并联电抗器在南海油田群长距离输电中的应用

骆金龙

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

0 引言

在海洋油气田开发中，海缆将海上油气田电力系统连接成一个完整的有机体。随着海洋石油油田群规模和范围的不断扩大，以及中小油田和边际油田的滚动开发，井口平台不设电站，依托中心平台电站通过海缆将富余电力输送到平台的供电模式得到广泛应用。随着井口平台到中心电站的距离越来越远，在利用长距离海缆进行输电时，由于电缆的容性效应会出现较大的容性无功。当井口平台负荷较轻或运行在轻载和空载状况时，平台电力系统没有足够的感性负荷与之平衡，会带来发电机进相运行、系统电压出现波动以及系统稳定性降低等问题。

1 无功功率

1.1 无功功率补偿（Reactive power compensation）

电网输出功率包括有功功率和无功功率。直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，这部分功率称为有功功率；不消耗电能，只把电能转换为另一种形式的能，它作为电气设备作功的必备条件，并且这种能在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率。

无功补偿，是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。

1.2 容性无功的产生

电缆线路在系统中运行时，由于其相对地、相与相之间存在分布电容，在电缆中存在着容性无功功率。它与电缆的单位电容C0、电缆的长度l 以及系统电压U 相关。电缆的单位电容是指导体与金属屏蔽或金属套间的设计电容。电缆线路中存在的容性无功功率QC计算见式（1）。

式中 U——系统电压，kV

ω——系统角频率，ω=2πf

C0——单位电缆电容，Μf/km

l——电缆长度，km

1.3 过量容性无功的影响

（1）发电机进相运行。发电机既是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。其电气图及等值电路如图1所示。

在电力系统正常运行时，发电机发出供系统中感性负载吸收利用的无功功率，此时发电机处于过励磁迟相运行状态。即电流I˙滞后于U˙，P＞0，Q＞0，功率因数为正。但是，当系统中容性无功过大，没有足够的感性无功负载与之平衡，发电机在正常输出有功功率的同时，会吸收系统中的容性无功，变为欠励磁迟相运行，即电流I˙超前于U˙。P＞0，Q＜0，功率因数为负，如图2 所示。

图1 发电机电气图及等值电路

图2 发电机运行相量

当发电机进相运行时，随着励磁电流下降，电磁转矩下降，发电机定、转子磁极间磁力线减少，在转子上就会出现转矩不平衡现象，故发电机进相运行受诸多条件限制，如现有励磁系统能否满足进相运行条件、发电机静稳极限对进相运行的限制、系统电压变化范围的限制以及进相运行时可能导致的失磁不同步等的限制。所以，发电机进相运行极易出现：①发电机静稳定性降低；②发电机定子端部发热严重；③低励整定容易误动作。

（2）影响发电机的带载能力。电网中额外增加的容性无功，需要由发电机发出相应的感性无功并经过长距离线路传送来进行平衡，从而要求发电机容量增加，否则会导致发电机带载能力下降。

（3）系统末端电压升高，在孤立的小系统中尤为明显，容易损坏用电设备。

（4）发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

1.4 并联电抗器补偿容性无功

并联电抗器无功功率补偿装置常用于补偿系统容性。它通过向高压长距离的电缆输电网络提供感性无功功率，补偿电网中剩余的容性充电无功功率，控制无功功率潮流，保证电网电压稳定在允许范围内。

并联电抗器用于补偿输电线路的容性充电功率时，其容量可按式（2）计算。

式中 QL——并联电抗器容量，MVar

QC——线路中的充电功率，MVar

β——补偿度，取0.4～0.8

并联电抗器可根据电网运行状况进行有级调节，能够方便有效的使系统达到无功平衡。轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，减少无功功率不合理流动 同时也减轻了线路上的功率损失，并能防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

2 并联电抗器进行容性无功补偿在南海某油田群的应用

2.1 改造前的问题

南海某油田群由A，B，C，D，E 共5 个生产平台和1 艘十万吨级FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生产储油卸油装置）组成。油田采用集中供电方式，3 台索拉（SOLAR）公司生产的金牛（TAURUS）70 透平发电机组集中安置在FPSO 上，采用2 用1 备的方式运行。10.5 kV 电力从FPSO经单点电滑环及2 条海底电缆输送至A 平台。A 平台作为电力中转站，将电压升高至35 kV 后，分3 路外输至B，C，D，E 等4个平台。油田群平台分散且相互之间距离较远，海底电缆长度分别为2 km，5.5 km，38.6 km，29.6 km，18 km，海底电缆总长度约95 km。在投产初期，海底电缆产生的容性无功合计约为-5.5 MVar、发电机进相运行（功率因数在0.86～0.9）、末端平台电压抬升至38 kV（超出额定电压35 kV 约9%），严重影响油田群电力系统的稳定。

2.2 改造方案

针对该油田群电力系统存在的问题，首先对海缆产生的无功功率进行计算。根据海缆充电功率计算公式，海缆中产生的充电功率QC=4.9 MVar。

利用EDSA 电力系统分析软件进行建模、计算分析，找出影响系统稳定运行的原因。模型中各主要参数包括发电机参数、变压器参数、海缆参数、负荷参数。

根据EDSA 分析结果，潮流计算分析的结果和正常工况下实际运行数据完全相符。该油田群在正常运行工况时，除了给B平台供电的海缆长度较短，平台负荷能够平衡海缆中的容性无功，其他几条海缆都存在大量剩余的容性无功，从而导致两透平机需要吸收约2 MVar 的容性无功。因此，FPSO 上的透平发电机在正常工况下运行时一直处于进相运行状态，在电网轻载运行工况下，发电机进相又进一步加剧，2 台透平发电机需要吸收约3.5 MVar 的容性无功，并且系统中流动的无功增加，系统电压进一步抬高。

在EDSA 模型中，投入了5 MVar 的并联电抗器，电抗器投入后，在正常和轻载两种工况下都能保证发电机正常迟相运行，并且发电机运行的功率因数在0.8 以上，是非常合理的运行状态。

2.3 系统改造

根据分析计算结果，并考虑各平台的空间布局，最终采用就地并联电抗器的方案进行改造，将3 台容量为1 MVar，2 MVar，2 MVar，电压等级均为35 kV 的电抗器安装在距离较远的C，D，E 等3 个平台。

2.3.1 电抗器的主要结构、原理接线图及技术参数

电抗器为3 柱式结构构成的。三相绕组由套管引出电抗器后通过（1×3×95）mm2的独立电缆经一真空断路器接入35 kV母排。电抗器均采用封闭型外壳，可以使外界空气以循环方式直接冷却铁心和绕组。为加强干式电抗器的通风散热，选择安装风冷系统，并加装一套温度控制系统。电抗器绕组和铁心的温度通过铂电阻Pt100 传输到温控器上，温控器具有集温度显示、控制远程输出等功能。

2.3.2 电抗器回路保护设置

（1）电抗器的进线端装设一台35 kV 的真空断路器，并配备了多功能继电器，设置了4 种保护，即电流速断保护、定时限速断保护、过负荷保护以及过电压保护，没有设置差动保护。

（2）电抗器温度控制器具有三相铁芯温度巡回测量显示、最大值测量并显示、输入开路、故障自检显示输出、冷却风机自动起停输出、超温报警显示并输出、超温跳闸显示并输出、风机手动控制/自动控制两种状态显示、输出等。电抗器温度异常报警会在MCC（Motor Control Centre，电机控制中心）控制中心显示和报警，电抗器超温保护跳闸信号接入相应多功能保护继电器，使对真空断路器跳闸，电抗器退出运行。

（3）组织专业人员专门编写《电抗器管运行管理规定》，对电抗器的运行、巡检、异常和事故处理作明确规定。

2.4 改造效果

该油田群完成并联电抗器改造后，设备运行近2 a，各项指标达到预期的效果。

（1）主发电机组始终保持在迟相运行状态，容性无功得到了有效的补偿（表1、表2）。

表1 改造前发电机状态

表2 改造后发电机状态

（2）发电机，励磁电流下降，发电机定子端发热大大下降，静态稳定性得到加强。

（3）远端平台电压由38 kV 将至35.5 kV，满足电压运行要求。

3 结论

采用并联电抗器，成功解决了南海某油田群长距离输电产生的容性无功过大导致发电机远端电压抬升等问题，为其他海上油气生产装置解决同类问题提供可借鉴范例。