边际油田集束海缆的滤波及防串音特性

王海涛 邵启兵 闫志雨 金秋 潘盼 李震 赵洪 顾伟伟

摘 要：为了实现更高的经济效益，边际油田多采用“一对多”的IEESP系统进行石油开采工作，集束海缆是该系统中重要设备。IEESP系统中，变频器开关器件快速通断使得输出信号中存在许多高频谐波分量，其中最突出的是VSI系统中的高dv/dt信号与CSI系统中的高di/dt信号，这两类信号在经过长距离电缆的传输后将分别带来电机输入端过电压问题和不同线组之间的串音干扰问题。利用有限元法结合均匀传输线定理，对集束海缆的滤波特性进行探究可知：对于信号中10kHz及以上高频成分，当集束海缆长度超过15km时，滤除效果即超过了99%，对于1MHz及以上级别的高频信号，电缆长度为1km时其滤除效果便超过99%，即随着长度的积累，电缆依靠自身滤波效应便能够对高dv/dt信号及其附带产生的各类高频信号进行有效滤除。利用COMSOL Multiphysics建立三维有限元模型，对9芯集束海缆中串音干扰最严重的线组进行有仿真计算可知：尽管集束海缆中的金属屏蔽层无法有效屏蔽信号中的低频成分，但对1000Hz以上高频信号所产生的电磁波屏蔽效果却十分突出，且随着频率升高其屏蔽效果愈发明显，即金属屏蔽层能够有效抑制集束海缆高频串扰现象的发生。

关键词：集束海缆；过电压、串扰、滤波、屏蔽

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.007

中图分类号： TM11  文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2024）01-0062-07

Filtering and Anti-crosstalk Characteristics of Cluster Submarine Cables in Marginal Oilfields

WANG Haitao1，2， SHAO Qibing3， YAN Zhiyu1，2， JIN Qiu4，PAN Pan1，2， LI Zhen3， ZHAO Hong3， GU Weiwei1，2

（1Zhongtian Technology Submarine Cable Co，Ltd， Nantong 226010；2Jiangsu Provincial Key Laboratory of Ocean Energy and Information Transmission， Nantong 226010，China；3Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application， Ministry of Education， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China；4CNOOC （China） Co，Ltd Tianjin Branch，Tianjin 300000，China）

Abstract：In order to achieve higher economic benefits， marginal oil fields often adopt “one to many” IEESP system for development， and bundled submarine cables play an important role in it In the IEESP system， the rapid on-off of switching devices results in many high-frequency harmonic components in the output signal， the most prominent of which are the high dv/dt signals in the VSI system and the high di/dt signals in the CSI system The above signals will cause crosstalk and overvoltage at the input of the motor after transmitting through a long cable By combining the finite element method and the uniform transmission line theorem， the study of signal attenuation characteristics in bundled submarine cables shows that as the cable length increases， the cable filtering effect can effectively filter out high dv/dt signals For high-frequency components of 10kHz and above， the filtering effect exceeds 99% when the length of the bundled submarine cable exceeds 15km For high-frequency signals of 1MHz and above， the filtering effect exceeds 99% when the cable length is 1km Establishing a three-dimensional model in COMSOL Multiphysics and calculating the line group with the most prominent problem in the 9-core bundled submarine cable， it can be concluded that although the metal shielding layer in the bundled submarine cable cannot shield the low-frequency components of the signal， its shielding effect on high-frequency signals above 1000Hz is very good And as the frequency increases， its shielding effect becomes more obvious， that is， the metal shielding layer can effectively suppress the occurrence of high-frequency crosstalk in bundled submarine cables

Keywords：bundled submarine cable; overvoltage; crosstalk; filtering; shielding

0 引 言

边际油田探明储量小、分散性强，单独开发价值较低，出于优化平台规模，降低工程投资的目的，实际应用中大多采用“一对多”的IEESP系统（Inverter-Electric cable-Electric submersible pump）进行开发，集束海缆则是这一开发模式下的重要设备［1-3］。

为消除大启动电流对电潜泵机组的电、机械冲击，并实现排量自动控制，IEESP系统采用了变频驱动技术［4］。所使用的逆变器主要有电压型逆变器（voltage source inverter，VSI）和电流型逆变器器（current source inverter，CSI）两种。VSI储能元件为电容器，输出电压为矩形波而电流近似正弦波，开关器件快速通断产生的高dv/dt现象会附带电压反射、脉冲阻尼震荡及谐振过电压等一系列问题，造成电机绝缘、海底电缆、变压器乃至变频器输出端的加速老化甚至击穿［5-6］；CSI储能元件为电抗器，输出电流为矩形波而输出电压近似正弦波，被认为能够从原理上抑制输出电压中的高dv/dt现象，有效改善电压反射及由高dv/dt引起的过电压问题，缺点则是储能元件储能效率和体积相较于VSI劣势明显、造价昂贵、低转差频率下性能较差、需要反馈控制、多回路供电存在高频串扰等。

早期变频驱动系统中所采用的逆变器以电压型逆变器为主，因此对应算法及滤波器设计也主要针对电压型逆变器展开。姜艳姝［7-9］、刘建国［10］、王珊珊［4］等相关研究人员先后对不同类型VSI变频驱动系统中差模及共模电压的抑制方法及对应滤波器的设计进行了详细的研究，并取得了大量研究成果。近年来，在海上石油开采领域中，为了回避方波电压在长距离变频驱动中的一系列安全问题，新型电流型逆变器开始逐渐得以采用，李昱［11］等则开展了对CSI-DPWM拓扑结构与算法的设计与改进，使得电流型逆变器输出kHz级别电流及电压谐波得到了很好的抑制。

目前，CSI与VSI的算法及拓扑设计，可抑制的谐波频段通常为kHz级别（IGBT开关频率的3-20次谐波），而对于等效频率可达兆赫兹的开关动作的上升、下降沿往往只能通过缩短电缆长度或在添加低通滤波器的方法进行抑制［12-13］。由于在边际油田IEESP系统中，变频器与目标油井之间的距离通常为数公里甚至十数公里，远超所谓电缆临界使用长度，缩短电缆长度的方案显然无法实现，增加额外滤波器几乎成为抑制高dv/dt或di/dt问题的唯一方案。我们注意到：随着金属屏蔽层被加入集束海缆，电缆自身电容得到了有效利用，这使得电缆长度增加时，其自身低通滤波效应将逐步凸显，即电缆自身便能够在一定程度上延长上升、下降时间，抑制VSI-WM系统高dv/dt带来的影响，这一效应在IEESP系统中的具体效果尚欠详细研究。此外，当采用电流型逆变器时，一对多的IEESP系统输出信号中高di/dt部分使得集束海缆内部不同线组之间存在高频串扰风险。金属屏蔽层的屏蔽效果或也将对高频串扰产生影响［17-19］。

本文综合利用解析计算及有限元分析的方法，在考虑长电缆滤波效果前提下，对VSI变频驱动系统中过高频信号的滤除效果，及CSI变频驱动系统中集束海缆金属屏蔽层对高频串扰的防卫能力进行研究。

1 高频信号的分类及影响

IEESP系统中，高频信号大都由方波信号与供电系统相互作用产生。无滤波变频驱动系统中电缆始端与末端典型波形如图1所示，图中包含3种典型高频信号，依照其所处频段可将高频信号分为以下3种：

1）方波本身及其高次谐波；

2）电机入口处的阻尼振荡波；

3）方波上升沿或下降沿的等效高频信号。

三类高频信号频段分布如表1所示，其中第一类高频信号为开关器件（通常为IGBT）的通断频率及对应的高次谐波，是逆变器输出谐波的主要来源，其频段在（2～40）kHz之间，通常可通过变频器拓扑结构优化的方式进行滤除；第二类高频信号由阻尼振荡产生，叠加于方波信号之上，频率和幅值均高于方波信号，通常会产生不超过方波电压信号两倍的过电压，这类信号即为变频驱动系统中最常见的过电压来源，频率与输电线路及负载参数有关，大小通常为方波信号频率的几倍至上百倍不等；第三类高频信号为方波上升沿或者下降沿本身，其等效频率与上升沿或者下降沿时间有关，目前大多数IGBT开关动作时间从几微秒到几百微秒不等，部分IGBT开关动作时间可达02μs，根据式（1）进行等效换算，其上升、下降沿等效频率超过1MHz。

f=1πtrise（1）

式中：f为换算后的等效频率；trise为上升沿时间。

在VSI-PWM变频驱动系统中，第三类高频信号，即高dv/dt的方波上升沿被认为是包括第二类高频信号所附带过电压在内诸多过电压的产生原因。图2为在忽略滤波前提下，不同上升沿时间对第二类高频信号及过电压的影响。由图2可知：上升沿时间变化能明显改变信号的幅值，即第二类高频信号的幅值与第三类高频信号的频率有关，这也意味着降低VSI系统中第三类信号的频率、延长上升沿时间能够显著降低阻尼振荡所产生的过电压。

在CSI-PWM变频驱动系统中，不同线组之间感应电压通常与信号源电流频率有关，频率越高感应电压越大，因此CSI-PWM变频驱动系统中的高di/dt信号很容易引起高频串扰现象。以图3所示常见九芯集束海缆为例，中间两个三线组节距完全相同，无法像其他线组一样可以通过节距差带来的扭转抵消效应抑制感应电动势的积累，因此这两个三线组之间串扰问题势必最为突出［20］。

令中间线组中的“1号”线组的A1、B1、C1三相线芯分别流过带有较高di/dt高频分量且相位互差120°的调制信号，信号幅值为100A，上升沿时间03μs（等效频率约为1MHz），根据如图4所示有限元仿真结果，1号线组中高频电流将在2号线组中产生超过1kV/km的感应电势。足以对在运行的电潜泵产生干扰，或使未启动的电潜泵“误启动”。若电缆进一步增长，积累起来的感应电势将对电机及电缆的安全造成隐患。因此抑制CSI-PWM变频器输出信号中的高di/dt成分，对于防串扰和防误启动具有重要意义。

2 集束海缆的滤波效应研究

根据均匀传输线定理获得如图5所示均匀传输线模型。由图可知：当集束海缆金属屏蔽层可靠接地时，其自身便可等效看作多个低通滤波器的串接，可以预见，随着电缆长度增加，低通滤波效果将逐渐显著。对于高频信号而言，电机阻抗通常远大于线路阻抗，因此不妨假设电缆终端为开路，此时始端电压U0与终端电压U1关系公式1所示：

U0=U1chγl（2）

式中，l为电缆长度，γ为电缆的传输常数，由以下方程确定：

γ=（R+jwL）（G+jwL）（3）

式中：R、L、G、C分别为电缆单位长度的电阻、电感、电导和电容。

随着信号频率的升高，电缆基本传输参数发生变化，其中电阻和电感（主要是内电感）受趋肤效应和影响变化最为明显。在高频条件下，电缆交流电阻会随频率升高而升高，电感则会随频率升高小幅下降［21］。由于在高频条件下集肤效应明显，部分电荷将集中于半导电屏蔽层，这使得利用传统解析计算容易产生误差，因此不妨采用有限元法对高频条件下集束海缆的交流电阻与电感进行计算。仿真计算模型来源于HYJYFY41-F×36/6×9×3×35+3×12B1型集束海缆。图6为不同频率条件下集束海缆截面电流密度分布图。

不考虑邻近效应（线组间干扰）的情况下，利用有限元计算可得到集束海缆的电感及交流电阻、利用解析法可得电容及绝缘层交流等效电导（取损耗角正切值为00005），各参数结算结果如表2所示。

定义如式（4）所示，不同频率信号到达终端时电压信号衰减百分比为

U0－U1U0×100%（4）

式中：U0为电缆始端电压；U1为电缆终端电压。

将表2中计算结果带入式（2）～（4），并改变电缆长度，可得如图7所示不同频率电压信号达到电缆不同长度位置时的衰减百分比。从图中可以看出：对于10kHz及以上高频谐波，当集束海缆达到5km时衰减率便超过了67%，达到10km时滤衰减率超过了90%，超过15km时，衰减率即超过了99%。对于1MHz及以上级别的高频信号，电缆长度为1km时其滤除效果便接近100%。

由于大多数集束海缆使用长度均超过1km，因此可以认为：即使不依赖于额外滤波器，集束海缆自身便能够对第三类高频信号进行有效过滤，信号中的高dv/dt成分不复存在，过电压现象也将得到有效削弱。

3 电磁感应及串扰问题

对于低频电流信号及存在于CSI-PWM系统中的高di/dt信号引起的串扰风险。不妨建立简化的HYJYFY41-F×36/6×9×3×35+3×12B1型集束海缆三维有限元模型，计算“1号线组”启动时，与其同处一个六芯结构内的“2号线组”，及邻近绞合方向相同的3、4号线组中的磁通密度及感应电动势。图8为仿真所得线芯及屏蔽层内磁通密度，图9为线芯及屏蔽层感应电压。由图8、9可知，对于60Hz的低频信号而言，大部分磁场是可以透过金属屏蔽层作用于与其相邻的金属导体的，但却仅有同处一个六芯结构的“2号线组”能够有效积累感应电压，形成串扰风险，而其他线组并不能有效积累感应电压，也就不存在串扰风险。

计算不同信号源频率下2号线组的感应电压，可得如图10所示感应电压随频率变化曲线。由图10可知：在较低频段范围内，金属屏蔽层的屏蔽效果尚未并不显著，但由于频率较低的缘故，感应电压幅值也相对较低，60Hz频率下，2号线组中感应电动势仅为001kV/km，在常见集束海缆敷设长度范围内并不足以产生误启动风险或其他安全隐患。当频率超过10kHz后，无金属屏蔽情况下2号线组中感应电压问题逐渐凸显，而有金属屏蔽层的情况下2号线组中感应电压则开始呈现下降趋势，感应电压的最大值始终低于001kV/km。

图9 线芯及屏蔽层感应电压

根据上述结果可见，当采用存在较高di/dt现象的CSI-PWM变频驱动系统为一对多的IEESP系统进行供电时，无金属屏蔽、且存在类似“6芯”结构的集束海缆存在较高的高频串扰风险，而有金属屏蔽的集束海缆则不存在这一风险；对于信号中的低频成分，金属屏蔽层的效果并不明显，感应电压及串扰始终存在，但其幅值很低，并不足以产生误启动或过电压风险。

4 结 论

当采用VSI-PWM变频驱动系统时，应用于边际油田“一对多”IEESP系统中的集束海缆具有良好的高频滤波能力，电缆长度超过15km时10kHz以上信号滤除效果便超过了99%，而对于1MHz及以上信号电缆长度超过1km便可几乎全部滤除，即当敷设长度较大时无需添加额外滤波器，集束海缆便能够对变频输电系统中的高频谐波分量进行有效滤除，抑制过电压现象的产生。

对于CSI-PWM变频驱动系统，尽管金属屏蔽层对于低频信号串音干扰抑制效果不甚明显，但低频信号自身在其他线组中产生的感应电势很低，并不足以对系统运行产生安全隐患。面对驱动系统中等效频率很高的高di/dt信号，金属屏蔽层却能有效对其产生的干扰进行抑制，降低高频串音干扰发生的风险。

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（编辑：温泽宇）

基金项目： 国家重点研发计划（2021YFC2800800）.

作者简介：王海涛（1989—），男，硕士，工程师；

闫志雨（1986—），男，博士.

通信作者：邵启兵（1993—），男，博士，E-mail：2010300016@stu.edu.cn.