陳英

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057）

1 引言

海上采油平臺(tái)的采油、外輸?shù)葎?dòng)力源以及通訊設(shè)備都是由鋪設(shè)在海底的電纜輸送。海底電纜發(fā)生故障會(huì)嚴(yán)重影響采油井的正常生產(chǎn)，造成重大生產(chǎn)損失。中海油某海上平臺(tái)由于海底電纜紅相擊穿，故改造為直流進(jìn)行輸電，即將高壓交流電通過(guò)中心平臺(tái)整流站整流成直流，通過(guò)兩相完好的海底電纜進(jìn)行輸送電能，通過(guò)井口平臺(tái)逆變站將直流電逆變成油田需要的交流電，再供平臺(tái)自用。

2 直流輸電結(jié)構(gòu)

直流輸電由一個(gè)整流站和一個(gè)逆變站組成，整流站設(shè)在中心平臺(tái)，逆變站設(shè)在井口平臺(tái)，中間由30km海底電纜相連。中心平臺(tái)將10.5kV交流電通過(guò)整流站整流為15kV直流電，并通過(guò)海底電纜輸送給平臺(tái)5逆變站，逆變成400V/35kV，50Hz的交流電供本平臺(tái)用電并為下游用戶提供電力供應(yīng)。中心平臺(tái)整流站由兩極組成，每極分別由1臺(tái)移相變壓器和12個(gè)功率單元組成。移相變壓器在合閘瞬間會(huì)產(chǎn)生電磁涌流，對(duì)海上平臺(tái)小微電網(wǎng)沖擊巨大。

圖1 直流輸電結(jié)構(gòu)圖

3 勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)及危害

3.1 勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生

電力變壓器空載投入電網(wǎng)時(shí)，由于鐵芯剩磁的存在，導(dǎo)致合閘瞬間剩磁與新建立的磁場(chǎng)相互疊加，而變壓器鐵芯勵(lì)磁材料具有非線性特性，造成合閘磁通飽和，勵(lì)磁電流成百倍增長(zhǎng)，從而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

3.2 勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)

涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量，主要是偶次諧波，因此，勵(lì)磁涌流的變化曲線為尖頂波。勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大，最大可達(dá)額定電流的10～25倍。勵(lì)磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開(kāi)始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，持續(xù)時(shí)間為數(shù)十周波到數(shù)秒。一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，但總的趨勢(shì)是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。

圖2 勵(lì)磁涌流數(shù)值曲線

3.3 勵(lì)磁涌流的危害

（1）諧波造成電網(wǎng)污染及發(fā)熱。

（2）涌流峰值會(huì)造成電源側(cè)開(kāi)關(guān)柜保護(hù)跳閘，引起大面積斷電。

（3）涌流峰值會(huì)造成發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)跳閘，引起大面積斷電。

（4）涌流峰值會(huì)造成保護(hù)開(kāi)關(guān)燒熔。

4 直流輸電解決系統(tǒng)及改造

4.1 直流輸電預(yù)充電原設(shè)計(jì)方案

為解決啟動(dòng)沖擊問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段即設(shè)計(jì)了預(yù)充電回路。預(yù)充電回路由充電電阻，輸入輸出接觸器構(gòu)成。中心平臺(tái)至井口平臺(tái)直流輸電設(shè)備啟動(dòng)的原理如圖3所示，平臺(tái)供電進(jìn)線為10kV主電網(wǎng)直接供電，10kV母線電壓經(jīng)平臺(tái)主變壓器降壓后變換為400V平臺(tái)主電，平臺(tái)主變壓器為DY11組別，即變壓器副邊400V電壓相位超前變壓器原邊10kV母線電壓30°相位角。

圖3 改造前直流輸電系統(tǒng)預(yù)充電原理圖

直流輸電設(shè)備輸入移組變壓器主進(jìn)線為10kV母線電壓，由于直流輸電設(shè)備閥組由功率開(kāi)關(guān)管和直流電容器組成，直流電容器直接合閘供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的沖擊電流，容易引起設(shè)備損壞甚至威脅平臺(tái)10kV主電網(wǎng)安全，故直流輸電設(shè)備啟動(dòng)前需要進(jìn)行預(yù)充電。

4.2 預(yù)充電系統(tǒng)存在的問(wèn)題

直流輸電多繞組變壓器除為功率閥組供電的副邊繞組外，還設(shè)計(jì)了預(yù)充電的輔助第三繞組，設(shè)備啟動(dòng)前控制系統(tǒng)先控制預(yù)充電接觸器KM12和KM13合閘，三相400V動(dòng)力電源通過(guò)預(yù)充電電阻R和直流輸電變壓器輔助第三繞組為直流輸電閥組預(yù)充電，由于充電電阻R的限流作用，功率閥組直流電容兩端的電壓逐漸升高，避免了直接合閘產(chǎn)生的沖擊電流。功率閥組預(yù)充電結(jié)束后，需要先斷開(kāi)預(yù)充電接觸器KM12和KM13，之后再將直流輸電設(shè)備進(jìn)線接觸器QF合閘。確認(rèn)QF可靠合閘后，再將KM11接觸器閉合，輔助第三繞組輸出400V電壓為控制系統(tǒng)提供第二路動(dòng)力電源，保證了直流輸電設(shè)備控制系統(tǒng)電源的可靠性。由于KM12和KM13分閘到QF接觸器合閘之間的時(shí)間間隔很短，引起QF合閘時(shí)功率閥組直流電容兩端的電壓仍然很高，QF合閘不會(huì)對(duì)功率閥組造成電流沖擊。但由于QF合閘前輔助第三繞組的400V交流電壓已經(jīng)斷開(kāi)，因此直流輸電多繞組變壓器已經(jīng)完全斷電，閉合QF高壓接觸器時(shí)由于變壓器勵(lì)磁涌流作用的影響，10kV主電網(wǎng)母線電壓會(huì)出現(xiàn)明顯跌落，導(dǎo)致部分開(kāi)關(guān)柜綜合保護(hù)裝置低電壓報(bào)警。同時(shí)，由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和受潮引起的系統(tǒng)絕緣性能下降，預(yù)充電過(guò)程中系統(tǒng)漏電流增大，導(dǎo)致預(yù)充電電阻R上的充電壓降增加，最終導(dǎo)致預(yù)充電電壓不足，系統(tǒng)預(yù)充電失敗。

4.3 預(yù)充電系統(tǒng)改造方案

根據(jù)原理分析，為避免系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)預(yù)充電失敗的情況，需要對(duì)系統(tǒng)預(yù)充電電阻R進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)預(yù)充電電阻阻值和功率。理論上減小充電電阻阻值即可減小充電過(guò)程中預(yù)充電電阻R上的充電壓降，從而使預(yù)充電過(guò)程中功率閥組直流電容兩端電壓可以達(dá)到更高水平，減小甚至消除預(yù)充電失敗的概率。但在減小充電電阻阻值的同時(shí)，需要對(duì)充電電阻的發(fā)熱情況進(jìn)行分析和計(jì)算，以合理設(shè)計(jì)充電電阻功率，避免因發(fā)熱嚴(yán)重導(dǎo)致充電電阻損壞。

為了避免直流輸電變壓器進(jìn)線高壓合閘時(shí)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流沖擊，則需要在高壓合閘時(shí)保持預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13閉合，等待高壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF閉合之后再分開(kāi)預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13，由于直流輸電變壓器未出現(xiàn)完全失電的情況，則進(jìn)線高壓合閘時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的勵(lì)磁涌流沖擊。但由于預(yù)充電回路電源和進(jìn)線10kV高壓電源之間的等效阻抗很小，因此為實(shí)現(xiàn)上述操作，必須保證預(yù)充電回路電源和進(jìn)線10kV高壓電源電壓幅值滿足直流輸電變壓器繞組變比關(guān)系同時(shí)兩組電源相位同步。根據(jù)之前的分析，平臺(tái)主變組別為DY11，所以平臺(tái)上的400V電源在相位關(guān)系上會(huì)超前10kV主電網(wǎng)電源30°相位角，而直流輸電變壓器原邊主繞組和輔助第三繞組為YY0組別，故為實(shí)現(xiàn)上述操作，必須將預(yù)充電回路電源相位延遲30°。所以在直流輸電預(yù)充電回路系統(tǒng)中需要加入一個(gè)調(diào)相變壓器，變壓器輸入和輸出電壓之間存在30°相位差。綜合上述分析，改造后的充電系統(tǒng)原理圖如圖4所示。通過(guò)調(diào)相變壓器保證直流輸電變壓器原邊主繞組10kV電壓和預(yù)充電回路400V電源電壓幅值滿足變壓器變比關(guān)系，同時(shí)兩電源相位完全同步。在充電過(guò)程中當(dāng)功率閥組直流電壓達(dá)到閥值后可以先合進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF，之后再分預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13，控制系統(tǒng)備用電源接觸器KM11，可以避免勵(lì)磁涌流沖擊。

圖4 改造后直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)原理圖

4.4 預(yù)充電系統(tǒng)改造效果

2016年5月10日停產(chǎn)大修期間，對(duì)中心平臺(tái)直流輸電設(shè)備整流站預(yù)充電系統(tǒng)進(jìn)行了改造，更換了新的充電回路電阻，同時(shí)增加了調(diào)相變壓器以保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)改造方案設(shè)計(jì)的充電邏輯。進(jìn)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，改造前400V充電回路電源與10kV進(jìn)行高壓電源之間確實(shí)存在30°的相位差，測(cè)試波形如圖5所示。由于兩電源相位不同步，因此不能實(shí)行先合進(jìn)線開(kāi)關(guān)QF再分預(yù)充電回路接觸器KM12和KM13的操作邏輯，否則兩兩位不同的電源并聯(lián)會(huì)形成較大環(huán)流，損壞設(shè)備甚至危及電網(wǎng)安全。

圖5 改造前預(yù)充電電源和高壓相位差

加入調(diào)相變壓器后，預(yù)充電回路電源相位被延后了30°，則預(yù)充電回路電源和進(jìn)行高壓電源相位完全同步，示波器測(cè)得的兩電源相位關(guān)系如圖6所示。同時(shí)由于兩電源電壓幅值滿足直流輸電變壓器變比關(guān)系，因此兩電源可以短時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行，滿足了改造方案充電操作邏輯的要求。廠家研發(fā)人員修改控制程序中的預(yù)充電動(dòng)作邏輯，經(jīng)低壓測(cè)試驗(yàn)證邏輯正確后開(kāi)始實(shí)際高壓測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確認(rèn)變壓器合閘沖擊電流由之前的幾百安培降低至幾十安培，預(yù)充電和變壓器合閘過(guò)程對(duì)10kV主電網(wǎng)基本不產(chǎn)生任何影響。而由于重新設(shè)計(jì)和更換了預(yù)充電回路充電電阻，充電過(guò)程中功率閥組直流電壓可以由之前的500V左右提高至600V以上，預(yù)充電失敗的情況不會(huì)再次出現(xiàn)。

圖6 改造后預(yù)充電電源和高壓相位同步

5 結(jié)論

直流輸電移相變壓器功率在小微電網(wǎng)中占比較大，空載合閘瞬間將會(huì)產(chǎn)生較大的電磁涌流，進(jìn)而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，在系統(tǒng)中增加與充電回路可以有效的減小電磁涌流的影響。但當(dāng)預(yù)充電回路與電網(wǎng)存在相位差時(shí)，變壓器鐵芯預(yù)充磁時(shí)形成的磁場(chǎng)將與新建立的磁場(chǎng)相互疊加，而變壓器鐵芯勵(lì)磁材料具有非線性特性，造成合閘磁通飽和，勵(lì)磁電流成百倍增長(zhǎng)，從而產(chǎn)生更嚴(yán)重的勵(lì)磁涌流。

通過(guò)調(diào)相變壓器，將預(yù)充磁回路相位調(diào)整到與電網(wǎng)相同后，變壓器合閘涌流基本消失，系統(tǒng)啟動(dòng)合閘時(shí)對(duì)10kV主電網(wǎng)影響明顯減小，極大地方便了直流輸電設(shè)備的運(yùn)行操作和維護(hù)工作，同時(shí)也有效地提高了系統(tǒng)供電的及時(shí)性和穩(wěn)定性。

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