伊拉克某油田电网增强稳定性的分析和探索

中国海油伊拉克有限公司

油田电网服务主体为天然气、原油、水处理厂，以及脱气站、潜油电泵井、注水泵、生活设施等。稳定运行的电网与油田持续生产和经济效益息息相关。由于地理位置、环境气候的不同，电网稳定性影响的因素也多有差异。油田多处于人迹稀少的空旷地带，特别是中东地区多是半沙漠化状态，高温、灰尘、大风、雷电、野生动物、飞鸟等是影响电网不稳定的主要因素。因此，在进行油田电网设计时，应考虑地区实际状态，采取针对性措施以增加电网的可靠性。

1 油田电网现状

位于中东地区的伊拉克某油田，有33 kV架空电网已服役接近40 年，并且常年没有维护。钢芯铝绞线（ACSR）断股、陶瓷绝缘子污化和裂化、塔体钢结构锈蚀严重，已经没有维修价值。中方企业接管油田后，已将所有生产负荷从旧架空电网剥离，但一些偏远地区的居民用电仍然还需要该电网支持。近年来，油田开始逐步引入潜油电泵（ESP）作为单井生产主体设备，为满足电力需求，油田新建了132 kV 与33 kV 架空电网。油田33 kV和132 kV架空电网单线如图1、图2所示。

图1 油田北区33 kV架空电网单线Fig.1 Single line for 33 kV overhead power grid at north area of oilfield

图2 油田南区132 kV架空电网单线Fig.2 Single line for 132 kV overhead power grid at south area of oilfield

2 影响油田电网稳定性的主要因素

黄绪勇等[1]根据3 年的鸟害故障历史数据、地理特征以及杆塔结构，建立鸟害风险评估层次结构模型并进行了验证。王永昆等[2]根据2007年以来的数据统计，分析了不同电压等级下鸟类引起架空线路故障的主要特点，并提出了鸟害分布图量化绘制方法。参考以上统计方法，通过现场勘查，并对2019 年三个月的统计数据进行分析（图3），可以看出，导致油田电网故障的直接原因中，雷电引起的故障不到总体的19%，飞鸟引起的故障占所有故障的73%，考虑到未确认的9%也有很大概率是飞鸟引起，鸟害故障几乎占到电网故障的80%以上。而鸟害主要发生在架空线塔并联间隙（招弧角）、支线刀闸、井场内H杆、井场内变压器等部位。

图3 故障类型占比统计Fig.3 Fault type ratio statistics

2.1 架空线塔并联间隙

并联间隙的使用可以在一定程度上减少设备受雷电袭击造成的伤害，降低线路跳闸事故率，但油田区域空旷，几乎没有树木生长，新建架空线塔成为了鸟类的最佳歇息地点。据现场实际观察，鸟类在架空线上，特别是在飞越并联间隙或者在附近活动时，极易引起并联间隙击穿放电，从而引发单相接地短路而造成故障跳闸。据2016 年以来数据统计，该油田70%的鸟害故障发生在此处。

2.2 支线刀闸

作为有效的隔离手段之一，油田早期架空电网建设阶段，在各主要分支都装有隔离刀闸。新电网接入时安装支线刀闸可有效缩小隔离范围，减少对油田生产的影响，但也产生了意想不到的负面影响。根据现场勘查，鸟类在此处活动时，会引起两种故障，刀闸与架空线连接部分的导线对地导通，产生单相对地故障，以及在刀闸两相间活动时引起两相短路故障。根据数据统计，油田电网20%的鸟害故障发生在此处。

2.3 井场内H杆

井场内H杆连接架空线与井场变压器，杆上安装有刀闸，跌落保险等。鸟类，特别是诸如鸽子、白鹭等大型鸟类在H杆上活动，拍打翅膀时易引起刀闸和跌落保险处单相对地或者两相短路故障，根据故障统计，油田电网6%的鸟害故障发生在此处。

2.4 井场内变压器

井场内变压器为井场内低压用户配电。鸟类以及野猫等动物在变压器上活动时引起变压器高压侧进线绝缘柱上并联间隙短路，或者两相相间短路，根据故障统计，伊拉克米桑油田电网4%的鸟害故障发生在该处。

2.5 雷击故障

雷电一直是电气行业面临的一大挑战。油田架空线所在地势相对平坦，附近没有较高的山脊、建筑物、树木等，雷雨季节雷暴强度大、闪击频繁，对架空线路的防雷、避雷又增加了挑战。雷电等引起架空线路绝缘子闪络，继而单相或者相间短路，最终导致断路器跳闸。据统计，雷电故障发生率占所有瞬时故障率的18%。

3 增强油田电网稳定性的必要性

随着油田ESP支线电网的扩大，上述因素引起的电网故障跳闸次数越来越多，也越来越频繁，尤其是春夏季节，且电网故障跳闸基本上是由瞬时性故障导致。虽然这些故障跳闸能短时间恢复供电，但频繁的电网故障跳闸已经严重影响了油田的安全稳定生产。表1 为2019 年3 月～5 月份的故障统计记录。

表1 2019年3月～5月份故障统计Tab.1 Fault statistics from March 2019 to May 2019

由表1可知，频繁故障跳闸已经严重影响了原油产量，采取措施降低油田电网故障跳闸率，增强油田电网稳定性已经迫在眉睫。

4 增强油田电网稳定性的探索

孙宁[5]考虑到油田地域范围广、南北架空线路距离长、故障点分布不集中、故障的根除不能短时间解决等因素，并结合现有条件进行治理，以达到最大限度减少电网故障对油田生产影响的目的。确定了从两方面探索增强电网稳定性的工作思路，即从电网保护设计角度考虑缩小故障影响时间和范围的可行性；根据已经掌握的影响油田电网稳定性的主要因素采取有针对性且现场易于实施的治理措施。

4.1 缩短故障影响时间

油田架空电网由南区4套、北区12套VCB（真空断路器）分别进行电源控制。考虑到现场故障多为瞬时性，故障过后即可马上恢复合闸，而南北区域VCB 布置分散，每次故障跳闸后再次合闸需要较长时间，影响生产恢复时率。连鸿波等[6]通过对小电流接地电网的数据整理，特别是对该电网中瞬时故障的详细分析，提出了在小电流接地系统中引入面向单相接地故障的自动重合闸技术。油田电力系统采用中性点经电阻接地系统，现场配置西门子33 kV VCB 控制器7SJ82，经过研究，依据厂方资料SIPROTEC 5 Overcurrent Protection 7SJ82/7SJ85，激活现场VCB 自动重合闸功能，并对重合闸参数进行核算和研究，实现断电后1 次自动重合闸功能，从而最大限度地缩短故障影响时间。对现场VCB作以下设置：

通过现场VCB 重合闸功能的激活和实现，可以使故障停电到恢复供电的时间由原来的平均2 h缩短到5 min，此措施不增加任何投资，可在每次发生故障时减少约2×104bbl原油损失。

4.2 减小故障影响范围

油田配电网距离长、分支多、故障点查找时间长，根据油田自身特点，为限制故障影响范围，快速切除故障所在的区域，采取保护定值设置措施限制各级开关越级跳闸[7]。据北区架空线单线图，从电厂33 kV 母线开关柜AH07 到油田北部区域负荷由三级开关控制，表2和表3为从电厂到北区33 kV母线出线开关AH07，以及BUN 地区VCB-CPN 和VCB-BUN08 开关的保护定值。经过继电保护定值的优化，可大大缩短故障切除时间，降低由接地引起的原油减产损失。

4.3 减少故障跳闸次数

根据油田电网故障多为瞬时故障，且单相接地占比为72%的特点，减少故障跳闸次数的主要思路如下：

（1）油田电网为中性点经电阻接地系统，根据设计文件，电网最大可以承受120 A接地电流10 s。尝试将架空线路接地过电流保护时间延长，使电力系统在许可范围内短时间带故障运行，直到瞬时故障自动灭弧和故障消除，从而减少不必要的生产关停，但最终测试到3 s，无法有效规避故障。表明一旦相线与地之间形成回路，即使接地原因消除，但该回路因为接地引起电弧无法自行熄灭，必须切断电源以熄灭电弧。

表2 AH07保护定值Tab.2 Protection value for AH07

（2）探索特殊情况下，油田33 kV 架空电网可否由中性点经电阻接地改为不接地系统，以使单相接地时系统可以短时不跳闸持续运行。

油田单塔单回架空线路长度约170 km，按照经验公式粗略估算电容电流为15.147 A。根据国家标准GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》[8]第3.1.2条的规定，35 kV、66 kV 架空线路系统电容电流大于10 A 时，应采用消弧线圈接地系统。

综上，33 kV 架空电网改为三相不接地系统缺乏理论依据，该油田33 kV架空电网不适合改三相不接地系统，不适合用该方法减少故障跳闸次数。

4.4 针对故障源头的治理措施

根据油田电网故障统计数据，雷电引起的故障为18%，鸟害故障占80%以上，所以，故障处理的重点是鸟害。针对鸟害和雷电故障的具体治理措施包括：

（1）针对架空线塔并联间隙部位的鸟害治理。伊拉克油田33 kV线路铁塔是大量群鸟集聚地，鸟群在并联间隙周围飞过时易造成瞬间接地故障。在每次接地故障后巡线中几乎都能发现电击死亡的鸟尸体。王树军等[9]以及陈雪琨等[10]指出并联间隙的使用可以减少雷电袭击的伤害，降低线路跳闸事故率，但会造成跳闸次数增多。另根据GB 50061—2010《66 kV 及以下架空电力线路设计规范》[11]第三节建议棒式并联间隙一般只在66 kV线路使用。

油田井场布置相对密集（井场间距100～1 000 m不等），各个井场已经安装避雷器，且架空线又有避雷线，均可有效提供防雷保护。为提高油田供电可靠性，稳定油田原油生产，将已经安装的架空线塔上的并联间隙全部拆除，拆除后的并联间隙可以明显看到有放电痕迹。对于新建架空线路杆塔不再设计并联间隙，从根本上消除该故障隐患。

并联间隙的拆除大都在油田停产检修时段进行，所以工作本身并未造成油田产量损失。线塔最高处17 m，施工中需要用到的也只是升降车与一般人力。本项工作本身投入不高，但对油田稳定性的提升却效果显著。

（2）针对支线刀闸部位的鸟害治理。随着油田电网建设不断完善，油田主体架空网络已逐步成型，支线刀闸的隔离功能逐渐被各环路电网上的VCB取代，因此新建电网不再设计支线刀闸，在已经安装运行的支线刀闸部位安装驱鸟设施。

（3）针对井场内H杆部位的鸟害治理。对已经建设完成的井场，新安装旋转式和声光驱鸟器；对新建井场项目，除安装旋转式和声光驱鸟器外，对H 杆及其附属电力设备也做了优化。根据国标GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定[8]，刀闸两相间抗击雷电过电压的最小电气间距应为450 mm，但是考虑到该部位引起的的危害多为鸟类飞行掠过时双翅在单相对地或者两相间引起的短路，而该地区以石雀（翼展约28～32 cm），斑鸠（翼展约47～55 cm），鸽子（翼展约50～60 cm）为主，因此新装H 杆两杆间跨距由原来的2.5 m 增加到3 m，新装刀闸两相间距由原设计的50 cm 增加到70 cm，新装跌落保险安装间距由50 cm增加到70 cm。

根据与承包商协商结果，H杆以及所属部件设计的优化并不需要增加项目费用。

（4）针对井场内变压器部位的鸟害治理。对已经建设完成的井场内变压器部位安装旋转和声光驱鸟器，并拆除变压器并联间隙；对新建井场内变压器项目，除采取以上措施外，再对变压器高压侧接线柱加装绝缘护套。按照油田所在地区市场价格，驱鸟器采购、安装成本每套不超过200美元，而大多数油井日产量都在2 000 bbl以上，相对于减少的产量损失，驱鸟器的施工成本可以忽略不计。

（5）针对雷击的治理。雷击一直是造成架空电网故障跳闸的疑难因素，油田有33 kV架空电网服役时间久且常年没有维护，几乎没有防雷措施，抗雷效果差，故障频繁，且输电能力也不能满足油田生产需求，因此，从2016 年起，已经在逐步建设新架空线并淘汰旧架空线。截至2019 年底，油田所有生产负荷都已由新建架空线路供电。

对于新建架空线路的防雷，已经采取了全线铺设避雷线，且所有架空线节点VCB 和井场内部变压器上游都装有氧化锌避雷器等措施，但是油田没有雷电强度密度等官方数据，设计上能针对性采取的防雷措施有限。为给后期优化设计提供依据，并尽可能地减少雷电危害，后期新建架空线路计划采取措施如下：

考虑到相对架空线路绝缘子价格不高，为增强新建项目架空线的绝缘水平，计划后期施工中将每串绝缘子的片数由3 片增加到4 片；计划后期在所有避雷器上安装计数器，以便于对雷电频繁影响区域进行统计，为以后同类工程项目设计提供参考数据。

5 治理效果评估

上述油田电网故障治理措施取得了明显效果，图4 是对治理前后的2019 年和2020 年同月份故障跳闸次数的对比。由图4可知，电网整体故障次数下降明显。

图4 治理前后故障跳闸次数对比Fig.4 Comparison of fault trip times before and after modification

6 结论

油田电网的安全稳定运行关系到油田的稳定生产和经济效益。伊拉克某油田33 kV和132 kV电网频繁故障跳闸的原因分析和故障治理结果表明，通过对现场VCB 自动重合闸功能设置以缩短故障影响时间，采取保护定值设置措施限制各级开关越级跳闸以减小故障影响范围，以及针对不同部位鸟害、雷击的具体治理措施均取得了明显效果，同类电网的运行维护人员可以借鉴参考。