陳英

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057）

1 引言

海上采油平臺的采油、外輸?shù)葎恿υ匆约巴ㄓ嵲O備都是由鋪設在海底的電纜輸送。海底電纜發(fā)生故障會嚴重影響采油井的正常生產(chǎn)，造成重大生產(chǎn)損失。中海油某海上平臺由于海底電纜紅相擊穿，故改造為直流進行輸電，即將高壓交流電通過中心平臺整流站整流成直流，通過兩相完好的海底電纜進行輸送電能，通過井口平臺逆變站將直流電逆變成油田需要的交流電，再供平臺自用。

2 直流輸電結構

直流輸電由一個整流站和一個逆變站組成，整流站設在中心平臺，逆變站設在井口平臺，中間由30km海底電纜相連。中心平臺將10.5kV交流電通過整流站整流為15kV直流電，并通過海底電纜輸送給平臺5逆變站，逆變成400V/35kV，50Hz的交流電供本平臺用電并為下游用戶提供電力供應。中心平臺整流站由兩極組成，每極分別由1臺移相變壓器和12個功率單元組成。移相變壓器在合閘瞬間會產(chǎn)生電磁涌流，對海上平臺小微電網(wǎng)沖擊巨大。

圖1 直流輸電結構圖

3 勵磁涌流的特點及危害

3.1 勵磁涌流的產(chǎn)生

電力變壓器空載投入電網(wǎng)時，由于鐵芯剩磁的存在，導致合閘瞬間剩磁與新建立的磁場相互疊加，而變壓器鐵芯勵磁材料具有非線性特性，造成合閘磁通飽和，勵磁電流成百倍增長，從而產(chǎn)生勵磁涌流。

3.2 勵磁涌流的特點

涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量，主要是偶次諧波，因此，勵磁涌流的變化曲線為尖頂波。勵磁涌流的數(shù)值很大，最大可達額定電流的10～25倍。勵磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，持續(xù)時間為數(shù)十周波到數(shù)秒。一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。

圖2 勵磁涌流數(shù)值曲線

3.3 勵磁涌流的危害

（1）諧波造成電網(wǎng)污染及發(fā)熱。

（2）涌流峰值會造成電源側開關柜保護跳閘，引起大面積斷電。

（3）涌流峰值會造成發(fā)電機差動保護跳閘，引起大面積斷電。

（4）涌流峰值會造成保護開關燒熔。

4 直流輸電解決系統(tǒng)及改造

4.1 直流輸電預充電原設計方案

為解決啟動沖擊問題，在設計階段即設計了預充電回路。預充電回路由充電電阻，輸入輸出接觸器構成。中心平臺至井口平臺直流輸電設備啟動的原理如圖3所示，平臺供電進線為10kV主電網(wǎng)直接供電，10kV母線電壓經(jīng)平臺主變壓器降壓后變換為400V平臺主電，平臺主變壓器為DY11組別，即變壓器副邊400V電壓相位超前變壓器原邊10kV母線電壓30°相位角。

圖3 改造前直流輸電系統(tǒng)預充電原理圖

直流輸電設備輸入移組變壓器主進線為10kV母線電壓，由于直流輸電設備閥組由功率開關管和直流電容器組成，直流電容器直接合閘供電時會產(chǎn)生非常大的沖擊電流，容易引起設備損壞甚至威脅平臺10kV主電網(wǎng)安全，故直流輸電設備啟動前需要進行預充電。

4.2 預充電系統(tǒng)存在的問題

直流輸電多繞組變壓器除為功率閥組供電的副邊繞組外，還設計了預充電的輔助第三繞組，設備啟動前控制系統(tǒng)先控制預充電接觸器KM12和KM13合閘，三相400V動力電源通過預充電電阻R和直流輸電變壓器輔助第三繞組為直流輸電閥組預充電，由于充電電阻R的限流作用，功率閥組直流電容兩端的電壓逐漸升高，避免了直接合閘產(chǎn)生的沖擊電流。功率閥組預充電結束后，需要先斷開預充電接觸器KM12和KM13，之后再將直流輸電設備進線接觸器QF合閘。確認QF可靠合閘后，再將KM11接觸器閉合，輔助第三繞組輸出400V電壓為控制系統(tǒng)提供第二路動力電源，保證了直流輸電設備控制系統(tǒng)電源的可靠性。由于KM12和KM13分閘到QF接觸器合閘之間的時間間隔很短，引起QF合閘時功率閥組直流電容兩端的電壓仍然很高，QF合閘不會對功率閥組造成電流沖擊。但由于QF合閘前輔助第三繞組的400V交流電壓已經(jīng)斷開，因此直流輸電多繞組變壓器已經(jīng)完全斷電，閉合QF高壓接觸器時由于變壓器勵磁涌流作用的影響，10kV主電網(wǎng)母線電壓會出現(xiàn)明顯跌落，導致部分開關柜綜合保護裝置低電壓報警。同時，由于長時間運行和受潮引起的系統(tǒng)絕緣性能下降，預充電過程中系統(tǒng)漏電流增大，導致預充電電阻R上的充電壓降增加，最終導致預充電電壓不足，系統(tǒng)預充電失敗。

4.3 預充電系統(tǒng)改造方案

根據(jù)原理分析，為避免系統(tǒng)啟動時出現(xiàn)預充電失敗的情況，需要對系統(tǒng)預充電電阻R進行改進，重新設計預充電電阻阻值和功率。理論上減小充電電阻阻值即可減小充電過程中預充電電阻R上的充電壓降，從而使預充電過程中功率閥組直流電容兩端電壓可以達到更高水平，減小甚至消除預充電失敗的概率。但在減小充電電阻阻值的同時，需要對充電電阻的發(fā)熱情況進行分析和計算，以合理設計充電電阻功率，避免因發(fā)熱嚴重導致充電電阻損壞。

為了避免直流輸電變壓器進線高壓合閘時出現(xiàn)勵磁涌流沖擊，則需要在高壓合閘時保持預充電回路接觸器KM12和KM13閉合，等待高壓進線開關QF閉合之后再分開預充電回路接觸器KM12和KM13，由于直流輸電變壓器未出現(xiàn)完全失電的情況，則進線高壓合閘時不會出現(xiàn)明顯的勵磁涌流沖擊。但由于預充電回路電源和進線10kV高壓電源之間的等效阻抗很小，因此為實現(xiàn)上述操作，必須保證預充電回路電源和進線10kV高壓電源電壓幅值滿足直流輸電變壓器繞組變比關系同時兩組電源相位同步。根據(jù)之前的分析，平臺主變組別為DY11，所以平臺上的400V電源在相位關系上會超前10kV主電網(wǎng)電源30°相位角，而直流輸電變壓器原邊主繞組和輔助第三繞組為YY0組別，故為實現(xiàn)上述操作，必須將預充電回路電源相位延遲30°。所以在直流輸電預充電回路系統(tǒng)中需要加入一個調(diào)相變壓器，變壓器輸入和輸出電壓之間存在30°相位差。綜合上述分析，改造后的充電系統(tǒng)原理圖如圖4所示。通過調(diào)相變壓器保證直流輸電變壓器原邊主繞組10kV電壓和預充電回路400V電源電壓幅值滿足變壓器變比關系，同時兩電源相位完全同步。在充電過程中當功率閥組直流電壓達到閥值后可以先合進線開關QF，之后再分預充電回路接觸器KM12和KM13，控制系統(tǒng)備用電源接觸器KM11，可以避免勵磁涌流沖擊。

圖4 改造后直流輸電系統(tǒng)啟動原理圖

4.4 預充電系統(tǒng)改造效果

2016年5月10日停產(chǎn)大修期間，對中心平臺直流輸電設備整流站預充電系統(tǒng)進行了改造，更換了新的充電回路電阻，同時增加了調(diào)相變壓器以保證系統(tǒng)能夠實現(xiàn)改造方案設計的充電邏輯。進過現(xiàn)場測試，改造前400V充電回路電源與10kV進行高壓電源之間確實存在30°的相位差，測試波形如圖5所示。由于兩電源相位不同步，因此不能實行先合進線開關QF再分預充電回路接觸器KM12和KM13的操作邏輯，否則兩兩位不同的電源并聯(lián)會形成較大環(huán)流，損壞設備甚至危及電網(wǎng)安全。

圖5 改造前預充電電源和高壓相位差

加入調(diào)相變壓器后，預充電回路電源相位被延后了30°，則預充電回路電源和進行高壓電源相位完全同步，示波器測得的兩電源相位關系如圖6所示。同時由于兩電源電壓幅值滿足直流輸電變壓器變比關系，因此兩電源可以短時間并聯(lián)運行，滿足了改造方案充電操作邏輯的要求。廠家研發(fā)人員修改控制程序中的預充電動作邏輯，經(jīng)低壓測試驗證邏輯正確后開始實際高壓測試?，F(xiàn)場測試確認變壓器合閘沖擊電流由之前的幾百安培降低至幾十安培，預充電和變壓器合閘過程對10kV主電網(wǎng)基本不產(chǎn)生任何影響。而由于重新設計和更換了預充電回路充電電阻，充電過程中功率閥組直流電壓可以由之前的500V左右提高至600V以上，預充電失敗的情況不會再次出現(xiàn)。

圖6 改造后預充電電源和高壓相位同步

5 結論

直流輸電移相變壓器功率在小微電網(wǎng)中占比較大，空載合閘瞬間將會產(chǎn)生較大的電磁涌流，進而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，在系統(tǒng)中增加與充電回路可以有效的減小電磁涌流的影響。但當預充電回路與電網(wǎng)存在相位差時，變壓器鐵芯預充磁時形成的磁場將與新建立的磁場相互疊加，而變壓器鐵芯勵磁材料具有非線性特性，造成合閘磁通飽和，勵磁電流成百倍增長，從而產(chǎn)生更嚴重的勵磁涌流。

通過調(diào)相變壓器，將預充磁回路相位調(diào)整到與電網(wǎng)相同后，變壓器合閘涌流基本消失，系統(tǒng)啟動合閘時對10kV主電網(wǎng)影響明顯減小，極大地方便了直流輸電設備的運行操作和維護工作，同時也有效地提高了系統(tǒng)供電的及時性和穩(wěn)定性。

◆參考文獻

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