海上石油平臺供電網(wǎng)勵磁涌流解決方案研究

柯呂雄

CNOOC Ltd._Zhanjiang，廣東湛江 524057

1 海上石油平臺供電網(wǎng)概況

1.1 電網(wǎng)規(guī)劃概況

南海某油田群海域油氣資源非常豐富，組成供電網(wǎng)前采用每一個海上油氣田中心平臺建一個電站的方式進行供電。為提高供電可靠性差、增強電站抗沖擊性能、減少備用發(fā)電機組配置、降低投資及運行維護成本，各平臺電站之間通過海底電纜進行組成海上石油平臺供電網(wǎng)。初期組網(wǎng)在WZIT、WZ12-1、WZ11-1N和WZ11－1等平臺進行，主干線路電壓等級采用35kV。隨著油田群的進一步開發(fā)，還將延伸到WZ6-1等平臺，電網(wǎng)的規(guī)劃接線詳見圖1。該供電網(wǎng)2008年12月投產(chǎn)，是我國第一個長距離、小機組海上石油平臺群供電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 海上石油平臺供電網(wǎng)示意圖

1.2 電網(wǎng)構(gòu)成

各平臺電氣主接線方式35kV采用部分采用單母線接線，主變壓器均采用有載調(diào)壓方式，其中WZIT配置2臺主變壓器、WZ12-1及WZ11-1平臺各配置1臺主變壓器。采用消弧線圈接地方式。WZIT與WZ12-1平臺之間采用3×185mm2截面電纜；WZ12-1與WZ11-1N之間采用3×95mm2截面電纜；WZ11-1與WZ11-1N之間采用3×150mm2截面電纜。具體接線詳見圖2。

圖2 電氣主接線圖

2 電網(wǎng)存在的勵磁涌流問題

2.1 變壓器空載閘產(chǎn)生勵磁涌流

據(jù)組網(wǎng)所采用的變壓器廠方提供的資料，變壓器空載合閘時最大勵磁涌流將達到額定電流的6倍～10倍。陸上電網(wǎng)由于電網(wǎng)容量足夠大，可不考慮勵磁涌流問題。海上石油平臺電網(wǎng)機組臺數(shù)少，容量小，這種所謂的勵磁涌動的流量對于電網(wǎng)以及發(fā)電機的基本電壓產(chǎn)生比較大的影響，同時這些影響會直接通過我們的系統(tǒng)總體輸電線的基本電阻誘發(fā)相鄰變電站及發(fā)電廠運行中的變壓器形成一種“和應涌流”，從而可能引起誤跳閘的情況。針對這樣的情況，我們可以適當采取限制性的基本措施以限制這一情況的發(fā)生。

2.2 勵磁涌流產(chǎn)生原因

按照磁鏈守恒定律，一旦變壓器中的任何一側(cè)發(fā)生突然間的電壓增加情況，電壓瞬變后最終會導致鐵心出現(xiàn)過度飽和狀態(tài)。在此情況下變壓器的勵磁性電流量的過度增大，其數(shù)據(jù)甚至可能會超過正常運行的空載型號電流的好多倍。并且我們都知道在變壓器中，有一個繞組電阻的存在，因而我們的勵磁涌流也會按照基本常數(shù)得到遞減。

由于勵磁涌流和故障電流都是瞬時值很大，變壓器繼電保護裝置難以正確識別他們的差別，如果不采取措施變壓器繼電保護裝置將誤動作。特別是變壓器在投產(chǎn)或檢修空載投入時，差動保護誤動的情況更加明顯。由于勵磁涌流形態(tài)的多變性，目前各種繼電保護應用的算法均不足以徹底解決勵磁涌流問題，亟需一種實用、可靠地解決方案。

3 勵磁涌流解決方案

3.1 勵磁涌流的四個解決方案

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)條件，海上石油平臺供電網(wǎng)組網(wǎng)設計提出了解決變壓器空載合閘勵磁涌流問題的以下4個方案：

方案一：變壓器采用零起升壓后并網(wǎng)

正常情況變壓器都是處于運行狀態(tài)，此時不存在勵磁涌流問題。只有在少數(shù)運行工況下（變壓器檢修或故障退出后再投），才存在合閘勵磁涌流問題，此時可以讓發(fā)電機帶變壓器零起升壓后并網(wǎng)。

方案二：串聯(lián)電阻合閘

串聯(lián)電阻合閘是在合閘側(cè)回路串入電阻來抑制合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流，合閘后通過負荷開關(guān)把合閘電阻短路運行。

方案三：采用斷路器分相合閘

采用斷路器分相合閘，通過捕捉合閘電壓的相位角，使各相均在電壓最大時投入，避免由于變壓器鐵心磁通的突變產(chǎn)生勵磁涌流。

方案四：采用涌流抑制器

抑制器是通過變壓器斷電時電壓的分閘相位角獲知磁路剩磁的極性，下一次合閘時選擇在相近的相位角，此時就能避免變壓器鐵心磁通的突變產(chǎn)生勵磁涌流。

3.2 方案比較

方案一為少數(shù)工況。該方案的每臺變壓器要并網(wǎng)時，都需一臺發(fā)電機帶其零起升壓，且該發(fā)電機所在的6kV段上的負荷要停運，因此將犧牲其他各種運行工況的靈活性。

方案二是一個比較簡潔的方案。雖然目前已有專利產(chǎn)品，但目前還沒有相關(guān)的成功運行案例，需選用非標產(chǎn)品。

方案三由于相角很難捕捉，而且該產(chǎn)品采用晶閘管電子開關(guān)，價格昂貴且目前國內(nèi)也沒有此產(chǎn)品，不推薦用。

方案四所采用的涌流抑制器產(chǎn)品價格便宜（每套約4萬）且國內(nèi)有校豐富的運行經(jīng)驗。

3.3 方案確定

根據(jù)以上分析，采用方案一、方案四技術(shù)上比較穩(wěn)妥。由于方案一不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)設施用電要求對電網(wǎng)靈活性的要求，宜采用方案四，即涌流抑制器方案。

4 涌流抑制器工作原理

我們的變壓器中的空載合閘的基本電源內(nèi)所引發(fā)的基本勵磁涌流與基本電壓的初始基本角度有著莫大的關(guān)系，并且與電壓的初始位置達到二分之π或者是三分之二π，勵磁電流或者是短路性質(zhì)的電流的暫態(tài)分隔量都基本上處在一個基本為零的狀態(tài)，這時變壓器的基本功能狀態(tài)會相對進入一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)中，這是勵磁性的電流會暫時分隔到半個周期之后達到一個比較穩(wěn)定的數(shù)值范圍內(nèi)，因而，我們可以在這種基本情況下可以徹底抑制磁體方面的基本涌流狀態(tài)。

對于一些三相方面的基本變壓器，在三個基本相位的差值達到三分之二π時我們就可以充分采取基本的斷路器裝置，通過采用分項分時操作我們可以采用基本的抑制性的勵磁涌流進行處理分析，但這樣并不會完全導致比較短暫的非全相性運行，并且，針對一些在35kV之下的電網(wǎng)我們還可以采用其他的方式進行處理，旨在更好地達到我們需要達到的基本處理結(jié)果。

我們常使用的涌流的抑制性儀器主要是使用三種基本的方式進行控制的方式進行計算，并且充分結(jié)合相關(guān)變壓器發(fā)生斷電時的基本電壓的分閘相位角度來獲得相關(guān)的磁路的剩磁極性，并且在下一次進行合閘的過程中選擇一個比較臨近的位相角度，同時實現(xiàn)對于勵磁涌流的整體控制。

5 實施情況

1）涌流抑制器的裝設

為滿足電網(wǎng)內(nèi)各變壓器空載合閘時涌流抑制的需求，本油田群電網(wǎng)在各平臺的4臺變壓器高、低壓側(cè)均安裝一臺涌流抑制器裝置。該裝置外形尺寸與低壓保護裝置類似，分別就地安裝在主變壓器的35kV/6kV側(cè)開關(guān)柜上。

我們使用的基本裝置主要是采用斷路的儀器來進行變壓器的空投處理，主要的原理圖在下面的圖示中有具體的顯示，并且一旦我們需要的涌流抑制器收到的相關(guān)的合閘令之后就很容易根據(jù)預先基本設置的三相的斷路器進行合閘處理，并且在使用電壓的二次互感器進行角測值方面的計算時來更加標準的呈現(xiàn)發(fā)生分閘或者是合閘時期的定期信號。

站在更為精準的角度出發(fā)，我們會發(fā)現(xiàn)輔助的基本接點與主觸頭的動作時間之間存在差距，直接導致了涌流的基本抑制器之間有著測量的基本裝置，同時，一旦我們所使用的斷路器脫離了回路的基本電源，就可以更好地對這一功能進行測量研究。

我們使用的基本涌流控制器主要是對斷路的儀器進行合閘方面的控制，我們使用的人工型號的繼電保護也可以在很大程度上對斷路器的基本設備進行分閘方面的使用，主要是在一些比較特殊的情況中，人們當臨時希望把變壓器在某個電源電壓的相位角進行斷電裝置的處理時，就可以通過對涌流抑制器的基本角度分析來進行相關(guān)的操作研究。

圖3 控制原理示意圖

2）涌流抑制器初次合閘調(diào)試

涌流抑制器初次合閘時，由于涌流抑制器沒有變壓器的分閘相位角無法獲知磁路剩磁的極性，需在現(xiàn)場進行調(diào)試，具體步驟如下：

（1）測量斷路器的合閘回路動作總時間；

（2）測量斷路器的分閘回路動作總時間；

（3）錄制投切變壓器負載波形；

（4）根據(jù)負載波形設置參數(shù)，涌流抑制器即可投入運行。

6 運行情況

2008年12月5日WZ12-1石油平臺與WZIT之間的海底電纜正式投入運行，在涌流抑制器的有效配合下，各臺主變壓器順利投入。

在兩年多的運行期間，經(jīng)歷了變壓器有載、空載投入十幾次，計算機監(jiān)控系統(tǒng)均沒有采集到明顯的涌流現(xiàn)象，更無因勵磁涌流造成的其他異常現(xiàn)象。

7 結(jié)論

海上石油平臺的電力組網(wǎng)必須考慮主變壓器空載合閘的勵磁涌流問題，采用涌流抑制器是很好的解決方案。

[1]張繼芬，胡鵬，邱國華，劉峻，王雄文.海上石油平臺電力組網(wǎng)及其EMS設計與實現(xiàn)[J].電力勘測設計，2008(2).