海洋平臺電力系統主要調壓方式探討

王樹達，安曉龍，孔凡旭，陳亮

（海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451）

1 前言

海上油氣田開發工程的電力系統是電能的產生，變換，傳輸，分配和消耗等全部設施和網絡的總稱。這個系統將自然界的能源（如:天然氣或原油）通過動力發電設備（如:柴油機，雙燃料柴油機或雙燃料燃氣輪機等）旋轉機械設備的動能轉換成電能，再通過變電，輸電和配電，將電能分配給用電設備。隨著我國沿海海上油氣田的開發和利用，海上油氣田規模在逐步擴大，海上油氣田電力系統的供電范圍也在逐步擴大，它對電力系統設計的要求也越來越高，因此保證海洋電力系統的用電質量至關重要，而電壓是衡量電能質量的一個重要指標。

2004年IEEE給出的電壓穩定的定義［1］是:“系統在給定的初始運行點處，經歷擾動后，所有母線能夠維持穩態電壓的能力”。系統能夠保持電壓穩定依賴于在負荷需求和電能供應之間維持或恢復功率平衡的能力。電壓穩定問題實質上是系統的承載能力問題，即供需不平衡問題。本文將針對海洋平臺3種主要調壓方式進行分析與探討。

2 電力系統調壓原理

電力系統調壓原理如圖1所示［2］。

圖1 電力系統調壓原理圖

在圖1中，一臺發電機通過升壓變壓器、線路和降壓變壓器向用戶供電，要求調節負荷節點b的電壓。略去線路的電容功率、變壓器的勵磁功率和網絡的功率損耗，b點的電壓為:

式（1）中，k1和k2分別為升壓變壓器和降壓變壓器的變比；R和X分別為變壓器和線路的總電阻和總電抗。

海洋平臺的電力系統與圖1類似，由式（1）可見，為了調整用戶端電壓Vb可以延伸出海洋平臺的3種主要調壓方式:

（1）調節發電機勵磁電流以改變發電機端電壓VG；

（2）無功補償；

（3）適當選擇變壓器的變比（有載調壓）。

下面將針對3種調壓方式在海洋平臺的應用情況進行分別的研究。

3 系統主要調壓方式及調節策略

3.1 發電機勵磁調壓及其控制調節

對于海上油氣田電站的同步發電機來說，當負載發生變化時，由于電樞反應的影響將使發電機的端電壓發生變化，尤其是電感性電流的影響，它可能造成用電設備無法正常工作（如:電動機停轉，日光燈熄滅，繼電器的接觸器釋放等），因此需要采用自動電壓調整裝置來調整發電機的端電壓。

自動調節勵磁系統可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求，發電機的端電壓應基本保持不變，實現這一要求的辦法是隨無功電流的變化調節發電機的勵磁電流。目前海洋平臺的發電機均配備了自動電壓調節器（AVR），出廠時AVR基本已經設定好了，一般能夠滿足試運行的要求，只需要調整一個在空載或負載時的電壓。

下面針對AVR（MX341型）在負載情況下，出現電壓調節特性差或電壓下降的幾種情況的調節策略。

3.1.1 頻率過低引起的電壓下降

AVR連著一個轉速保護線路，其電壓/頻率特性如圖2?？刂齐娢黄髟O定“膝點”位置。設置不當時癥狀為:（1）在控制電位器上方的一只發光二極管（LED）在負載時一直亮著；（2）在負載時電壓調整率低，即此時發電機工作于特性曲線上，即50Hz的發電機頻率為47Hz；60Hz的發電機頻率為57Hz。指示燈就發亮。

圖2 AVR轉速保護線路電壓/頻率特性曲線

3.1.2 勵磁跳閘

當兩相間或一相與中性線發生短路時，由永磁機供電的AVR將提供最大的勵磁系統，為了保護發電機繞組，AVR和一個過勵磁線路相連，該線路一旦探測到過高的勵磁電流，在一個預設的時間后就會切斷勵磁。勵磁跳閘設置不當將使發電機在負載或稍過載時產生電壓聚然下降，同時發光二極管一直亮著。如出現這種情況，應調節端子X與端子XX之間的電壓為70V±5%。

3.1.3 瞬時加載調節

AVR附加的電壓下降和恢復時間延遲控制功能，使發電機組具有最優化的負載接受能力。整個發電機組的運行性能和調速器反應速度以及發電機的特性所決定。調節電壓下降水平及恢復時間和發電機性能有很大的關系，因此必須在頻率下降和電壓下降中做出一個折衷的選擇。

3.2 變壓器有載調壓

變壓器有載調壓技術廣泛用于配電系統，其基本原理是從變壓器某一側的線圈中引出若干分接頭，通過有載分接開關，在不切斷負荷電流的情況下，由一分接頭切換到另一分接頭，以變換有效匝數，達到調節電壓的目的。

有載調壓變壓器可以保持電網運行在較高的電壓水平，優化了無功功率，從而降低了線損，提高了電網經濟效益。但有載調壓變壓器無法改變無功需求平衡狀態，會將無功功率缺額全部轉移至主網，從而使主網電壓逐漸下降，嚴重時可能引發系統電壓崩潰。

3.2.1 有載分接開關

有載分接開關主要包括切換開關、分接選擇器、儲能機構、減速箱、電氣控制部分、過流保護、電流互感器、控制器等，投運之前應先對分接開關手動操作一個循環試驗，然后通電進行電動操作試驗。試驗過程中檢查變壓器電壓變化是否正確、位置指示是否一致，檢查控制器功能是否正確無誤后，方可投入運行。分接開關在正常運行中一般不須特別維護，如發現不切換或異常聲光現象時，應及時檢查，排除故障后方可繼續運行。

正常運行的分接開關每年至少進行一次檢查；如一年內運行次數達到5000次時，應進行一次檢查，檢查項目如下:

（1）切換轉換觸頭及選擇器觸頭等處每年必須涂一次工業凡士林潤滑。

（2）檢查、清除絕緣件和導電零件表面的灰塵。（3）檢查所有緊固件有無松動，并及時擰緊。

（4）檢查所有運動磨擦部位的潤滑情況，清除污損的潤滑脂、及時補充清潔防凍潤滑脂。這些部位包括:滑動軸承，絲桿與絲母，軸套與軸等。

（5）檢查選擇器觸頭壓力彈簧有無損壞、動觸頭運動是否靈活。

（6）檢查真空開關管觸頭開距應在3mm以上，觸頭超程不應小于5mm，必要時進行調整。如發現真空開關管有破損或漏氣情況，可按內部絕緣要求在真空開關管動靜觸頭間進行4kV工頻1min耐壓試驗，若發生擊穿須更換好的真空開關管。

3.2.2 有載調壓控制策略

有載調壓雖然有其自身的不足，但隨著新技術的引入，有載調壓變壓器自動調壓分接頭的使用勢必更加廣泛，對于有載自動調壓所帶來的副作用，通過采取適當的措施和方法是可以消除和減小的:

（1）制定變壓器有載調壓運行原則。設定當調壓變壓器一次側電壓高于某一最低數值時（如額定值的90%～95%）時才允許進行有載調壓，如一次側電壓低于規定的最低數值時，立即閉鎖有載調壓。

（2）對于多平臺集中供電的電力系統，應在多個平臺建立帶負荷調壓的自動閉鎖系統，將每個平臺分成若干“帶負荷調壓閉鎖動作區”，由選定的節點測定電壓進行監控，當監測到的電壓低于認定門檻時，自動地將閉鎖命令有序地傳到平臺的每一臺帶負荷自動調壓裝置，閉鎖變壓器的帶負荷調壓。

（3）由于有載調壓變壓器無法改變系統的無功需求平衡狀態，所以系統應有足夠的無功容量，才能避免引發電網的電壓崩潰。所以對電網規劃設計時，應進行全面考慮，提高網絡的電壓強度。

（4）系統出現大擾動，引發電壓大幅度下降時，應設置應急工況，閉鎖有載調壓，并切除部分負荷，消除系統有功和無功缺額，或在系統中設置電壓降低自動減負荷裝置，抵消變壓器控制產生的負面影響，快速動作，限制局部擾動發展為全網或主網事故。

3.3 無功補償

海上油田的機采系統、注水系統及油氣集輸系統多采用三相異步電動機作為動力。這種系統的負荷分散性大，配電網供電半徑大、分支多、配電變壓器數量多、負荷率低，因而運行時供電線路的網損率高，功率因數低，末端壓降大。海上油田配電網的無功補償基本上以電容器補償為主［4］。不過，由于現在海上油田的規模越來越大，多平臺集中供電的方式越來越多，因此，有大量的長距離的海底電纜被應用到海上平臺的電力系統中，長距離的海纜往往使系統電阻呈容性，所以在海洋平臺電力系統的無功補償上也有部分電抗器的使用。

3.3.1 無功補償配置原則

為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無功補償設備的配置，應按照“分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。

（1）總體平衡與局部平衡相結合，以局部為主。

（2）發電機補償與負荷補償相結合。

（3）分散補償與集中補償相結合，以分散為主。

（4）降損與調壓相結合，以降損為主。

利用并聯電容器進行無功補償，其主要目的是為了達到無功電力就地平衡，減小網絡中的無功損耗，以降低線損。與此同時，也可以利用電容器的分組投切，對電壓進行適當的調整，這是補償的輔助目的，在一般情況下，以降損為主，調壓為輔。但目前海洋平臺電力系統中的無功補償裝置受平臺面積以及環境條件的限制，多采用集中補償的方式，雖然提高了供電能力、減少了線損和電能損耗，穩定了電壓。但這種方式未能很好地解決電網內部的無功流動。因此，無功電流在內部仍大量存在，電力網絡的線損等仍比較大。

3.3.2 無功補償方式、容量的選擇

配電網無功補償方式的選擇，從理論上而言，無功補償最好的方式是在哪里產生無功，就在哪里進行補償，整個系統將沒有無功電流的流動。但在實際電網中這是不可能做到的，因為無論是變壓器、輸電線路還是各種負載，均會產生無功。所以實際電網中就補償裝置的安裝位置而言有以下幾種補償方式:變電站高、低壓母線集中補償；高、低壓配電線路分散補償；負荷側的集中補償；負荷的就地補償。一般應將幾種補償方式結合起來采用，以達到最佳的補償效果。

配電線路上的分散補償容量通?？梢园凑铡叭种狈▌t來選擇。即在均勻分布負荷的配電線路上，安裝電容器的最佳容量是該線路平均負荷的2/3；安裝最佳地點是自送電端起的線路長度的2/3處。這一結論是在理想情況下推演出來的，因此在應用時，應根據具體情況具體分析，不能一概而論。

4 結束語

對海洋平臺電力系統的調壓方式進行合理的設計，能夠有效地維持系統的電壓水平，降低配電網損耗，提高功率因數，對于配電網的穩定、海上油田安全經濟運行具有重要的作用。

［1］IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions，Definition and classification of power system stability［J］.IEEE Trans.on Power Systems，2004，19（2）：1387 －1400.

［2］何仰贊，溫增銀等.電力系統分析（下）［M］.武漢：華中理工大學出版社.1991：35 －87.

［3］羅顯泉.淺析無功補償與電網經濟運行的關系［J］.電力電容器，2007（4）：6 －9.

［4］李炳建，閏蘇莉，魏娜.油田配電網無功優化分析［J］.國外電子元器件，2008（7）：25 －26.