造成很大的沖擊，甚至直接造成主發(fā)電機出口斷路器跳閘，因此，必須對變壓器勵磁涌流加以限制。海上工程項目中普遍采用的涌流抑制方法主要有以下兩種：

（1）采用涌流抑制器限制變壓器的勵磁涌流。通過對變壓器磁通的監(jiān)測，控制斷路器分合閘角度，從而抑制變壓器勵磁涌流，避免因勵磁涌流造成斷路器跳閘。此外，涌流抑制器還具備控制補償功能，可根據影響斷路器分合閘角度精度的因素動態(tài)判定分合閘點以保證涌流抑制效果。通過使用涌流抑制器，大大提高了變壓器空投的成功率，同時也提高了電力系統的暫態(tài)穩(wěn)定性。近期某項目使用了基于三相聯動合閘技術的涌流抑制裝置，據該作業(yè)方反饋，應用效果較好，可將涌流抑制到較低水平。

（2）采用固態(tài)晶閘管軟啟動器啟動大容量變壓器。該技術主要利用固態(tài)晶閘管軟啟動器可以控制電壓輸出的原理，使用軟啟動器的電壓斜坡功能為變壓器的原邊緩慢提升電壓，通過原邊電壓的線性升高來為變壓器充磁，建立工作磁場，在啟動過程中可基于零壓啟動，所以幾乎沒有沖擊電流出現。該方法具有原理簡單、計算快捷、實用性好等特點，解決了變壓器空載合閘時因勵磁涌流過大合閘失敗的問題，并且減少了大電流沖擊造成設備使用壽命縮短的不良影響，延長了設備的正常工作時間。

3.3 ? ?主發(fā)電機進相運行問題

海洋平臺電力系統主要采取集中供電方式，主電站通常設置幾臺容量相同的發(fā)電機組，并通過海纜或棧橋電纜向附近的其他井口平臺供電。當海洋油氣田平臺主電站通過海纜長距離為其他井口平臺輸送電力時，由于海纜線路長，電壓等級高，線路容性無功功率將會非常大，導致主發(fā)電機進相運行。這會產生靜態(tài)穩(wěn)定性降低，定子端部溫度上升，機端電壓下降，定子電流增加等一些列問題，嚴重影響發(fā)電機的安全和整個電力系統的穩(wěn)定性。

為解決長距離海纜輸電線路電容性無功功率增大造成的發(fā)電機進相運行問題，經廣泛的技術分析、比較，海洋平臺電力系統引入了動態(tài)無功補償裝置SVG（Static Var Generator）。SVG就地裝設于電力系統中，可動態(tài)地對電網無功功率進行快速調節(jié)和補償，SVG的功能相當于一個無功電源，它可以自動調節(jié)，隨著無功負荷的盈虧，自動補償調節(jié)系統中所需的無功功率，使系統功率因數達到理想狀態(tài)，從根本上解決了發(fā)電機進相運行的問題。SVG具有快速響應、運行范圍寬、抑制電壓閃變能力強、補償功能多樣化、諧波分量低、占地面積較小等特點。該裝置的使用，很好地解決了系統容性無功過大的難題，提高了整個海上電網的穩(wěn)定性。

4 ? ?結語

本文總結了海洋平臺各種供電安全問題：短路電流直流分量高、變壓器空載投入勵磁涌流大、主發(fā)電機進相運行，并對這些問題進行分析，結合實際工程項目案例提出了相關問題的解決方案，對于未來海上油氣田開發(fā)項目中電力系統的方案設計提供了可參考和借鑒的經驗。

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[2] 張繼芬，胡鵬，劉峻.海上石油平臺電網安全穩(wěn)定控制系統[J].石油勘探與開發(fā)，2009，36（2）：237-241.

收稿日期：2019-12-18

作者簡介：李璇（1988—），女，河北人，工程師，從事海洋平臺電力系統設計工作。