海洋平台电力系统主要调压方式探讨

王树达，安晓龙，孔凡旭，陈亮

（海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451）

1 前言

海上油气田开发工程的电力系统是电能的产生，变换，传输，分配和消耗等全部设施和网络的总称。这个系统将自然界的能源（如:天然气或原油）通过动力发电设备（如:柴油机，双燃料柴油机或双燃料燃气轮机等）旋转机械设备的动能转换成电能，再通过变电，输电和配电，将电能分配给用电设备。随着我国沿海海上油气田的开发和利用，海上油气田规模在逐步扩大，海上油气田电力系统的供电范围也在逐步扩大，它对电力系统设计的要求也越来越高，因此保证海洋电力系统的用电质量至关重要，而电压是衡量电能质量的一个重要指标。

2004年IEEE给出的电压稳定的定义［1］是:“系统在给定的初始运行点处，经历扰动后，所有母线能够维持稳态电压的能力”。系统能够保持电压稳定依赖于在负荷需求和电能供应之间维持或恢复功率平衡的能力。电压稳定问题实质上是系统的承载能力问题，即供需不平衡问题。本文将针对海洋平台3种主要调压方式进行分析与探讨。

2 电力系统调压原理

电力系统调压原理如图1所示［2］。

图1 电力系统调压原理图

在图1中，一台发电机通过升压变压器、线路和降压变压器向用户供电，要求调节负荷节点b的电压。略去线路的电容功率、变压器的励磁功率和网络的功率损耗，b点的电压为:

式（1）中，k1和k2分别为升压变压器和降压变压器的变比；R和X分别为变压器和线路的总电阻和总电抗。

海洋平台的电力系统与图1类似，由式（1）可见，为了调整用户端电压Vb可以延伸出海洋平台的3种主要调压方式:

（1）调节发电机励磁电流以改变发电机端电压VG；

（2）无功补偿；

（3）适当选择变压器的变比（有载调压）。

下面将针对3种调压方式在海洋平台的应用情况进行分别的研究。

3 系统主要调压方式及调节策略

3.1 发电机励磁调压及其控制调节

对于海上油气田电站的同步发电机来说，当负载发生变化时，由于电枢反应的影响将使发电机的端电压发生变化，尤其是电感性电流的影响，它可能造成用电设备无法正常工作（如:电动机停转，日光灯熄灭，继电器的接触器释放等），因此需要采用自动电压调整装置来调整发电机的端电压。

自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。目前海洋平台的发电机均配备了自动电压调节器（AVR），出厂时AVR基本已经设定好了，一般能够满足试运行的要求，只需要调整一个在空载或负载时的电压。

下面针对AVR（MX341型）在负载情况下，出现电压调节特性差或电压下降的几种情况的调节策略。

3.1.1 频率过低引起的电压下降

AVR连着一个转速保护线路，其电压/频率特性如图2。控制电位器设定“膝点”位置。设置不当时症状为:（1）在控制电位器上方的一只发光二极管（LED）在负载时一直亮着；（2）在负载时电压调整率低，即此时发电机工作于特性曲线上，即50Hz的发电机频率为47Hz；60Hz的发电机频率为57Hz。指示灯就发亮。

图2 AVR转速保护线路电压/频率特性曲线

3.1.2 励磁跳闸

当两相间或一相与中性线发生短路时，由永磁机供电的AVR将提供最大的励磁系统，为了保护发电机绕组，AVR和一个过励磁线路相连，该线路一旦探测到过高的励磁电流，在一个预设的时间后就会切断励磁。励磁跳闸设置不当将使发电机在负载或稍过载时产生电压聚然下降，同时发光二极管一直亮着。如出现这种情况，应调节端子X与端子XX之间的电压为70V±5%。

3.1.3 瞬时加载调节

AVR附加的电压下降和恢复时间延迟控制功能，使发电机组具有最优化的负载接受能力。整个发电机组的运行性能和调速器反应速度以及发电机的特性所决定。调节电压下降水平及恢复时间和发电机性能有很大的关系，因此必须在频率下降和电压下降中做出一个折衷的选择。

3.2 变压器有载调压

变压器有载调压技术广泛用于配电系统，其基本原理是从变压器某一侧的线圈中引出若干分接头，通过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下，由一分接头切换到另一分接头，以变换有效匝数，达到调节电压的目的。

有载调压变压器可以保持电网运行在较高的电压水平，优化了无功功率，从而降低了线损，提高了电网经济效益。但有载调压变压器无法改变无功需求平衡状态，会将无功功率缺额全部转移至主网，从而使主网电压逐渐下降，严重时可能引发系统电压崩溃。

3.2.1 有载分接开关

有载分接开关主要包括切换开关、分接选择器、储能机构、减速箱、电气控制部分、过流保护、电流互感器、控制器等，投运之前应先对分接开关手动操作一个循环试验，然后通电进行电动操作试验。试验过程中检查变压器电压变化是否正确、位置指示是否一致，检查控制器功能是否正确无误后，方可投入运行。分接开关在正常运行中一般不须特别维护，如发现不切换或异常声光现象时，应及时检查，排除故障后方可继续运行。

正常运行的分接开关每年至少进行一次检查；如一年内运行次数达到5000次时，应进行一次检查，检查项目如下:

（1）切换转换触头及选择器触头等处每年必须涂一次工业凡士林润滑。

（2）检查、清除绝缘件和导电零件表面的灰尘。（3）检查所有紧固件有无松动，并及时拧紧。

（4）检查所有运动磨擦部位的润滑情况，清除污损的润滑脂、及时补充清洁防冻润滑脂。这些部位包括:滑动轴承，丝杆与丝母，轴套与轴等。

（5）检查选择器触头压力弹簧有无损坏、动触头运动是否灵活。

（6）检查真空开关管触头开距应在3mm以上，触头超程不应小于5mm，必要时进行调整。如发现真空开关管有破损或漏气情况，可按内部绝缘要求在真空开关管动静触头间进行4kV工频1min耐压试验，若发生击穿须更换好的真空开关管。

3.2.2 有载调压控制策略

有载调压虽然有其自身的不足，但随着新技术的引入，有载调压变压器自动调压分接头的使用势必更加广泛，对于有载自动调压所带来的副作用，通过采取适当的措施和方法是可以消除和减小的:

（1）制定变压器有载调压运行原则。设定当调压变压器一次侧电压高于某一最低数值时（如额定值的90%～95%）时才允许进行有载调压，如一次侧电压低于规定的最低数值时，立即闭锁有载调压。

（2）对于多平台集中供电的电力系统，应在多个平台建立带负荷调压的自动闭锁系统，将每个平台分成若干“带负荷调压闭锁动作区”，由选定的节点测定电压进行监控，当监测到的电压低于认定门槛时，自动地将闭锁命令有序地传到平台的每一台带负荷自动调压装置，闭锁变压器的带负荷调压。

（3）由于有载调压变压器无法改变系统的无功需求平衡状态，所以系统应有足够的无功容量，才能避免引发电网的电压崩溃。所以对电网规划设计时，应进行全面考虑，提高网络的电压强度。

（4）系统出现大扰动，引发电压大幅度下降时，应设置应急工况，闭锁有载调压，并切除部分负荷，消除系统有功和无功缺额，或在系统中设置电压降低自动减负荷装置，抵消变压器控制产生的负面影响，快速动作，限制局部扰动发展为全网或主网事故。

3.3 无功补偿

海上油田的机采系统、注水系统及油气集输系统多采用三相异步电动机作为动力。这种系统的负荷分散性大，配电网供电半径大、分支多、配电变压器数量多、负荷率低，因而运行时供电线路的网损率高，功率因数低，末端压降大。海上油田配电网的无功补偿基本上以电容器补偿为主［4］。不过，由于现在海上油田的规模越来越大，多平台集中供电的方式越来越多，因此，有大量的长距离的海底电缆被应用到海上平台的电力系统中，长距离的海缆往往使系统电阻呈容性，所以在海洋平台电力系统的无功补偿上也有部分电抗器的使用。

3.3.1 无功补偿配置原则

为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。

（1）总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。

（2）发电机补偿与负荷补偿相结合。

（3）分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。

（4）降损与调压相结合，以降损为主。

利用并联电容器进行无功补偿，其主要目的是为了达到无功电力就地平衡，减小网络中的无功损耗，以降低线损。与此同时，也可以利用电容器的分组投切，对电压进行适当的调整，这是补偿的辅助目的，在一般情况下，以降损为主，调压为辅。但目前海洋平台电力系统中的无功补偿装置受平台面积以及环境条件的限制，多采用集中补偿的方式，虽然提高了供电能力、减少了线损和电能损耗，稳定了电压。但这种方式未能很好地解决电网内部的无功流动。因此，无功电流在内部仍大量存在，电力网络的线损等仍比较大。

3.3.2 无功补偿方式、容量的选择

配电网无功补偿方式的选择，从理论上而言，无功补偿最好的方式是在哪里产生无功，就在哪里进行补偿，整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网中这是不可能做到的，因为无论是变压器、输电线路还是各种负载，均会产生无功。所以实际电网中就补偿装置的安装位置而言有以下几种补偿方式:变电站高、低压母线集中补偿；高、低压配电线路分散补偿；负荷侧的集中补偿；负荷的就地补偿。一般应将几种补偿方式结合起来采用，以达到最佳的补偿效果。

配电线路上的分散补偿容量通常可以按照“三分之二”法则来选择。即在均匀分布负荷的配电线路上，安装电容器的最佳容量是该线路平均负荷的2/3；安装最佳地点是自送电端起的线路长度的2/3处。这一结论是在理想情况下推演出来的，因此在应用时，应根据具体情况具体分析，不能一概而论。

4 结束语

对海洋平台电力系统的调压方式进行合理的设计，能够有效地维持系统的电压水平，降低配电网损耗，提高功率因数，对于配电网的稳定、海上油田安全经济运行具有重要的作用。

［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］何仰赞，温增银等.电力系统分析（下）［M］.武汉：华中理工大学出版社.1991：35 －87.

［3］罗显泉.浅析无功补偿与电网经济运行的关系［J］.电力电容器，2007（4）：6 －9.

［4］李炳建，闰苏莉，魏娜.油田配电网无功优化分析［J］.国外电子元器件，2008（7）：25 －26.