黃浩軍，冀泓舟，孟凡磊

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；3.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

0 引言

海上油田一般采用自備的發(fā)電機(jī)供電，隨著海上油田技術(shù)的進(jìn)步，油田開(kāi)發(fā)的規(guī)模越來(lái)越大，以海上平臺(tái)為基礎(chǔ)形成的負(fù)荷變得日益龐大。此外，部分油田沒(méi)有伴生氣或者伴生氣不足，需要采用原油發(fā)電機(jī)組，對(duì)原油的消耗量巨大，影響油田產(chǎn)出，污染嚴(yán)重，且發(fā)電機(jī)依賴進(jìn)口，目前我國(guó)不具有自主生產(chǎn)能力[1]。借助岸電技術(shù)通過(guò)陸地電網(wǎng)為海上油田供電可很好地解決上述問(wèn)題。

在秦皇島和曹妃甸油田群岸電應(yīng)用工程中，建立兩個(gè)220 kV 開(kāi)關(guān)站從電網(wǎng)引入220 kV 電源，通過(guò)高壓交流海底電纜送至兩個(gè)海上動(dòng)力平臺(tái)，并通過(guò)110 kV海底電纜互聯(lián)實(shí)現(xiàn)電力互供，實(shí)現(xiàn)雙路電源[2]。穩(wěn)定性是岸電系統(tǒng)中的核心問(wèn)題，在交流輸電過(guò)程中易發(fā)生三相接地、單相接地、雙相接地問(wèn)題，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)尚未對(duì)岸電系統(tǒng)故障的識(shí)別問(wèn)題和預(yù)防措施進(jìn)行深入研究[3-6]。文獻(xiàn)［7］通過(guò)峭度值識(shí)別了超高電壓下的單相故障，但是未對(duì)其他種類故障的識(shí)別方法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［8］提出海上平臺(tái)故障的供電恢復(fù)策略，但是系統(tǒng)建模和分析過(guò)程中忽略了線路阻抗的影響。文獻(xiàn)［9］通過(guò)沿線電壓分布規(guī)律快速鎖定故障位置，但是所提出的方法無(wú)法確定故障類型。文獻(xiàn)［10］通過(guò)電壓相位的波動(dòng)特征，對(duì)單相永久性故障進(jìn)行了研究，但未對(duì)海上油田系統(tǒng)進(jìn)行研究。

為及時(shí)識(shí)別故障，減小故障發(fā)生率及連帶損失，保證輸電穩(wěn)定性，通過(guò)建立秦皇島曹妃甸油田群岸電的電磁暫態(tài)仿真模型，模擬不同位置及不同類型故障，提取故障信息和故障發(fā)生前后的典型特征量，提出油田岸電運(yùn)行故障識(shí)別算法，該算法可用于實(shí)際工程系統(tǒng)故障識(shí)別，極大提高了供電質(zhì)量和安全性，在節(jié)能減排、周邊油田依托開(kāi)發(fā)等方面的社會(huì)效益顯著，有利于推進(jìn)碳達(dá)峰和碳中和計(jì)劃的國(guó)家戰(zhàn)略。

1 油田岸電等效模型及特點(diǎn)

根據(jù)渤海海域秦皇島和曹妃甸油田群岸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖建立油田岸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 油田岸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用HVAC（High Voltage Alternating Current，高壓交流輸電）技術(shù)，主要有曹妃甸和秦皇島兩個(gè)海上平臺(tái)。由唐山港和樂(lè)亭分別用42.8 km 和26.7 km的海底電纜輸送至曹妃甸和秦皇島海上平臺(tái)，曹妃甸和秦皇島海上平臺(tái)用62.3 km 的海底電纜相連，曹妃甸海上平臺(tái)的負(fù)載為120 MW，秦皇島海上平臺(tái)的負(fù)載為80 MW。

1.1 海底電纜等效模型

線路電壓為110～220 kV 的海底電纜采用中等長(zhǎng)度輸電線路。此種線路由于分布電容不可忽略，電暈影響可以不計(jì)，即G=0，可得：

由于Π 形等效電路更為常用，這里采用圖2 中的Π 形等效電路。

圖2 交流輸電線等效電路

1.2 交流輸電技術(shù)特點(diǎn)

將HVAC 用于海上油田電力傳輸，由于交流海底電的分布電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于架空線，電纜相當(dāng)于一部分輸送能力被電容占用，當(dāng)線路過(guò)于長(zhǎng)時(shí)，電纜上的輸送能力會(huì)被電容占據(jù)，造成線路無(wú)法輸送電能，導(dǎo)致海上的輸電距離受到限制。交流電纜的電容效應(yīng)會(huì)降低線路的輸電效率，電壓等級(jí)越高，交流電纜線路越長(zhǎng)，充電功率越大，可在線路兩側(cè)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置保證線路功率的正常傳輸。對(duì)于海底電纜，線路位于海底，無(wú)法在線路中部進(jìn)行補(bǔ)償，輸電距離受到限制，常用電壓等級(jí)電力輸電線路以及輸電距離的大致范圍見(jiàn)表1[11]。

表1 HVAC 電纜電壓等級(jí)與輸送容量、輸電距離間的關(guān)系

表1 中所示范圍內(nèi)的交流輸電經(jīng)濟(jì)性較高，從表1中可以看出HVAC 一般適用于小規(guī)模輸電例如海島供電和近岸石油平臺(tái)供電等[12]。

2 故障特性分析

2.1 系統(tǒng)模型

在PSCAD/EMTDC 中搭建如圖3 所示的油田岸電交流輸電系統(tǒng)。通過(guò)針對(duì)油田岸電系統(tǒng)，分析不同故障下的系統(tǒng)響應(yīng)特性，搭建HVAC 輸電模型的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 秦皇島和曹妃甸油田岸電輸電系統(tǒng)參數(shù)

圖3 油田岸電交流輸電系統(tǒng)模型

2.2 仿真分析

在仿真模型中分析發(fā)生單相接地、雙相接地、三相斷路3 種故障時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.2.1 單相接地和兩相接地

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s 在位置I/II/III/IV/V 發(fā)生暫時(shí)性單相和兩相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間均為2 s，系統(tǒng)故障特性如圖4所示。在I/II（III/IV/V）點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，對(duì)V1（V2）產(chǎn)生更大影響，這是由于V1（V2）相對(duì)于故障發(fā)生點(diǎn)的距離不同。

圖4 不同位置發(fā)生單相/兩相接地故障時(shí)的動(dòng)態(tài)特性

發(fā)生短路故障時(shí)，線路電流增大，流入故障點(diǎn)，在兩個(gè)變壓器中間的傳輸線發(fā)生短路時(shí)即位置II（III），短路電流I1（I2）增大最明顯，是由于此處距離故障點(diǎn)最近。

2.2.2 三相斷路

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s/30 s 在位置I/II/III/IV/V/VI 發(fā)生暫時(shí)性三相斷路故障，故障持續(xù)時(shí)間均為2 s，系統(tǒng)故障特性如圖5 所示。

圖5 不同位置發(fā)生三相斷路故障時(shí)的動(dòng)態(tài)特性

在I 處發(fā)生斷路故障時(shí)，樂(lè)亭開(kāi)關(guān)站供電中斷，導(dǎo)致V1和V2減小，V1距離故障點(diǎn)更近，電壓跌落更明顯。在II、III、IV、V 處發(fā)生斷路故障時(shí)，兩側(cè)開(kāi)關(guān)站電源連接斷開(kāi)，分別獨(dú)立向負(fù)載進(jìn)行供電。在II 處發(fā)生斷路故障時(shí)，I1電流降為零。在III 處發(fā)生斷路故障時(shí)，I1電流減小，V1電壓上升，V2電壓下降。在IV 處發(fā)生斷路故障時(shí)，I2電流降為零。在V 處發(fā)生斷路故障時(shí)，I2電流減小，V1電壓上升，V2電壓上升。在VI 處發(fā)生斷路故障時(shí)，樂(lè)亭開(kāi)關(guān)站供電中斷，導(dǎo)致V1和V2減小，V2距離故障點(diǎn)更近，電壓跌落更明顯。

3 故障識(shí)別

交流海底電纜發(fā)生故障概率相比架空線路低很多，但是由于交流輸電電纜位于海底，停電檢修和維護(hù)難度大，有必要針對(duì)交流海底輸電線路進(jìn)行故障位置及類型的識(shí)別。在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究交流海底電纜輸電故障類型及位置的識(shí)別方法。

3.1 故障類型判斷

設(shè)置電壓電流的基準(zhǔn)值，Iset=1pu，Vset=1pu。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)故障類型做出判斷，如圖6 所示，為之后的故障位置判斷奠定基礎(chǔ)。

圖6 故障類型識(shí)別

數(shù)據(jù)輸入后，當(dāng)I1＜10Iset，故障為三相斷路，當(dāng)I1＞10Iset，故障為單相短路或兩相短路，當(dāng)V1＜0.4Vset，故障為單相短路，否則判斷V2＜0.4Vset，如果符合則為單相短路，不符合為兩相短路。

3.2 故障位置判斷

當(dāng)交流輸電發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)圖6 流程進(jìn)行判斷得到故障類型，根據(jù)不同故障類型通過(guò)圖7 進(jìn)行相應(yīng)的判斷，得出故障位置。

圖7 故障位置識(shí)別

發(fā)生單相短路（兩相短路）故障時(shí)，當(dāng)V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置為I 或II，當(dāng)I1＜100Iset，故障位置為I，否則故障位置為II。當(dāng)V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置為III、IV 或V，當(dāng)V2＞0.67Vset（V2＞0.2Vset），故障位置為V，否則判斷I2＞100Iset，如果符合為III 處發(fā)生故障，如果不符合為IV 處發(fā)生故障。

發(fā)生三相斷路故障時(shí)，當(dāng)I1＜Iset，故障位置為III或II，當(dāng)V1＞1.01Vset，為II 處發(fā)生故障，否則為III 處發(fā)生故障。當(dāng)I1＞Iset，故障位置為I、VI、IV 或V，當(dāng)V1＜0.99Vset，為I 處發(fā)生故障，否則為VI、IV 或V 處發(fā)生故障，當(dāng)V2＜0.99Vset，故障位置為VI，否則判斷I2＜0.2Iset，如果符合為V 處發(fā)生故障，不符合為IV 處發(fā)生故障。

3.3 識(shí)別方法

通過(guò)故障類型和故障位置的判斷，提出交流海底電纜輸電的故障識(shí)別方法如圖8 所示。數(shù)據(jù)輸入后，進(jìn)行邏輯判斷，判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，再判斷故障類型，最后判斷故障位置并發(fā)出故障類型和位置。

圖8 故障識(shí)別

4 結(jié)論與展望

針對(duì)秦皇島和曹妃甸油田群岸電案例對(duì)交流輸電進(jìn)行研究，建立交流海底電纜的線路模型并選取交流輸電過(guò)程中的故障類型和故障位置。在PSCAD/EMTDC中搭建交流輸電模型，對(duì)3 種故障的不同位置進(jìn)行仿真并選取測(cè)量位置進(jìn)行分析。

根據(jù)交流輸電模型的故障結(jié)果進(jìn)一步提出來(lái)對(duì)故障的識(shí)別，根據(jù)不同的故障所得的4 個(gè)變量測(cè)量值，可以有效識(shí)別故障發(fā)生的位置和類型，電站工作人員可以根據(jù)故障發(fā)生的位置和類型進(jìn)行精準(zhǔn)搶修，減小故障時(shí)間，減少故障所帶來(lái)的損失，提高交流輸電的經(jīng)濟(jì)效益。