海洋石油平臺電網(wǎng)諧波的治理

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030）

海洋石油平臺電網(wǎng)諧波的治理

朱新宇

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030）

針對部分海洋石油平臺變頻電潛泵產(chǎn)生的高次諧波嚴(yán)重污染電網(wǎng)的問題，采用有源濾波器及波反射阻尼器復(fù)合控制方式，消除諧波、降低能耗、節(jié)約維修成本、提高生產(chǎn)時(shí)率。

變頻電潛泵；高次諧波；有源濾波器；波反射阻尼器；節(jié)能降耗

一、存在問題

諧波產(chǎn)生原因

諧波是指對周期性非正弦交流電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻50Hz相同的分量。

電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負(fù)載所致，主要包括變頻器、軟啟動器、整流器、交直流大功率電機(jī)。其中以5、7次諧波最為顯著，給平臺電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。

2．故障情況

某海洋石油平臺已經(jīng)運(yùn)行10幾年，出于采油需要共安裝4臺變頻器用于控制井下的電潛泵，但電潛泵的故障一直居高不下，電潛泵的電纜及電機(jī)的損壞頻率極高，影響了生產(chǎn)時(shí)率。近期一些重要的電氣設(shè)備也頻頻出現(xiàn)故障，如主UPS逆變器故障、電潛泵變頻器控制柜燒毀、升壓變壓器兩次閃爆等。該電潛泵變頻器生產(chǎn)于上世紀(jì)90年代，其本身在抗干擾設(shè)計(jì)上存在很大缺陷，所產(chǎn)生的高次諧波以5、7次諧波為主，危害嚴(yán)重。

二、解決方案

1．諧波測試

諧波測試用儀器為日置PW3198電能質(zhì)量分析儀，可以提供電力運(yùn)行中的諧波分析及功率品質(zhì)分析，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測。主變壓器二次側(cè)諧波電流亦以5、7次為主，其中5次諧波電流達(dá)195．28A，7次諧波達(dá)到79．92A，總電流畸變率達(dá)到9．29%。電潛泵支路由于變頻器的存在產(chǎn)生大量諧波，A1電潛泵變頻器輸入側(cè)總電流畸變率49．15%，以5、7、11、13、17等次為主；A1電潛泵輸出側(cè)電壓、電流嚴(yán)重畸變，電壓畸變率達(dá)到35．18%，電流畸變率達(dá)到36．86%。平臺共有4臺電潛泵變頻器，長期運(yùn)轉(zhuǎn)，對平臺電網(wǎng)的沖擊危害較大，電潛泵變頻器側(cè)電網(wǎng)諧波畸變率高達(dá)40%，遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)，因此可以判斷近期的故障頻發(fā)與其有密切關(guān)系。主要諧波源即為電潛泵變頻器，變頻器運(yùn)行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管整流，同時(shí)利用晶體管及逆變模塊進(jìn)行逆變，在其逆變過程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生大量的高次諧波，以5、7次諧波電流為主。

2．諧波危害

(1)降低電機(jī)的效率、增加電機(jī)溫升。高次諧波引起電動機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，溫升比純凈電網(wǎng)中的電機(jī)增加10%～20%，導(dǎo)致大量的能源損耗。

(2)損壞電潛泵絕緣。變頻器采用PWM控制方式，其載波頻率約為幾千到十幾千赫茲，高頻諧波經(jīng)過長距離電纜傳輸，在電機(jī)端產(chǎn)生直流母線電壓2倍以上的過沖電壓，損壞電機(jī)的絕緣。

(3)使電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲與震動。各次諧波與電動機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和電動機(jī)機(jī)體的固有振動頻率一致或接近時(shí)，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

(4)導(dǎo)致電容器擊穿。電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流放大。

(5)導(dǎo)致變壓器過熱甚至燒毀。高次諧波在變壓器中產(chǎn)生附加渦流鐵損。

(6)導(dǎo)致電纜嚴(yán)重發(fā)熱，絕緣老化。諧波電流使電纜趨膚效應(yīng)加劇，導(dǎo)致導(dǎo)體有效面積減少，通流能力降低。

(7)導(dǎo)致斷路器跳閘，危害系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。變頻器運(yùn)行時(shí)輸出電壓中的諧波分量，使電動機(jī)繞組與外殼之間、以及導(dǎo)線對地之間產(chǎn)生寄生電容，這些寄生電容通過導(dǎo)線與地、機(jī)殼與地構(gòu)成漏電電流通路，當(dāng)這個漏電流大于漏電斷路器的整定電流值時(shí)，漏電斷路器就會動作于跳閘。

(8)對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，監(jiān)視器無法正常工作。電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時(shí)，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話和圖像的清晰度。

3．治理方案

采取加裝有源電力濾波器（APF）為主要的解決方案。有源電力濾波器是一種動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Ψ岛皖l率變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。考慮到電潛泵變頻器為主要的諧波源，如果在電網(wǎng)母排上單獨(dú)加裝有源濾波器，無法徹底消除其下行的諧波，其仍舊會對電潛泵的電纜及電機(jī)造成長期的危害。因此采用了有源濾波器加波反射阻尼器的復(fù)合控制方式，在每臺電潛泵變頻器的輸出端并聯(lián)一臺波反射阻尼器，吸收高次諧波，雖然效果無法與有源濾波器相比，但同樣可以極大地改善電網(wǎng)的質(zhì)量，降低改造的成本。

公司通過外協(xié)，在APF中運(yùn)用可靠性高的軍工級的FPGA等優(yōu)質(zhì)器件，采用LCL的結(jié)構(gòu)輸出濾波控制方式，保證APF補(bǔ)償時(shí)IGBT高頻開關(guān)產(chǎn)生的高次諧波不會注入電網(wǎng)，補(bǔ)償效果更好，同時(shí)適應(yīng)于任何現(xiàn)場電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗，不會發(fā)生諧振，保證裝置安全（圖1）。

三、方案實(shí)施

1．有源濾波器

圖1 系統(tǒng)配電圖

平臺電網(wǎng)系統(tǒng)有兩臺3 300V/400V變壓器，1用1備，LA段上端變壓器投入使用，LB段上端變壓器備用，LA、LB段之間母聯(lián)閉合。平臺共有4臺變頻電潛泵，電潛泵上端的變頻器為主要諧波源，選擇測試點(diǎn)A（LA段上端變壓器輸出端）測試，現(xiàn)場只有A7變頻器投入使用。

有源濾波器投入使用后，系統(tǒng)電流變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的正弦波，電流畸變率由4．6%降低為0．46%；電壓畸變率由2%降低為1%；系統(tǒng)電壓有效值由387V升高為393V；功率因數(shù)從0．78上升為0．93；系統(tǒng)無功功率由0．653MVar減小為0．3MVar；三相視在功率由1．058MVA降低為0．883MVA；消除了配電系統(tǒng)中5、7、11、13次主要諧波電流。

2．波反射阻尼器

消除高次諧波下行對電潛泵電纜和電機(jī)的危害非常重要，所以在每臺變頻器升壓器的輸出端并聯(lián)波反射阻尼器，用于吸收高次諧波。

波反射阻尼器投入使用后，變壓器高壓側(cè)輸出端4．95kHz的高次諧波電壓被濾除；峰值電壓由2．47kV降為2．12kV，降低了350V，大大降低了高次諧波電壓對電潛泵的傷害。此外還要考慮到電潛泵的輸電導(dǎo)線長度所帶來的影響，該導(dǎo)線長為1800m，電壓波傳至海底電潛泵終端，再由終端發(fā)射回一個行波，因?qū)Ь€的寄生電感和寄生電容效應(yīng)，電壓波形最終在變壓器輸出端和電潛泵終端疊加，震蕩成高次諧波電壓，所以實(shí)際的電纜終端和電機(jī)所承受的峰值電壓會超過2．47kV，更易被擊穿。

3．有功線損計(jì)算

諧波電流在電網(wǎng)中傳輸時(shí)，電流流過電纜會會產(chǎn)生嚴(yán)重的肌膚效應(yīng)，導(dǎo)致電流直接流過電纜線的表面，等同于流過電流的導(dǎo)線橫截面大大減小約為原來值的1/10。由于銅導(dǎo)線長度、溫度、電流的趨附效應(yīng)，不能得到一個準(zhǔn)確的輸電導(dǎo)線電阻。假設(shè)APF補(bǔ)償前和補(bǔ)償后發(fā)電機(jī)輸出電壓不變，負(fù)載也不變。由表1可以計(jì)算出變壓器出線端到APF補(bǔ)償端輸電導(dǎo)線電阻。

表1 APF補(bǔ)償前后的線電壓及電流

RA=ΔVA/ΔIA=（393．3-387．5）/（1 567-1 296）=0．021 4Ω

RB=ΔVB/ΔIB=（393．7-387．0）/（1 597-127 6）=0．020 9Ω

RC=ΔVC/ΔIC=（392．7-387．1）/（1 570-1 316）=0．0220Ω

節(jié)省線損功率為：ΔP=P前-P后=52kW

每天可節(jié)省電能：W天=ΔP·t天=52×24=1 248kW·h

每年可節(jié)省電能：W年=365W天=365×1 248 =455 520kW·h

以上只是單臺變頻器的初步計(jì)算，如果4臺變頻器同時(shí)治理，效果更為顯著。而且諧波治理的節(jié)能效果不僅僅在于減少線路的損耗，其他隱性的比如減少變壓器的損耗，減少電機(jī)的發(fā)熱損耗等還未計(jì)入，所以實(shí)際的節(jié)能量會遠(yuǎn)超預(yù)期。

四、治理效益

(1)降低了電動機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗，改善電動機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小等問題，溫升降低10%～20%，同時(shí)也消除了諧波電流在線路的損耗。

(2)消除因諧波在電纜上長距離傳輸后形成過沖電壓，有效保護(hù)電機(jī)絕緣，延長電機(jī)的使用壽命。

(3)消除電磁力波和電動機(jī)機(jī)體產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，有效降低電機(jī)的噪聲。

(4)消除諧波在變壓器中產(chǎn)生的高頻渦流鐵損，避免變壓器嚴(yán)重發(fā)熱甚至再次燒毀的嚴(yán)重故障，提高線路供電可靠性。

(5)防止諧波被電容器放大，避免供電系統(tǒng)電能質(zhì)量加劇惡化。同時(shí)有效保護(hù)配電系統(tǒng)中的電容器，防止電容器鼓肚、擊穿或爆炸甚至引發(fā)火災(zāi)。

五、結(jié)語

通過對變頻器長期運(yùn)行產(chǎn)生的高次諧波的危害治理，平臺電網(wǎng)的質(zhì)量得到極大改善，電能利用率上升，節(jié)能效果顯著，同時(shí)保障相關(guān)電氣設(shè)備的安全，也節(jié)約大量的維修成本。產(chǎn)生諧波的不僅僅是變頻器，其他如軟啟動裝置、整流器、高壓電機(jī)及照明等也會產(chǎn)生，因此對海洋石油平臺自備電網(wǎng)進(jìn)行諧波治理刻不容緩。

TN713

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1671-0711（2014）05-0025-03

2014-02-28）