淺談乍得羚羊油田變電站設計

中騰微網（北京）科技有限公司 李文穎

臺灣中油乍得羚羊油田位于乍得南部貝諾依地區，項目地處偏僻，沒有市政供電；項目工藝生產單元非常分散，工作環境為爆炸危險區。這樣勢必要求該項目的供配電系統設計合理、經濟、安全、可靠，否則將給項目的正常運行和維護帶來很大的影響和危害。選擇雙燃料燃氣輪機作為該項目的供電電源，為保證設備在爆炸環境下能安全、可靠地運行，本項目將保護接地與工作接地相連并接入防雷接地系統，避免了浮點接地系統和多點接地系統中出現的雷擊問題。項目采用基于PMS和工業以太網、光纖通信技術相結合的先進配電控制系統，相比傳統配電控制系統具有很強的可靠性、靈活性、開放性和安全性。

1 供配電系統

1.1 變配電室選址

由于項目地處偏僻、沒有市政電力供應，因此需在該項目中建一座發電站。發電站將建在中央集輸站的東南角，并確保該區域為非防爆危險區。在負荷相對比較集中的位置配置一座變配電站，以放射式的配電方式向用電負荷配電。變配電站還應考慮靠近發電站，經綜合性考慮后，變配電站位于中央集輸站的正南偏西的非爆炸危險區，滿足電源電纜距離近、易敷設的要求；與工藝裝置滿足安全距離。

混輸泵站建一座無人值守的變配電站，電能由中央集輸站發電站提供，通過33kV架空線輸送電能，通過光纖將混輸泵站各類信號傳遞到中央集輸站。井口設置獨立的箱式變電站，電能由中央集輸站發電站提供，通過33kV架空線輸送電能。以井口為圓心半徑40m的范圍內為爆炸危險區，箱式變電站布置在此范圍以外，靠近架空線H型終端桿的位置[1]。

1.2 負荷計算

按照《供配電系統設計規范》GB50052-2009中規定，考慮場區處理性質及站場所處位置的實際情況，確定總體負荷等級為二級。負荷計算采用需要系數法，需用系數應符合《工業與民用供配電設計手冊》中的要求。

中央集輸站變配電室：通過電力負荷統計計算，取同時系數K∑p=K∑q=0.93，則中央集輸站變配電室有功功率Pc1、無功功率Qc1、視在功率Sc1分 別 為：Pc1=5865.26kW；Qc1=3291.66kVar；Sc1=6725.79kVA。中央集輸站功率因數COSφ=0.87，低壓0.4kV側采用集中無功自動補償方式以提高功率因數，補償后功率因數達到COSφ2=0.91，其需要補償容量QC1=Pc13(tanφ1-tanφ11)=241.24kVar，故QC1取300kVar。由于系統為單母線分段，每段無功補償值為150kVar。

混輸泵站變配電室：根據電力負荷統計計算，混輸泵站變配電室有功功率Pc2、無功功率Qc2、視在功率Sc2分別為：Pc2=1660.68kW；Qc2=632.42kVar；低壓0.4kV側采用集中無功自動補償方式以提高功率因數，低壓0.4kV側功率因數COSφ2=0.84；補償后功率因數達到COSφ21=0.91，其需要補償容量QC2=P'c22(tanφ2-tanφ21)=53.83kVar，故Qc2取100 kVar。由于系統為單母線分段，每段無功補償值為50kVar。

井場變配電室：17座井場的變配電室的配置相同，此處針對1座井場的負荷計算進行分析。據電力負荷統計計算，取同時系數K∑p=K∑q=0.93，則主廠房變配電室有功功率Pc3、無功功率Qc3、視在功率Sc3分別為：Pc3=92.09kW；Qc3=45.70kVar；Sc3=102.80kVA，COSφ3=0.9，故井場不需要低壓無功補償。

1.3 配電設備的選擇

1.3.1 電氣系統配電形式

供配電的形式大致分為放射式、樹干式、鏈式。本工程綜合考慮供電可靠性以及成本的因素，設計采用幾種方式的混合形式，在負荷較為集中的區域采用以放射式為主的供電方式，在負荷比較分散且重要程度不高的區域采用樹干式供電方式[2]。

1.3.2 配電室電氣設備選擇

根據以上負荷計算，電氣系統設計如下：三臺雙燃料燃氣輪機3×4.1MW，兩用一備；應急柴油發電機選擇1000kVA，以保證重要負荷或特殊負荷非生產期用電；母線選擇單母線分段，燃氣輪機組為孤島電網運行。根據發電機出口端三相短路電流值，選擇11kV進線柜內進線斷路器的分段能力，發電機超瞬態電抗X"d=0.495Ω。

1.4 站場內防爆電氣設備選擇

防爆設計第一步是對站內區域進行危險區域劃分。根據《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》GB50058-2014中爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間進行劃分，中央集輸站站和混輸泵站屬于2區，站內的釋放源屬于第二級釋放源。第二個關鍵步驟是選擇適宜的電氣元件，原則仍是安全與經濟的結合，電氣元件選型為ExdⅡBT6 Gb。

1.5 電纜的選擇

主變配電室11kV母線上的短路電流為8.62kA，33kV母線上的短路電流為0.876kA，根據電纜的熱穩定性校驗選擇電纜最小截面積：Smin為電纜最小截面積mm2；Qt為短路電流熱效應kA2s；c為熱穩定系統。

對于11kV系統，Ith=8.62kA，Ith=1，c=143代入上式可得最小截面積60.28mm2，該項目取70mm2。對于33kV系統，Ith=0.876kA，tth=1.5，c=143代入上式可得最小截面積7.50mm2，該項目取35mm2。

中央集輸站變配電室、混輸泵站變配電室、井場變配電室高壓進線電纜選擇分別如下：補償后視在功率6584kVA/1744kVA/103kVA，電壓等級11kV/33kV/33kV，COSφ0.89/0.95/0.90，計算電流346A/31A/2A，按照載流量選擇240mm2/50mm2/35mm2，按照熱穩定性選擇70mm2/35mm2/35mm2，敷設距離0.14km/ 0.4km/0.2km，壓降損失0.015%/ 0.029%/0.001%，按照壓降損失選擇150mm/ 35mm2/35mm2，選擇結果240mm2/50mm2/35mm2。

1.6 接地及防雷防靜電接地

由于采用中性點直接接地系統會導致大大增加了人體的觸電電流，單相接地時會形成單相短路，故中央集輸站變配電室11kV和33kV系統采用中性點非有效接地系統，通過電阻柜進行接地。站場內設聯合接地網，接地電阻不大于4歐姆。

發電站按第一類防雷建筑物考慮，分別在發電機周圍設置三根獨立式避雷針以保護發電機房不遭雷電侵害。防雷接地和設備接地的接地電阻不大于10歐姆。中央集輸站和混輸泵站屬于第三類防雷建筑物，最高工藝設備為壓縮機（高12米），工藝設備、管線的壁厚為6mm，故站內可不做輔助避雷設備，但應保證工藝設備、管道及設備非帶電金屬外殼應按規程進行防靜電接地，接地電阻不大于30歐姆。

PMS、DCS及計算機系統分別設單獨接地系統，其接地電阻均不大于1歐姆；儀表設備保護接地將與電氣接地系統共用，接地電阻不大于4歐姆。當操作人員在觸碰站內設備前應穿好絕緣鞋，并觸碰靜電接地球后（消除人體靜電），方能進行操作[3]。

2 控制系統

2.1 控制系統簡介

本項目采用分布式PMS控制系統。該PMS控制系統是基于ABB最先進的800xA PMS系統和工業以太網、光纖通信技術相結合的先進控制系統。相比于傳統的控制系統具有很強的可靠性、靈活性、開放性和安全性。

2.2 控制系統組成

服務器通過軟件互為冗余，系統采用雙網進行通信。無論從邏輯概念上還是從物理概念上將變電站的功能分為三層，即站控層、間隔層和過程層[4]。

站控層設在中央集輸站的控制室內，為實現不同廠商的設備互聯，易于與Internet連接且信號傳輸距離不超過百米，故采用高速工業以太網通訊，通訊速率為100MB/s，通訊介質是超五類雙絞線。混輸泵站與主站間通過總線進行數據采集與交換，通訊介質采用單模光纖，以實現全部工藝生產設備的監控。工程師站用來完成編程組態并具有操作員站操作功能，操作員站主要用于操作，網絡打印機完成日常生產報表及故障報警記錄等。

間隔層通過Modbus RTU總線方式與站控層設備進行數據通信。為了簡化通訊結構，間隔層采用Modbus環形連接，實現間隔層的通訊冗余；過程層設備包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。一次設備與間隔層設備共同安裝在柜內、距離很近，為了增加操作系數、便于檢修，采用硬線連接方式進行信號交換，硬線方式比較直觀，成本較低[5]。

綜上，隨著石油化工企業的規模不斷擴大，電氣供配電正朝著智能化方向發展，安全性對電氣設備選擇和控制方式的擬定有較大的影響。企業在關注自身經濟效益的同時，需要完善自身的安全機制，保障石化企業電氣系統設計與線路安裝的安全性，防止造成巨大的經濟損失。