并聯電抗器在南海油田群長距離輸電中的應用

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

在海洋油氣田開發中，海纜將海上油氣田電力系統連接成一個完整的有機體。隨著海洋石油油田群規模和范圍的不斷擴大，以及中小油田和邊際油田的滾動開發，井口平臺不設電站，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用。隨著井口平臺到中心電站的距離越來越遠，在利用長距離海纜進行輸電時，由于電纜的容性效應會出現較大的容性無功。當井口平臺負荷較輕或運行在輕載和空載狀況時，平臺電力系統沒有足夠的感性負荷與之平衡，會帶來發電機進相運行、系統電壓出現波動以及系統穩定性降低等問題。

1 無功功率

1.1 無功功率補償（Reactive power compensation）

電網輸出功率包括有功功率和無功功率。直接消耗電能，把電能轉變為機械能、熱能、化學能或聲能，這部分功率稱為有功功率；不消耗電能，只把電能轉換為另一種形式的能，它作為電氣設備作功的必備條件，并且這種能在電網中與電能進行周期性轉換，這部分功率稱為無功功率。

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

1.2 容性無功的產生

電纜線路在系統中運行時，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 以及系統電壓U 相關。電纜的單位電容是指導體與金屬屏蔽或金屬套間的設計電容。電纜線路中存在的容性無功功率QC計算見式（1）。

式中 U——系統電壓，kV

ω——系統角頻率，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）發電機進相運行。發電機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。

在電力系統正常運行時，發電機發出供系統中感性負載吸收利用的無功功率，此時發電機處于過勵磁遲相運行狀態。即電流I˙滯后于U˙，P＞0，Q＞0，功率因數為正。但是，當系統中容性無功過大，沒有足夠的感性無功負載與之平衡，發電機在正常輸出有功功率的同時，會吸收系統中的容性無功，變為欠勵磁遲相運行，即電流I˙超前于U˙。P＞0，Q＜0，功率因數為負，如圖2 所示。

圖1 發電機電氣圖及等值電路

圖2 發電機運行相量

當發電機進相運行時，隨著勵磁電流下降，電磁轉矩下降，發電機定、轉子磁極間磁力線減少，在轉子上就會出現轉矩不平衡現象，故發電機進相運行受諸多條件限制，如現有勵磁系統能否滿足進相運行條件、發電機靜穩極限對進相運行的限制、系統電壓變化范圍的限制以及進相運行時可能導致的失磁不同步等的限制。所以，發電機進相運行極易出現：①發電機靜穩定性降低；②發電機定子端部發熱嚴重；③低勵整定容易誤動作。

（2）影響發電機的帶載能力。電網中額外增加的容性無功，需要由發電機發出相應的感性無功并經過長距離線路傳送來進行平衡，從而要求發電機容量增加，否則會導致發電機帶載能力下降。

（3）系統末端電壓升高，在孤立的小系統中尤為明顯，容易損壞用電設備。

（4）發電機帶長線路可能出現的自勵磁諧振現象。

1.4 并聯電抗器補償容性無功

并聯電抗器無功功率補償裝置常用于補償系統容性。它通過向高壓長距離的電纜輸電網絡提供感性無功功率，補償電網中剩余的容性充電無功功率，控制無功功率潮流，保證電網電壓穩定在允許范圍內。

并聯電抗器用于補償輸電線路的容性充電功率時，其容量可按式（2）計算。

式中 QL——并聯電抗器容量，MVar

QC——線路中的充電功率，MVar

β——補償度，取0.4～0.8

并聯電抗器可根據電網運行狀況進行有級調節，能夠方便有效的使系統達到無功平衡。輕負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，并能防止發電機帶長線路可能出現的自勵磁諧振現象。

2 并聯電抗器進行容性無功補償在南海某油田群的應用

2.1 改造前的問題

南海某油田群由A，B，C，D，E 共5 個生產平臺和1 艘十萬噸級FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產儲油卸油裝置）組成。油田采用集中供電方式，3 臺索拉（SOLAR）公司生產的金牛（TAURUS）70 透平發電機組集中安置在FPSO 上，采用2 用1 備的方式運行。10.5 kV 電力從FPSO經單點電滑環及2 條海底電纜輸送至A 平臺。A 平臺作為電力中轉站，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，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。在投產初期，海底電纜產生的容性無功合計約為-5.5 MVar、發電機進相運行（功率因數在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%），嚴重影響油田群電力系統的穩定。

2.2 改造方案

針對該油田群電力系統存在的問題，首先對海纜產生的無功功率進行計算。根據海纜充電功率計算公式，海纜中產生的充電功率QC=4.9 MVar。

利用EDSA 電力系統分析軟件進行建模、計算分析，找出影響系統穩定運行的原因。模型中各主要參數包括發電機參數、變壓器參數、海纜參數、負荷參數。

根據EDSA 分析結果，潮流計算分析的結果和正常工況下實際運行數據完全相符。該油田群在正常運行工況時，除了給B平臺供電的海纜長度較短，平臺負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，從而導致兩透平機需要吸收約2 MVar 的容性無功。因此，FPSO 上的透平發電機在正常工況下運行時一直處于進相運行狀態，在電網輕載運行工況下，發電機進相又進一步加劇，2 臺透平發電機需要吸收約3.5 MVar 的容性無功，并且系統中流動的無功增加，系統電壓進一步抬高。

在EDSA 模型中，投入了5 MVar 的并聯電抗器，電抗器投入后，在正常和輕載兩種工況下都能保證發電機正常遲相運行，并且發電機運行的功率因數在0.8 以上，是非常合理的運行狀態。

2.3 系統改造

根據分析計算結果，并考慮各平臺的空間布局，最終采用就地并聯電抗器的方案進行改造，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的C，D，E 等3 個平臺。

2.3.1 電抗器的主要結構、原理接線圖及技術參數

電抗器為3 柱式結構構成的。三相繞組由套管引出電抗器后通過（1×3×95）mm2的獨立電纜經一真空斷路器接入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方式直接冷卻鐵心和繞組。為加強干式電抗器的通風散熱，選擇安裝風冷系統，并加裝一套溫度控制系統。電抗器繞組和鐵心的溫度通過鉑電阻Pt100 傳輸到溫控器上，溫控器具有集溫度顯示、控制遠程輸出等功能。

2.3.2 電抗器回路保護設置

（1）電抗器的進線端裝設一臺35 kV 的真空斷路器，并配備了多功能繼電器，設置了4 種保護，即電流速斷保護、定時限速斷保護、過負荷保護以及過電壓保護，沒有設置差動保護。

（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、冷卻風機自動起停輸出、超溫報警顯示并輸出、超溫跳閘顯示并輸出、風機手動控制/自動控制兩種狀態顯示、輸出等。電抗器溫度異常報警會在MCC（Motor Control Centre，電機控制中心）控制中心顯示和報警，電抗器超溫保護跳閘信號接入相應多功能保護繼電器，使對真空斷路器跳閘，電抗器退出運行。

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

2.4 改造效果

該油田群完成并聯電抗器改造后，設備運行近2 a，各項指標達到預期的效果。

（1）主發電機組始終保持在遲相運行狀態，容性無功得到了有效的補償（表1、表2）。

表1 改造前發電機狀態

表2 改造后發電機狀態

（2）發電機，勵磁電流下降，發電機定子端發熱大大下降，靜態穩定性得到加強。

（3）遠端平臺電壓由38 kV 將至35.5 kV，滿足電壓運行要求。

3 結論

采用并聯電抗器，成功解決了南海某油田群長距離輸電產生的容性無功過大導致發電機遠端電壓抬升等問題，為其他海上油氣生產裝置解決同類問題提供可借鑒范例。