王海濤 邵啟兵 閆志雨 金秋 潘盼 李震 趙洪 顧偉偉

摘 要：為了實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益，邊際油田多采用“一對多”的IEESP系統(tǒng)進行石油開采工作，集束海纜是該系統(tǒng)中重要設(shè)備。IEESP系統(tǒng)中，變頻器開關(guān)器件快速通斷使得輸出信號中存在許多高頻諧波分量，其中最突出的是VSI系統(tǒng)中的高dv/dt信號與CSI系統(tǒng)中的高di/dt信號，這兩類信號在經(jīng)過長距離電纜的傳輸后將分別帶來電機輸入端過電壓問題和不同線組之間的串音干擾問題。利用有限元法結(jié)合均勻傳輸線定理，對集束海纜的濾波特性進行探究可知：對于信號中10kHz及以上高頻成分，當(dāng)集束海纜長度超過15km時，濾除效果即超過了99%，對于1MHz及以上級別的高頻信號，電纜長度為1km時其濾除效果便超過99%，即隨著長度的積累，電纜依靠自身濾波效應(yīng)便能夠?qū)Ω遜v/dt信號及其附帶產(chǎn)生的各類高頻信號進行有效濾除。利用COMSOL Multiphysics建立三維有限元模型，對9芯集束海纜中串音干擾最嚴(yán)重的線組進行有仿真計算可知：盡管集束海纜中的金屬屏蔽層無法有效屏蔽信號中的低頻成分，但對1000Hz以上高頻信號所產(chǎn)生的電磁波屏蔽效果卻十分突出，且隨著頻率升高其屏蔽效果愈發(fā)明顯，即金屬屏蔽層能夠有效抑制集束海纜高頻串?dāng)_現(xiàn)象的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：集束海纜；過電壓、串?dāng)_、濾波、屏蔽

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.007

中圖分類號： TM11? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2024）01-0062-07

Filtering and Anti-crosstalk Characteristics of Cluster Submarine Cables in Marginal Oilfields

WANG Haitao1，2， SHAO Qibing3， YAN Zhiyu1，2， JIN Qiu4，PAN Pan1，2， LI Zhen3， ZHAO Hong3， GU Weiwei1，2

（1Zhongtian Technology Submarine Cable Co，Ltd， Nantong 226010；2Jiangsu Provincial Key Laboratory of Ocean Energy and Information Transmission， Nantong 226010，China；3Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application， Ministry of Education， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China；4CNOOC （China） Co，Ltd Tianjin Branch，Tianjin 300000，China）

Abstract：In order to achieve higher economic benefits， marginal oil fields often adopt “one to many” IEESP system for development， and bundled submarine cables play an important role in it In the IEESP system， the rapid on-off of switching devices results in many high-frequency harmonic components in the output signal， the most prominent of which are the high dv/dt signals in the VSI system and the high di/dt signals in the CSI system The above signals will cause crosstalk and overvoltage at the input of the motor after transmitting through a long cable By combining the finite element method and the uniform transmission line theorem， the study of signal attenuation characteristics in bundled submarine cables shows that as the cable length increases， the cable filtering effect can effectively filter out high dv/dt signals For high-frequency components of 10kHz and above， the filtering effect exceeds 99% when the length of the bundled submarine cable exceeds 15km For high-frequency signals of 1MHz and above， the filtering effect exceeds 99% when the cable length is 1km Establishing a three-dimensional model in COMSOL Multiphysics and calculating the line group with the most prominent problem in the 9-core bundled submarine cable， it can be concluded that although the metal shielding layer in the bundled submarine cable cannot shield the low-frequency components of the signal， its shielding effect on high-frequency signals above 1000Hz is very good And as the frequency increases， its shielding effect becomes more obvious， that is， the metal shielding layer can effectively suppress the occurrence of high-frequency crosstalk in bundled submarine cables

Keywords：bundled submarine cable; overvoltage; crosstalk; filtering; shielding

0 引 言

邊際油田探明儲量小、分散性強，單獨開發(fā)價值較低，出于優(yōu)化平臺規(guī)模，降低工程投資的目的，實際應(yīng)用中大多采用“一對多”的IEESP系統(tǒng)（Inverter-Electric cable-Electric submersible pump）進行開發(fā)，集束海纜則是這一開發(fā)模式下的重要設(shè)備［1-3］。

為消除大啟動電流對電潛泵機組的電、機械沖擊，并實現(xiàn)排量自動控制，IEESP系統(tǒng)采用了變頻驅(qū)動技術(shù)［4］。所使用的逆變器主要有電壓型逆變器（voltage source inverter，VSI）和電流型逆變器器（current source inverter，CSI）兩種。VSI儲能元件為電容器，輸出電壓為矩形波而電流近似正弦波，開關(guān)器件快速通斷產(chǎn)生的高dv/dt現(xiàn)象會附帶電壓反射、脈沖阻尼震蕩及諧振過電壓等一系列問題，造成電機絕緣、海底電纜、變壓器乃至變頻器輸出端的加速老化甚至擊穿［5-6］；CSI儲能元件為電抗器，輸出電流為矩形波而輸出電壓近似正弦波，被認(rèn)為能夠從原理上抑制輸出電壓中的高dv/dt現(xiàn)象，有效改善電壓反射及由高dv/dt引起的過電壓問題，缺點則是儲能元件儲能效率和體積相較于VSI劣勢明顯、造價昂貴、低轉(zhuǎn)差頻率下性能較差、需要反饋控制、多回路供電存在高頻串?dāng)_等。

早期變頻驅(qū)動系統(tǒng)中所采用的逆變器以電壓型逆變器為主，因此對應(yīng)算法及濾波器設(shè)計也主要針對電壓型逆變器展開。姜艷姝［7-9］、劉建國［10］、王珊珊［4］等相關(guān)研究人員先后對不同類型VSI變頻驅(qū)動系統(tǒng)中差模及共模電壓的抑制方法及對應(yīng)濾波器的設(shè)計進行了詳細(xì)的研究，并取得了大量研究成果。近年來，在海上石油開采領(lǐng)域中，為了回避方波電壓在長距離變頻驅(qū)動中的一系列安全問題，新型電流型逆變器開始逐漸得以采用，李昱［11］等則開展了對CSI-DPWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與算法的設(shè)計與改進，使得電流型逆變器輸出kHz級別電流及電壓諧波得到了很好的抑制。

目前，CSI與VSI的算法及拓?fù)湓O(shè)計，可抑制的諧波頻段通常為kHz級別（IGBT開關(guān)頻率的3-20次諧波），而對于等效頻率可達(dá)兆赫茲的開關(guān)動作的上升、下降沿往往只能通過縮短電纜長度或在添加低通濾波器的方法進行抑制［12-13］。由于在邊際油田IEESP系統(tǒng)中，變頻器與目標(biāo)油井之間的距離通常為數(shù)公里甚至十?dāng)?shù)公里，遠(yuǎn)超所謂電纜臨界使用長度，縮短電纜長度的方案顯然無法實現(xiàn)，增加額外濾波器幾乎成為抑制高dv/dt或di/dt問題的唯一方案。我們注意到：隨著金屬屏蔽層被加入集束海纜，電纜自身電容得到了有效利用，這使得電纜長度增加時，其自身低通濾波效應(yīng)將逐步凸顯，即電纜自身便能夠在一定程度上延長上升、下降時間，抑制VSI-WM系統(tǒng)高dv/dt帶來的影響，這一效應(yīng)在IEESP系統(tǒng)中的具體效果尚欠詳細(xì)研究。此外，當(dāng)采用電流型逆變器時，一對多的IEESP系統(tǒng)輸出信號中高di/dt部分使得集束海纜內(nèi)部不同線組之間存在高頻串?dāng)_風(fēng)險。金屬屏蔽層的屏蔽效果或也將對高頻串?dāng)_產(chǎn)生影響［17-19］。

本文綜合利用解析計算及有限元分析的方法，在考慮長電纜濾波效果前提下，對VSI變頻驅(qū)動系統(tǒng)中過高頻信號的濾除效果，及CSI變頻驅(qū)動系統(tǒng)中集束海纜金屬屏蔽層對高頻串?dāng)_的防衛(wèi)能力進行研究。

1 高頻信號的分類及影響

IEESP系統(tǒng)中，高頻信號大都由方波信號與供電系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生。無濾波變頻驅(qū)動系統(tǒng)中電纜始端與末端典型波形如圖1所示，圖中包含3種典型高頻信號，依照其所處頻段可將高頻信號分為以下3種：

1）方波本身及其高次諧波；

2）電機入口處的阻尼振蕩波；

3）方波上升沿或下降沿的等效高頻信號。

三類高頻信號頻段分布如表1所示，其中第一類高頻信號為開關(guān)器件（通常為IGBT）的通斷頻率及對應(yīng)的高次諧波，是逆變器輸出諧波的主要來源，其頻段在（2～40）kHz之間，通常可通過變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式進行濾除；第二類高頻信號由阻尼振蕩產(chǎn)生，疊加于方波信號之上，頻率和幅值均高于方波信號，通常會產(chǎn)生不超過方波電壓信號兩倍的過電壓，這類信號即為變頻驅(qū)動系統(tǒng)中最常見的過電壓來源，頻率與輸電線路及負(fù)載參數(shù)有關(guān)，大小通常為方波信號頻率的幾倍至上百倍不等；第三類高頻信號為方波上升沿或者下降沿本身，其等效頻率與上升沿或者下降沿時間有關(guān)，目前大多數(shù)IGBT開關(guān)動作時間從幾微秒到幾百微秒不等，部分IGBT開關(guān)動作時間可達(dá)02μs，根據(jù)式（1）進行等效換算，其上升、下降沿等效頻率超過1MHz。

f=1πtrise（1）

式中：f為換算后的等效頻率；trise為上升沿時間。

在VSI-PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)中，第三類高頻信號，即高dv/dt的方波上升沿被認(rèn)為是包括第二類高頻信號所附帶過電壓在內(nèi)諸多過電壓的產(chǎn)生原因。圖2為在忽略濾波前提下，不同上升沿時間對第二類高頻信號及過電壓的影響。由圖2可知：上升沿時間變化能明顯改變信號的幅值，即第二類高頻信號的幅值與第三類高頻信號的頻率有關(guān)，這也意味著降低VSI系統(tǒng)中第三類信號的頻率、延長上升沿時間能夠顯著降低阻尼振蕩所產(chǎn)生的過電壓。

在CSI-PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)中，不同線組之間感應(yīng)電壓通常與信號源電流頻率有關(guān)，頻率越高感應(yīng)電壓越大，因此CSI-PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)中的高di/dt信號很容易引起高頻串?dāng)_現(xiàn)象。以圖3所示常見九芯集束海纜為例，中間兩個三線組節(jié)距完全相同，無法像其他線組一樣可以通過節(jié)距差帶來的扭轉(zhuǎn)抵消效應(yīng)抑制感應(yīng)電動勢的積累，因此這兩個三線組之間串?dāng)_問題勢必最為突出［20］。

令中間線組中的“1號”線組的A1、B1、C1三相線芯分別流過帶有較高di/dt高頻分量且相位互差120°的調(diào)制信號，信號幅值為100A，上升沿時間03μs（等效頻率約為1MHz），根據(jù)如圖4所示有限元仿真結(jié)果，1號線組中高頻電流將在2號線組中產(chǎn)生超過1kV/km的感應(yīng)電勢。足以對在運行的電潛泵產(chǎn)生干擾，或使未啟動的電潛泵“誤啟動”。若電纜進一步增長，積累起來的感應(yīng)電勢將對電機及電纜的安全造成隱患。因此抑制CSI-PWM變頻器輸出信號中的高di/dt成分，對于防串?dāng)_和防誤啟動具有重要意義。

2 集束海纜的濾波效應(yīng)研究

根據(jù)均勻傳輸線定理獲得如圖5所示均勻傳輸線模型。由圖可知：當(dāng)集束海纜金屬屏蔽層可靠接地時，其自身便可等效看作多個低通濾波器的串接，可以預(yù)見，隨著電纜長度增加，低通濾波效果將逐漸顯著。對于高頻信號而言，電機阻抗通常遠(yuǎn)大于線路阻抗，因此不妨假設(shè)電纜終端為開路，此時始端電壓U0與終端電壓U1關(guān)系公式1所示：

U0=U1chγl（2）

式中，l為電纜長度，γ為電纜的傳輸常數(shù)，由以下方程確定：

γ=（R+jwL）（G+jwL）（3）

式中：R、L、G、C分別為電纜單位長度的電阻、電感、電導(dǎo)和電容。

隨著信號頻率的升高，電纜基本傳輸參數(shù)發(fā)生變化，其中電阻和電感（主要是內(nèi)電感）受趨膚效應(yīng)和影響變化最為明顯。在高頻條件下，電纜交流電阻會隨頻率升高而升高，電感則會隨頻率升高小幅下降［21］。由于在高頻條件下集膚效應(yīng)明顯，部分電荷將集中于半導(dǎo)電屏蔽層，這使得利用傳統(tǒng)解析計算容易產(chǎn)生誤差，因此不妨采用有限元法對高頻條件下集束海纜的交流電阻與電感進行計算。仿真計算模型來源于HYJYFY41-F×36/6×9×3×35+3×12B1型集束海纜。圖6為不同頻率條件下集束海纜截面電流密度分布圖。

不考慮鄰近效應(yīng)（線組間干擾）的情況下，利用有限元計算可得到集束海纜的電感及交流電阻、利用解析法可得電容及絕緣層交流等效電導(dǎo)（取損耗角正切值為00005），各參數(shù)結(jié)算結(jié)果如表2所示。

定義如式（4）所示，不同頻率信號到達(dá)終端時電壓信號衰減百分比為

U0－U1U0×100%（4）

式中：U0為電纜始端電壓；U1為電纜終端電壓。

將表2中計算結(jié)果帶入式（2）～（4），并改變電纜長度，可得如圖7所示不同頻率電壓信號達(dá)到電纜不同長度位置時的衰減百分比。從圖中可以看出：對于10kHz及以上高頻諧波，當(dāng)集束海纜達(dá)到5km時衰減率便超過了67%，達(dá)到10km時濾衰減率超過了90%，超過15km時，衰減率即超過了99%。對于1MHz及以上級別的高頻信號，電纜長度為1km時其濾除效果便接近100%。

由于大多數(shù)集束海纜使用長度均超過1km，因此可以認(rèn)為：即使不依賴于額外濾波器，集束海纜自身便能夠?qū)Φ谌惛哳l信號進行有效過濾，信號中的高dv/dt成分不復(fù)存在，過電壓現(xiàn)象也將得到有效削弱。

3 電磁感應(yīng)及串?dāng)_問題

對于低頻電流信號及存在于CSI-PWM系統(tǒng)中的高di/dt信號引起的串?dāng)_風(fēng)險。不妨建立簡化的HYJYFY41-F×36/6×9×3×35+3×12B1型集束海纜三維有限元模型，計算“1號線組”啟動時，與其同處一個六芯結(jié)構(gòu)內(nèi)的“2號線組”，及鄰近絞合方向相同的3、4號線組中的磁通密度及感應(yīng)電動勢。圖8為仿真所得線芯及屏蔽層內(nèi)磁通密度，圖9為線芯及屏蔽層感應(yīng)電壓。由圖8、9可知，對于60Hz的低頻信號而言，大部分磁場是可以透過金屬屏蔽層作用于與其相鄰的金屬導(dǎo)體的，但卻僅有同處一個六芯結(jié)構(gòu)的“2號線組”能夠有效積累感應(yīng)電壓，形成串?dāng)_風(fēng)險，而其他線組并不能有效積累感應(yīng)電壓，也就不存在串?dāng)_風(fēng)險。

計算不同信號源頻率下2號線組的感應(yīng)電壓，可得如圖10所示感應(yīng)電壓隨頻率變化曲線。由圖10可知：在較低頻段范圍內(nèi)，金屬屏蔽層的屏蔽效果尚未并不顯著，但由于頻率較低的緣故，感應(yīng)電壓幅值也相對較低，60Hz頻率下，2號線組中感應(yīng)電動勢僅為001kV/km，在常見集束海纜敷設(shè)長度范圍內(nèi)并不足以產(chǎn)生誤啟動風(fēng)險或其他安全隱患。當(dāng)頻率超過10kHz后，無金屬屏蔽情況下2號線組中感應(yīng)電壓問題逐漸凸顯，而有金屬屏蔽層的情況下2號線組中感應(yīng)電壓則開始呈現(xiàn)下降趨勢，感應(yīng)電壓的最大值始終低于001kV/km。

圖9 線芯及屏蔽層感應(yīng)電壓

根據(jù)上述結(jié)果可見，當(dāng)采用存在較高di/dt現(xiàn)象的CSI-PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)為一對多的IEESP系統(tǒng)進行供電時，無金屬屏蔽、且存在類似“6芯”結(jié)構(gòu)的集束海纜存在較高的高頻串?dāng)_風(fēng)險，而有金屬屏蔽的集束海纜則不存在這一風(fēng)險；對于信號中的低頻成分，金屬屏蔽層的效果并不明顯，感應(yīng)電壓及串?dāng)_始終存在，但其幅值很低，并不足以產(chǎn)生誤啟動或過電壓風(fēng)險。

4 結(jié) 論

當(dāng)采用VSI-PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)時，應(yīng)用于邊際油田“一對多”IEESP系統(tǒng)中的集束海纜具有良好的高頻濾波能力，電纜長度超過15km時10kHz以上信號濾除效果便超過了99%，而對于1MHz及以上信號電纜長度超過1km便可幾乎全部濾除，即當(dāng)敷設(shè)長度較大時無需添加額外濾波器，集束海纜便能夠?qū)ψ冾l輸電系統(tǒng)中的高頻諧波分量進行有效濾除，抑制過電壓現(xiàn)象的產(chǎn)生。

對于CSI-PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)，盡管金屬屏蔽層對于低頻信號串音干擾抑制效果不甚明顯，但低頻信號自身在其他線組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢很低，并不足以對系統(tǒng)運行產(chǎn)生安全隱患。面對驅(qū)動系統(tǒng)中等效頻率很高的高di/dt信號，金屬屏蔽層卻能有效對其產(chǎn)生的干擾進行抑制，降低高頻串音干擾發(fā)生的風(fēng)險。

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（編輯：溫澤宇）

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃（2021YFC2800800）.

作者簡介：王海濤（1989—），男，碩士，工程師；

閆志雨（1986—），男，博士.

通信作者：邵啟兵（1993—），男，博士，E-mail：2010300016@stu.edu.cn.