石油平臺(tái)用低壓變頻電纜的選用要求

陳錦梅，何 劍，李 昊，宋敬濤

(寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225800)

在石油開采領(lǐng)域，往往需要大功率的傳動(dòng)設(shè)備，包括絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、頂驅(qū)以及起重和搬運(yùn)設(shè)備等。在這些設(shè)備的電力系統(tǒng)中，由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因其節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，正在被越來越多地應(yīng)用，給石油行業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是由于它非線性、沖擊性的工作方式，會(huì)在變頻器的輸入端和輸出端產(chǎn)生大量高次諧波，給電網(wǎng)帶來了一定負(fù)面的影響［1］。因此，對(duì)石油平臺(tái)上的變頻電纜的選用需要從多方面考慮，以滿足不同環(huán)境下對(duì)電纜的使用要求。

1 石油平臺(tái)對(duì)電纜的要求

在石油平臺(tái)中，電纜選用合適與否是關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)能否安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要因素［2］，電纜也因此被稱為平臺(tái)的血管。石油平臺(tái)上的作業(yè)環(huán)境十分惡劣，需要長(zhǎng)期工作在有泥漿、鉆井液的環(huán)境中，會(huì)對(duì)護(hù)套造成腐蝕，并加速護(hù)套老化的速度，從而減少了電纜的使用壽命。如何驗(yàn)證電纜是否能夠滿足安裝現(xiàn)場(chǎng)的使用要求很重要，電纜不同的性能需要執(zhí)行不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)來判定。

1.1 通用要求

石油平臺(tái)上的作業(yè)環(huán)境十分惡劣，所用的電纜不僅應(yīng)具有較好的機(jī)械性能、防潮性能、阻燃等性能外，為了防止電纜在意外火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生二次災(zāi)害，電纜還應(yīng)具有低酸、無鹵和低煙性能，這就對(duì)與之配套的電纜提出了非?？量痰囊?。

電纜需要滿足各國(guó)船級(jí)社的要求，根據(jù)船級(jí)社的規(guī)定，需要電纜滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。絕大多數(shù)船級(jí)社要求電纜的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60092，并對(duì)電纜進(jìn)行檢測(cè)，具體的通用要求及相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 石油平臺(tái)電纜通用要求及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表1 石油平臺(tái)電纜通用要求及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

1.2 特殊要求

除了表1中規(guī)定的海工通用要求外，對(duì)石油平臺(tái)用低壓變頻電纜還有更加苛刻的要求。因石油開采的原因，平臺(tái)上的電纜可能會(huì)受到泥漿液的腐蝕，所以電纜必須要具有耐油泥性能。對(duì)此，DNV船級(jí)社要求電纜具有耐油泥3項(xiàng)性能，隨著國(guó)內(nèi)石油平臺(tái)用電纜的發(fā)展，耐油泥3項(xiàng)性能越來越被重視。在一些特定的地域，電纜還要具有良好的低溫性能。對(duì)石油平臺(tái)用低壓變頻電纜的這些特殊要求及相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 石油平臺(tái)低壓變頻電纜特殊要求及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

1.3 變頻器對(duì)電纜的要求

變頻器內(nèi)存在大量非線性電子元件，使變頻器輸出與輸入的電力不是連續(xù)的正弦波，因而產(chǎn)生了大量高次諧波，經(jīng)過電纜的多次反射，便會(huì)出現(xiàn)波峰與波峰或波谷與波谷疊加的機(jī)會(huì)，這樣一來電流將會(huì)疊加成原來分量的數(shù)倍，中性線芯在高頻脈沖下很快就會(huì)被擊穿。

變頻電機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生的高次諧波，電纜在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁波，二者會(huì)對(duì)電源及鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生諧波污染和干擾，這就要求電纜不但可以抗外界干擾，還可以抑制內(nèi)部對(duì)外界的干擾。因而需要電纜具有較好的屏蔽性能，一般要求變頻電纜的理想屏蔽系數(shù)不大于0.7。所以變頻電纜不同于一般電纜，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來滿足上述要求。

2 電纜結(jié)構(gòu) (如圖1、圖2)

圖1 非鎧裝型電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鎧裝型電纜結(jié)構(gòu)示意圖

石油平臺(tái)用低壓變頻電纜除了需要滿足IEC 60092中的通用要求外，還需要滿足耐泥漿、耐低溫等性能，如果作為露天使用，電纜還需要考慮抗紫外線性能。對(duì)于石油平臺(tái)用電纜來說，關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)之一就是電纜的外護(hù)套。外護(hù)套耐候性的好壞是電纜使用壽命的直接保障。為滿足石油平臺(tái)上苛刻的使用要求，可以采用特殊的熱固性無鹵低煙阻燃聚烯烴材料作為電纜的外護(hù)套，保證電纜同時(shí)具有耐泥漿、耐低溫和抗紫外特性。

為滿足在變頻電力系統(tǒng)中的使用要求，需要電纜有抑制高次諧波的結(jié)構(gòu)和較低的理想屏蔽系數(shù)，一般需要達(dá)到0.7以下。我們將絕緣排列為對(duì)稱3+3結(jié)構(gòu)，將3根接地線芯對(duì)稱分布在3根電力線芯之間，使3個(gè)線芯的相位角成120°，形成平衡的狀態(tài)，從而減弱高次諧波的影響。同時(shí)，設(shè)計(jì)復(fù)合屏蔽方式，如銅帶繞包+銅絲編織或銅絲環(huán)繞+銅帶繞包方式，降低理想屏蔽系數(shù)。

圖2所示電纜與圖1相比，增加圖2中8內(nèi)護(hù)套和9鎧裝層。該結(jié)構(gòu)電纜的優(yōu)勢(shì)在于，采用編織方式的鎧裝既可以起到機(jī)械保護(hù)作用，還能避免因鎧裝而使電纜硬度變大的情況。同時(shí)，設(shè)計(jì)合適厚度的內(nèi)護(hù)套將屏蔽層與鎧裝層隔開，使二者彼此絕緣構(gòu)成雙屏蔽結(jié)構(gòu)，使電纜具有優(yōu)異的電磁兼容性，提高電纜整體的屏蔽性能。

3 結(jié)束語

為使得石油平臺(tái)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，電纜的正確選擇尤其關(guān)鍵，需要充分考慮實(shí)際工作場(chǎng)合對(duì)電纜的各種要求，并選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。由于最初我國(guó)海域采油的石油平臺(tái)大部分是外國(guó)進(jìn)口平臺(tái)，配套電纜多數(shù)也隨之進(jìn)口，隨著國(guó)家對(duì)電纜國(guó)產(chǎn)化的大力推行，國(guó)內(nèi)有越來越多的項(xiàng)目選擇使用國(guó)產(chǎn)電纜。相信隨著我國(guó)電纜技術(shù)的日益成熟，我國(guó)的石油平臺(tái)用電纜會(huì)早日實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。

［1］李富新.海洋石油平臺(tái)電氣系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生與抑制［J］. 中國(guó)修船，2007，20(S1):65-66，73.

［2］李永江，陸云春，孫勇.海洋平臺(tái)用電力電纜選用原則與方法［J］.船電技術(shù)，2010，30(3):12-17.