并聯(lián)電抗器在南海油田群長距離輸電中的應(yīng)用

駱金龍

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

在海洋油氣田開發(fā)中，海纜將海上油氣田電力系統(tǒng)連接成一個完整的有機(jī)體。隨著海洋石油油田群規(guī)模和范圍的不斷擴(kuò)大，以及中小油田和邊際油田的滾動開發(fā)，井口平臺不設(shè)電站，依托中心平臺電站通過海纜將富余電力輸送到平臺的供電模式得到廣泛應(yīng)用。隨著井口平臺到中心電站的距離越來越遠(yuǎn)，在利用長距離海纜進(jìn)行輸電時，由于電纜的容性效應(yīng)會出現(xiàn)較大的容性無功。當(dāng)井口平臺負(fù)荷較輕或運(yùn)行在輕載和空載狀況時，平臺電力系統(tǒng)沒有足夠的感性負(fù)荷與之平衡，會帶來發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行、系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動以及系統(tǒng)穩(wěn)定性降低等問題。

1 無功功率

1.1 無功功率補(bǔ)償（Reactive power compensation）

電網(wǎng)輸出功率包括有功功率和無功功率。直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、熱能、化學(xué)能或聲能，這部分功率稱為有功功率；不消耗電能，只把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，它作為電氣設(shè)備作功的必備條件，并且這種能在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換，這部分功率稱為無功功率。

無功補(bǔ)償，是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并接在同一電路，當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時，感性負(fù)荷吸收能量，而感性負(fù)荷釋放能量時，容性負(fù)荷吸收能量，能量在兩種負(fù)荷之間交換，感性負(fù)荷所吸收的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)償。

1.2 容性無功的產(chǎn)生

電纜線路在系統(tǒng)中運(yùn)行時，由于其相對地、相與相之間存在分布電容，在電纜中存在著容性無功功率。它與電纜的單位電容C0、電纜的長度l 以及系統(tǒng)電壓U 相關(guān)。電纜的單位電容是指導(dǎo)體與金屬屏蔽或金屬套間的設(shè)計(jì)電容。電纜線路中存在的容性無功功率QC計(jì)算見式（1）。

式中 U——系統(tǒng)電壓，kV

ω——系統(tǒng)角頻率，ω=2πf

C0——單位電纜電容，Μf/km

l——電纜長度，km

1.3 過量容性無功的影響

（1）發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行。發(fā)電機(jī)既是唯一的有功功率電源，又是最基本的無功功率電源。其電氣圖及等值電路如圖1所示。

在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)發(fā)出供系統(tǒng)中感性負(fù)載吸收利用的無功功率，此時發(fā)電機(jī)處于過勵磁遲相運(yùn)行狀態(tài)。即電流I˙滯后于U˙，P＞0，Q＞0，功率因數(shù)為正。但是，當(dāng)系統(tǒng)中容性無功過大，沒有足夠的感性無功負(fù)載與之平衡，發(fā)電機(jī)在正常輸出有功功率的同時，會吸收系統(tǒng)中的容性無功，變?yōu)榍穭畲胚t相運(yùn)行，即電流I˙超前于U˙。P＞0，Q＜0，功率因數(shù)為負(fù)，如圖2 所示。

圖1 發(fā)電機(jī)電氣圖及等值電路

圖2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行相量

當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時，隨著勵磁電流下降，電磁轉(zhuǎn)矩下降，發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁極間磁力線減少，在轉(zhuǎn)子上就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不平衡現(xiàn)象，故發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行受諸多條件限制，如現(xiàn)有勵磁系統(tǒng)能否滿足進(jìn)相運(yùn)行條件、發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)極限對進(jìn)相運(yùn)行的限制、系統(tǒng)電壓變化范圍的限制以及進(jìn)相運(yùn)行時可能導(dǎo)致的失磁不同步等的限制。所以，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行極易出現(xiàn)：①發(fā)電機(jī)靜穩(wěn)定性降低；②發(fā)電機(jī)定子端部發(fā)熱嚴(yán)重；③低勵整定容易誤動作。

（2）影響發(fā)電機(jī)的帶載能力。電網(wǎng)中額外增加的容性無功，需要由發(fā)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的感性無功并經(jīng)過長距離線路傳送來進(jìn)行平衡，從而要求發(fā)電機(jī)容量增加，否則會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)帶載能力下降。

（3）系統(tǒng)末端電壓升高，在孤立的小系統(tǒng)中尤為明顯，容易損壞用電設(shè)備。

（4）發(fā)電機(jī)帶長線路可能出現(xiàn)的自勵磁諧振現(xiàn)象。

1.4 并聯(lián)電抗器補(bǔ)償容性無功

并聯(lián)電抗器無功功率補(bǔ)償裝置常用于補(bǔ)償系統(tǒng)容性。它通過向高壓長距離的電纜輸電網(wǎng)絡(luò)提供感性無功功率，補(bǔ)償電網(wǎng)中剩余的容性充電無功功率，控制無功功率潮流，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

并聯(lián)電抗器用于補(bǔ)償輸電線路的容性充電功率時，其容量可按式（2）計(jì)算。

式中 QL——并聯(lián)電抗器容量，MVar

QC——線路中的充電功率，MVar

β——補(bǔ)償度，取0.4～0.8

并聯(lián)電抗器可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行有級調(diào)節(jié)，能夠方便有效的使系統(tǒng)達(dá)到無功平衡。輕負(fù)荷時線路中的無功功率盡可能就地平衡，減少無功功率不合理流動 同時也減輕了線路上的功率損失，并能防止發(fā)電機(jī)帶長線路可能出現(xiàn)的自勵磁諧振現(xiàn)象。

2 并聯(lián)電抗器進(jìn)行容性無功補(bǔ)償在南海某油田群的應(yīng)用

2.1 改造前的問題

南海某油田群由A，B，C，D，E 共5 個生產(chǎn)平臺和1 艘十萬噸級FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置）組成。油田采用集中供電方式，3 臺索拉（SOLAR）公司生產(chǎn)的金牛（TAURUS）70 透平發(fā)電機(jī)組集中安置在FPSO 上，采用2 用1 備的方式運(yùn)行。10.5 kV 電力從FPSO經(jīng)單點(diǎn)電滑環(huán)及2 條海底電纜輸送至A 平臺。A 平臺作為電力中轉(zhuǎn)站，將電壓升高至35 kV 后，分3 路外輸至B，C，D，E 等4個平臺。油田群平臺分散且相互之間距離較遠(yuǎn)，海底電纜長度分別為2 km，5.5 km，38.6 km，29.6 km，18 km，海底電纜總長度約95 km。在投產(chǎn)初期，海底電纜產(chǎn)生的容性無功合計(jì)約為-5.5 MVar、發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行（功率因數(shù)在0.86～0.9）、末端平臺電壓抬升至38 kV（超出額定電壓35 kV 約9%），嚴(yán)重影響油田群電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.2 改造方案

針對該油田群電力系統(tǒng)存在的問題，首先對海纜產(chǎn)生的無功功率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)海纜充電功率計(jì)算公式，海纜中產(chǎn)生的充電功率QC=4.9 MVar。

利用EDSA 電力系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行建模、計(jì)算分析，找出影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的原因。模型中各主要參數(shù)包括發(fā)電機(jī)參數(shù)、變壓器參數(shù)、海纜參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)。

根據(jù)EDSA 分析結(jié)果，潮流計(jì)算分析的結(jié)果和正常工況下實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)完全相符。該油田群在正常運(yùn)行工況時，除了給B平臺供電的海纜長度較短，平臺負(fù)荷能夠平衡海纜中的容性無功，其他幾條海纜都存在大量剩余的容性無功，從而導(dǎo)致兩透平機(jī)需要吸收約2 MVar 的容性無功。因此，F(xiàn)PSO 上的透平發(fā)電機(jī)在正常工況下運(yùn)行時一直處于進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，在電網(wǎng)輕載運(yùn)行工況下，發(fā)電機(jī)進(jìn)相又進(jìn)一步加劇，2 臺透平發(fā)電機(jī)需要吸收約3.5 MVar 的容性無功，并且系統(tǒng)中流動的無功增加，系統(tǒng)電壓進(jìn)一步抬高。

在EDSA 模型中，投入了5 MVar 的并聯(lián)電抗器，電抗器投入后，在正常和輕載兩種工況下都能保證發(fā)電機(jī)正常遲相運(yùn)行，并且發(fā)電機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)在0.8 以上，是非常合理的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)改造

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，并考慮各平臺的空間布局，最終采用就地并聯(lián)電抗器的方案進(jìn)行改造，將3 臺容量為1 MVar，2 MVar，2 MVar，電壓等級均為35 kV 的電抗器安裝在距離較遠(yuǎn)的C，D，E 等3 個平臺。

2.3.1 電抗器的主要結(jié)構(gòu)、原理接線圖及技術(shù)參數(shù)

電抗器為3 柱式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。三相繞組由套管引出電抗器后通過（1×3×95）mm2的獨(dú)立電纜經(jīng)一真空斷路器接入35 kV母排。電抗器均采用封閉型外殼，可以使外界空氣以循環(huán)方式直接冷卻鐵心和繞組。為加強(qiáng)干式電抗器的通風(fēng)散熱，選擇安裝風(fēng)冷系統(tǒng)，并加裝一套溫度控制系統(tǒng)。電抗器繞組和鐵心的溫度通過鉑電阻Pt100 傳輸?shù)綔乜仄魃?，溫控器具有集溫度顯示、控制遠(yuǎn)程輸出等功能。

2.3.2 電抗器回路保護(hù)設(shè)置

（1）電抗器的進(jìn)線端裝設(shè)一臺35 kV 的真空斷路器，并配備了多功能繼電器，設(shè)置了4 種保護(hù)，即電流速斷保護(hù)、定時限速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)以及過電壓保護(hù)，沒有設(shè)置差動保護(hù)。

（2）電抗器溫度控制器具有三相鐵芯溫度巡回測量顯示、最大值測量并顯示、輸入開路、故障自檢顯示輸出、冷卻風(fēng)機(jī)自動起停輸出、超溫報警顯示并輸出、超溫跳閘顯示并輸出、風(fēng)機(jī)手動控制/自動控制兩種狀態(tài)顯示、輸出等。電抗器溫度異常報警會在MCC（Motor Control Centre，電機(jī)控制中心）控制中心顯示和報警，電抗器超溫保護(hù)跳閘信號接入相應(yīng)多功能保護(hù)繼電器，使對真空斷路器跳閘，電抗器退出運(yùn)行。

（3）組織專業(yè)人員專門編寫《電抗器管運(yùn)行管理規(guī)定》，對電抗器的運(yùn)行、巡檢、異常和事故處理作明確規(guī)定。

2.4 改造效果

該油田群完成并聯(lián)電抗器改造后，設(shè)備運(yùn)行近2 a，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的效果。

（1）主發(fā)電機(jī)組始終保持在遲相運(yùn)行狀態(tài)，容性無功得到了有效的補(bǔ)償（表1、表2）。

表1 改造前發(fā)電機(jī)狀態(tài)

表2 改造后發(fā)電機(jī)狀態(tài)

（2）發(fā)電機(jī)，勵磁電流下降，發(fā)電機(jī)定子端發(fā)熱大大下降，靜態(tài)穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

（3）遠(yuǎn)端平臺電壓由38 kV 將至35.5 kV，滿足電壓運(yùn)行要求。

3 結(jié)論

采用并聯(lián)電抗器，成功解決了南海某油田群長距離輸電產(chǎn)生的容性無功過大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)端電壓抬升等問題，為其他海上油氣生產(chǎn)裝置解決同類問題提供可借鑒范例。