浅谈海洋油气田电力系统供电安全措施

李璇 张晓宇 丁洪霞 杜银昌 许建奎

摘要：从设计角度分析了海洋油气田电力系统供电安全方面存在的问题，结合实际工程项目案例提出了相关问题的解决方案，对于未来海上油气田开发项目中电力系统的方案设计提供了可参考和借鉴的经验。

关键词：海洋油气田;电力系统;供电安全

1    海洋平台电力系统特点

安全、可靠的电能是海洋油气田开发的重要电力保障。海洋石油平台电力系统受海洋环境和服务行业的影响，其电力系统构成、电压等级、电站的总装机容量以及电气设备和负载的种类与性质都与陆地有很大的差别。海洋平台电力系统主要有以下特点：

（1）为集发电、变电、输电、配电于一体的孤立电网;

（2）单机容量和总装机容量都比较小，远远小于陆地电网;

（3）供电电压较低，输电距离较短;

（4）发电机出线与母线直接连接，多台发电机共母线运行;

（5）电力输送主要通过电缆传输，输电线路的对地电容较大;

（6）相对于主发电机，电动机、变压器容量较大，电动机启动压降大，变压器空投时励磁涌流高。

2    海洋平台供电安全存在的问题

随着海洋石油“深水战略”和“二次跨越”的实施，海洋油气田开发的步伐不断加快，海上平台电力系统也得到了长足发展，逐步由过去单个平台的小型电站发展为目前集发电、变电、输电、配电于一体的较大的电力网，逐步由过去单个平台的孤立电站发展为目前多个平台间互联以至整个油田群组网的较为复杂的电力网络。

当前，海洋油气田电力系统单机容量、电站总容量不断提高，变电变压器的功率不断增大，电压等级越来越高，输电距离越来越远，系统拓扑结构越来越复杂。因此，出现了一些影响平台供电安全、稳定的新情况、新问题，例如，短路电流直流分量高造成短路时断路器分断困难;大容量变压器空载合闸时产生巨大的励磁涌流，会对系统造成严重的冲击。这些问题对海上平台电力系统的供电安全和稳定运行造成了严重影响，一旦系统中某个节点出现故障，不但直接影响本平台的供电安全，甚至可能使组网运行的整个区域的电力网供电中断，造成油田群大面积的停电停产，甚至还可能引发严重的安全事故，造成重大财产和经济损失。

3    供电安全分析与解决方案

3.1    短路电流直流分量高

随着海洋平台电力系统单机容量和总装机容量的不断提高，中压系统从短路点计及的等效电感与电阻之比增大，直流分量衰减时间加长，造成中压系统断路器开断时短路电流的直流分量较高，开断困难，这将对电力系统的安全稳定运行造成严重影响。

短路电流直流分量对断路器正常分断能力的影响，主要由以下两个方面决定：

（1）直流分量持续时间越长，第一个短路半周波全电流峰值越大，断路器灭弧过程中拉弧释放的能量也越大，导致断路器开断困难;

（2）直流分量过大会导致过零点漂移。通过计算，在某些支路上，短路电流较小，但直流分量的存在可能造成短路电流过零点漂移，更严重的情况是灭弧时间变长，甚至导致电弧不易熄灭。

研究表明，当直流分量占短路电流交流分量幅值的比例小于1/5时，断路器设计选型时，可只按短路电流交流分量有效值校验;当直流分量占短路电流交流分量幅值的比例大于20%时，断路器的设计选型不仅要校验交流分量有效值，还要同时考虑直流分量百分比的影响。

在进行具体的电力系统设计选型时，目前，适用于发电机出口的断路器主要有普通真空断路器、发电机出口专用断路器和快速限流器三种类型，三种断路器优缺点对比如表1所示。

实际选型时，应根据电网拓扑结构和实际短路计算值，统筹考虑技术可行性和经济性，判断采用何种短路分断设备。

某海上项目电站设置三台大容量发电机组，发电机出口三相短路时，直流分量高达60%，普通断路器根本无法开断。为解决该问题，设计首次采用了“3+2”系统拓扑结构，即发电机出口母线分成三段，各由一台发电机供电，三段母线之间由两台快速限流器相连。

采用快速限流器后，短路故障发生时，快速限流器能在10 ms内动作，将电力系统快速分割成三个子网（解列运行），从而降低短路电流。快速限流器动作后的短路电流交流分量和直流分量大幅下降，直流分量降至19.6%，断路器能可靠动作。

3.2    变压器空载合闸励磁涌流大

海洋平臺电力系统为孤立系统，在平台主发电机黑启动时，首先开启应急发电机为主发电机的辅机盘供电;主机辅机得电后，启动主发电机;主发电机运行后，投入配电变压器，将辅机盘电源由应急发电机切换为主发电机。此时，系统仅有单台发电机运行，容量较小，变压器空载投入时，会产生很大的励磁涌流，为变压器额定电流的6～10倍。过大的励磁涌流会对系统造成很大的冲击，甚至直接造成主发电机出口断路器跳闸，因此，必须对变压器励磁涌流加以限制。海上工程项目中普遍采用的涌流抑制方法主要有以下两种：

（1）采用涌流抑制器限制变压器的励磁涌流。通过对变压器磁通的监测，控制断路器分合闸角度，从而抑制变压器励磁涌流，避免因励磁涌流造成断路器跳闸。此外，涌流抑制器还具备控制补偿功能，可根据影响断路器分合闸角度精度的因素动态判定分合闸点以保证涌流抑制效果。通过使用涌流抑制器，大大提高了变压器空投的成功率，同时也提高了电力系统的暂态稳定性。近期某项目使用了基于三相联动合闸技术的涌流抑制装置，据该作业方反馈，应用效果较好，可将涌流抑制到较低水平。

（2）采用固态晶闸管软启动器启动大容量变压器。该技术主要利用固态晶闸管软启动器可以控制电压输出的原理，使用软启动器的电压斜坡功能为变压器的原边缓慢提升电压，通过原边电压的线性升高来为变压器充磁，建立工作磁场，在启动过程中可基于零压启动，所以几乎没有冲击电流出现。该方法具有原理简单、计算快捷、实用性好等特点，解决了变压器空载合闸时因励磁涌流过大合闸失败的问题，并且减少了大电流冲击造成设备使用寿命缩短的不良影响，延长了设备的正常工作时间。

3.3    主发电机进相运行问题

海洋平台电力系统主要采取集中供电方式，主电站通常设置几台容量相同的发电机组，并通过海缆或栈桥电缆向附近的其他井口平台供电。当海洋油气田平台主电站通过海缆长距离为其他井口平台输送电力时，由于海缆线路长，电压等级高，线路容性无功功率将会非常大，导致主发电机进相运行。这会产生静态稳定性降低，定子端部温度上升，机端电压下降，定子电流增加等一些列问题，严重影响发电机的安全和整个电力系统的稳定性。

为解决长距离海缆输电线路电容性无功功率增大造成的发电机进相运行问题，经广泛的技术分析、比较，海洋平台电力系统引入了动态无功补偿装置SVG（Static Var Generator）。SVG就地装设于电力系统中，可动态地对电网无功功率进行快速调节和补偿，SVG的功能相当于一个无功电源，它可以自动调节，随着无功负荷的盈亏，自动补偿调节系统中所需的无功功率，使系统功率因数达到理想状态，从根本上解决了发电机进相运行的问题。SVG具有快速响应、运行范围宽、抑制电压闪变能力强、补偿功能多样化、谐波分量低、占地面积较小等特点。该装置的使用，很好地解决了系统容性无功过大的难题，提高了整个海上电网的稳定性。

4    结语

本文总结了海洋平台各种供电安全问题：短路电流直流分量高、变压器空载投入励磁涌流大、主发电机进相运行，并对这些问题进行分析，结合实际工程项目案例提出了相关问题的解决方案，对于未来海上油气田开发项目中电力系统的方案设计提供了可参考和借鉴的经验。

[参考文献]

[1] 安晓龙.海油平台电力系统短路电流直流分量分析[J].电气开关，2016，54（2）：13-15.

[2] 张继芬，胡鹏，刘峻.海上石油平台电网安全稳定控制系统[J].石油勘探与开发，2009，36（2）：237-241.

收稿日期：2019-12-18

作者简介：李璇（1988—），女，河北人，工程师，从事海洋平台电力系统设计工作。