胜利海上平台谐波分析与治理措施

　中国石化胜利油田分公司海洋采油厂

胜利海上平台谐波分析与治理措施

李勇中国石化胜利油田分公司海洋采油厂

海上油田在开发过程中，外输泵、电潜泵等应用非线性阻抗特性的电气设备在调控生产、节约电能的同时产生了大量的谐波，影响了电气设备的寿命和自控系统的可靠性。为了掌握海上平台电网谐波的实际情况，以胜利埕岛油田CB22F平台为研究对象，测量该平台的电能质量。经过安装有源滤波器后，三相电流中5、7、11等高次谐波含量大大降低。以A相电流为例，总谐波电流有效值由69.5A下降到1.91A，补偿率达到97%以上。测量结果表明，治理措施实施后各次谐波含量降低，有效改善了平台的电能质量。

海上平台；变频；谐波治理；电能质量；电路

在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压，但在实际供电过程中电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备（又称为非线性负荷）供电的结果，例如，海上平台注水泵、外输泵、电潜泵等越来越多设备使用了变频器[1]。

变频器在调控生产、节约电能的同时产生了大量的谐波，给海上电网及变配电设备带来极大的危害和隐患。通过对电网谐波的危害情况进行研究，发现目前海上油田电网谐波主要由油井变频器产生而且比较严重，对用电设备也产生了影响，必须及时采取措施进行治理，以确保电网用电设备的安全可靠[2]。对海上油田已投入使用的变频器谐波进行治理，可以净化电网，给海上用电设备提供安全的电源，提高电气设备的使用效率，也给海上变频器等用电设备的合理应用提供了有效的指导[3]。

1　电网谐波危害分析

海上电网谐波的危害主要体现在对继电保护和自动装置、测量和计量仪器、通信系统以及用电设备危害四个方面。

1.1对继电保护和自动装置的危害

谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响严重，这是由于这些按负序量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰则会引起发电机负序电流保护误动，变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器装置等发生误动，威胁电力系统的安全运行。

1.2对测量和计量仪器的危害

由于电力计量装置都是按频率为50Hz标准的正弦波设计，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录该用户吸收的基波电能并扣除小部分谐波电能，造成谐波源虽然污染了电网，反而减少了电费；与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变差，而且增加了电费。

1.3对通信系统的危害

电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流（HVDC）换流站换相过程中产生的电磁噪声（3～10kHz）会干扰电力载波通信的正常工作，影响电网运行的安全。

1.4对用电设备的危害

谐波会使电视机、计算机的图形畸变，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯，会形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使触发控制回路工作不稳定，触发不对称，产生非特征次数谐波。

2　电能质量测试分析

为了掌握海上平台电网谐波的实际情况，以胜利埕岛油田CB22F平台为研究对象，测量该平台的电能质量。该平台负载分别分为软启动器+电机以及变频器+电机两种配置，测试主要采集AC1260V电压等级负荷运行情况下的电能质量数据，测量测试仪器为美国Fluke435三相电能质量分析仪。

2.1变频器负载测量

该测量点的变压器为6kV/1.26V，其中主要负载是电压等级为AC1260V油井变频器。负载环境共有7台62kW变频器和5台78kW变频器，实际工作中只开启了6台。图1、图2是实测电能质量数据。

图1　电流波形

图2　电流谐波柱状图

由实测数据可知，电流波形完全走样，电流畸变明显。通过负载环境可以判断主要的谐波源是变频器，总的谐波含量为33%左右，而此时的电流为73A左右，对应的5、7、11次谐波数据分别为30.1%（21A）、10%（7A）、5.4%（3.7A）。由于变频器的大量使用，导致谐波含量较大，需要对谐波进行治理。

2.2软启动器负载测量

该测量点的变压器为6kV/1.26V，其中主要负载是电压等级为AC1260V油井软启动器。该负载环境一共有9台62kW软启动器，实际工作中只开启了7台。由实测数据可知，电流波形处于正弦状态，但相位有少量偏移，电流谐波柱状图中谐波含量较少，不需要对谐波进行治理。

3　谐波治理方案

根据海上平台现场测量情况分析，谐波主要由油井变频器产生，结合国内外谐波治理技术，应用就地补偿有源滤波器作为谐波治理方案[4]。目前国内外均无1.26kV电压等级的有源滤波器，需要对有源滤波器结构和电路进行设计。1.26kV有源滤波器主要由输入开关及软启动电路、输入保护电路、LCL滤波电路和功率单元电路四部分组成。

3.1输入开关及软启动电路

输入开关及软启动电路主要由进线隔离开关、接触器及软启部分电路组成。设备在正常启动时，先通过软启电路给设备充电，冲到设备的设定电压值后主接触器闭合，软启动电路会大大降低设备启动时的电流冲击。进线隔离开关用于在设备检修期间设备与系统之间的电气隔离。

3.2输入保护电路

输入保护电路主要由熔断器与避雷器组成。避雷器主要是在供电系统发生雷击浪涌时，吸收瞬时功率，保护设备安全。熔断器有很强的分断能力，在设备出现大的短路电流时，熔断器可以瞬间分断短路电流，使设备隔离开。

3.3LCL滤波电路

LCL滤波电路主要由滤波电抗器、滤波电容器与滤波电阻器组成。LCL滤波装置可滤除网侧高次谐波，将高质量电能稳定地回馈给电网，对电流高次谐波滤除效果明显，能够显著地提高并网电流质量。其中滤波电抗器充分利用MP系列磁粉芯固有的分布式气隙电磁特性和可按需求调整电磁性能的特点，可使高频电流通过的特殊导线线圈完全封闭在罐体内部，罐体既是封闭的磁路也是产品的结构部件，产品仅需一个非导磁螺栓即可完成安装。

3.4功率单元电路

功率单元电路主要由半导体器件IGBT、储能电容、散热器及单元驱动电路板构成，主要执行由主控通过光纤发过来的工作指令。

如表1所示，经过安装有源滤波器后，三相电流中5、7、11等高次谐波含量大大降低。以A相电流为例，总谐波电流有效值由69.5A下降到了1.91A，补偿率达到97%以上。

表1　总谐波电流补偿效果

4　结语

针对整流器、高频开关电源、变频器、大型UPS、焊机等大容量工业非线性负载，应用了以有源滤波器为主的谐波抑制装置。经过现场电能质量测量证明，海上平台油井变频谐波污染得到了净化和消除，生产设备的谐波危害得到了充分治理与防护，大大降低了谐波引起的变频设备、线缆、变压器等输配电负载设备的损耗，保证胜利海上平台电网安全、高效运行。

[1]李梅．潜油电泵中压变频调速驱动技术研究[J]．油气田地面工程，2013，32（2）：31-32.

[2]李阳松．海上平台谐波治理与无功补偿[J]．科技与企业，2013 （10）：333.

[3]樊春林．高压无功补偿技术在杏南配电网的应用[J]．油气田地面工程，2011，30（9）：67-68.

[4]曹靖，王洪起．海上平台电能质量改善[J]．石化电气，2011 （11）：46-48．

（0546）8588686、liyong906.slyt@sinopec.com。

（栏目主持关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.021

李勇：高级工程师，从事海上油气田采油工程技术研究工作。

2015-02-16