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摘要：為滿足海上老油田的電網擴容需求，基于渤海油田某工程實例，對比分析通過高壓３５ｋＶ系統并網方案與通過中壓６．３ｋＶ系統并網方案的優缺點，最終確定通過中壓６．３ｋＶ系統并網方案費用較低，系統簡單，維護方便。在此基礎上，研究通過中壓６．３ｋＶ系統并網方案面臨的老平臺中壓母排運行電流超限、單相接地電容電流超限、低壓母排短路電流超限和老平臺改造空間受限等問題及其解決方法，實現該方案在海洋石油平臺電網擴容項目中的實際應用。該研究可供我國海洋石油平臺電網擴容項目的開展參考。
關鍵詞：海洋平臺；電網擴容；方案優選；ＥＴＡＰ軟件；應用研究
０引言
合理的供電方案是油田開發的重要用電保障［１］。隨著海上老油田周邊區塊的滾動開發、老油田自身新鉆調整井和大泵提液等一系列開發措施的施行，老油田原有的電網供電能力已不能滿足新增負荷的需求，對老油田進行電網擴容勢在必行［２-５］。在進行電網擴容時，需保證新增電能安全、高效、經濟地接入老油田原有電網［６］。本文以渤海油田某海上平臺小型電網擴容改造工程為例，對通過高壓３５ｋＶ系統并網與通過中壓６．３ｋＶ系統并網的優缺點進行對比分析，確定通過中壓６．３ｋＶ系統并網的方案費用較低，系統簡單，維護方便。此外，詳細研究采用６．３ｋＶ系統并網方案時存在的老平臺中壓母排運行電流超限、單相接地電容電流超限、低壓母排短路電流超限和老平臺改造空間受限等問題及其解決方法，為我國海洋石油平臺電網擴容項目的開展提供參考。渤海某油田計劃新建一座４腿無人井口平臺Ｄ和一座動力平臺Ｅ，擬建動力平臺Ｅ與已建平臺Ｂ棧橋連接，平臺位置示意圖見圖１。在新建動力平臺Ｅ上布置２臺現場出力２８５０ｋＷ的電站，用于彌補新建項目負荷和老平臺負荷缺口，其中：已建平臺Ａ上有２臺現場出力２８５０ｋＷ的電站；已建平臺Ｂ上有１臺現場出力３８５０ｋＷ的電站；已建平臺Ｃ為無人平臺。原電網通過３５ｋＶ海纜組網。
１方案優選
由于擬建動力平臺Ｅ與已建平臺Ｂ是通過棧橋連接的，而已建平臺Ｂ的中壓系統電壓為６．３ｋＶ，高壓系統電壓為３５ｋＶ，因此新增２臺電站與原電網有２種并網方案，分別為通過高壓３５ｋＶ系統并網和通過中壓６．３ｋＶ系統并網。１）通過高壓３５ｋＶ系統并網方案：擬建動力平臺Ｅ上的２臺電站通過２臺４０００ｋＶＡ、３．３ｋＶ／３５ｋＶ的并網變壓器將電壓升至３５ｋＶ，其中一路３５ｋＶ線路通過棧橋連接至Ｂ平臺的３５ｋＶ母排上，與原電網并網，另外通過一路３５ｋＶ線路給擬建平臺Ｄ供電。２）通過中壓６．３ｋＶ系統并網方案：從擬建動力平臺Ｅ的６．３ｋＶ中壓母排開始鋪設一條高壓電纜，通過棧橋連接至已建平臺Ｂ的６．３ｋＶ中壓母排上，與原電網并網。擬建動力平臺Ｅ通過一路６．３ｋＶ線路，經６．３ｋＶ／１０．５ｋＶ隔離變壓器給擬建平臺Ｄ供電。該并網方案示意圖見圖３。由于各擬建平臺內部的配電方案基本一致，因此主要考慮不同并網方案下新增并網設備的數量、重量、尺寸、費用及其對已建平臺Ｂ的影響。３５ｋＶ并網方案與６．３ｋＶ并網方案的主要設備對比見表２。從表２中可看出，６．３ｋＶ并網方案設備簡單，維護方便，費用低，能最大程度地簡化平臺Ｅ的電力系統設計。通過分析可知：１）３５ｋＶ并網方案的主要優點為：已建平臺Ｂ與擬建平臺Ｅ的中低壓系統之間的相互影響較小，具有一定的獨立性；改造方案簡單，僅需改造平臺Ｂ上的一面高壓開關柜；后期校核工作量較小，無需單獨校核平臺Ｂ的電力系統的電容電流、潮流和短路電流等。３５ｋＶ并網方案的主要缺點為：新增設備數量多，重量重，占地面積大，投資高，后期維護工作量大。２）６．３ｋＶ并網方案的主要優點為：系統簡單，擬建平臺Ｅ上無組網變壓器、接地電阻、高壓配電柜和組網變壓器軟啟器等，僅新增１臺６．３ｋＶ／１０．５ｋＶ隔離變壓器，用于給擬建平臺Ｄ供電，電氣設備少，重量輕，電氣間面積小，投資低，后期維護工作量小。６．３ｋＶ并網方案的主要缺點為：平臺Ｂ的中壓母排運行電流超過其額定工作電流；平臺Ｂ的低壓母排短路電流超過其額定短路電流；系統中壓母排電容電流超過４Ａ，從而需改變平臺Ｂ中壓系統的接地方式；平臺Ｂ的電氣房間無空間或備用中壓盤柜用于安置組網設備。
２應用研究
雖然６．３ｋＶ并網方案具有設備簡單、維護方便和費用低等優點，但該方案可能存在運行電流超限、短路電流超限、電容電流超限和改造空間受限等諸多問題，需予以解決。下面通過理論分析和建模計算證明６．３ｋＶ并網方案切實可行，實現該方案的實際應用。
２．１老平臺中壓母排運行電流超限。擬建動力平臺Ｅ與已建平臺Ｂ通過６．３ｋＶ中壓系統并網之后，６．３ｋＶ中壓母排上的發電機由之前的１臺增加為３臺，分別是已建平臺Ｂ上的１臺現場出力為３８５０ｋＷ的發電機和擬建平臺Ｅ上的２臺現場出力為２８５０ｋＷ的發電機。當這３臺發電機全開，且其出力達到最大時，已建平臺Ｂ的６．３ｋＶ中壓母排運行電流可能達到１０９５Ａ，超過了平臺Ｂ的６．３ｋＶ母排的額定電流。表３為并網后６．３ｋＶ母排最大電流。擬建平臺Ｅ的中壓母排額定電流可選１２５０Ａ，而已建平臺Ｂ的中壓母排當前不具備更換條件（若更換，涉及較長時間的停產），需考慮其他方法。通過進一步分析發現，只要平臺Ｅ的用電負荷大于１０００ｋＷ，通過平臺Ｅ的中壓母聯開關傳輸給平臺Ｂ的電流不會超過５４０Ａ，平臺Ｂ的中壓母排運行電流不會超過１０００Ａ。因此，由平臺Ｅ直接給平臺Ｄ供電，２個平臺的最小計算負荷為１６７４ｋＷ，大于１０００ｋＷ，從而保證平臺Ｂ的中壓母排上的最大電流在任何情況下都不超過１０００Ａ。同理，只要平臺Ａ的用電負荷不小于１０００ｋＷ，平臺Ｂ的中壓母排電流也不會超限。從負荷計算書中可發現，平臺Ａ的最小負荷為１８１０ｋＷ，遠大于１０００ｋＷ，也不會出現運行電流超限的問題。通過ＥＴＡＰ軟件進行潮流仿真，可更加直觀地觀察到母排上電流的分配，在平臺Ｄ和平臺Ｅ負荷最小的情況下，通過母聯開關傳輸給平臺Ｂ的電流為３０８Ａ，平臺Ｂ發電機的輸出電流為２３２Ａ，來自平臺Ａ的電流為０．１Ａ，可忽略不計。因此，平臺Ｂ母排上實際運行的電流只有５４０Ａ，遠低于其額定電流１０００Ａ。通過對其他工況進行模擬，都證明通過合理地進行負荷分配，完全能規避平臺Ｂ中壓母排運行電流超限的問題。實際上該油田各區域基本上能做到電量就地平衡，通過母聯開關或海纜傳輸的最大電量為１臺發電機的功率。另外，考慮到發電機實際出力一般不會超過其最大出力的９０％，平臺Ｂ中壓母排的運行電流不會超過１０００Ａ。
２．２低壓母排短路電流超限。并網之后，平臺Ｂ與平臺Ｅ的中壓系統并列運行，平臺Ｂ正常低壓母排和應急低壓母排的短路電流均超過設計值。平臺Ｂ的正常低壓母排和應急低壓母排的額定短路電流均為５０ｋＡ，而采用ＥＴＡＰ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＴｒａｎｓｉｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓＰｒｏｇｒａｍ）仿真時正常低壓母排的最大短路電流為５９ｋＡ，應急低壓母排的短路電流為５５．７ｋＡ，平臺Ｂ低壓母排短路電流仿真示意圖見圖５。進一步查閱平臺Ｂ的低壓母排資料，發現平臺Ｂ正常低壓母排的實際額定短路電流為６５ｋＡ，而應急低壓母排的實際額定短路電流為５０ｋＡ，因此平臺Ｂ正常低壓母排的短路電流滿足要求，僅需解決應急低壓母排短路電流超限的問題。當前有２種解決方案：一是安裝低壓快速限流器，當短路電流超過５０ｋＡ時切斷故障電流；二是安裝限流電抗器，將短路電流限制在５０ｋＡ以內。有關資料顯示，目前國內低壓４００Ｖ快速限流器還處于研發階段，而低壓限流電抗器技術比較成熟。因此，本文選擇在應急低壓母排進線端（即正常低壓母排與應急低壓母排母聯開關處）安裝１套限流電抗器，將應急低壓母排短路電流限制在５０ｋＡ以內。經計算，電抗器基本參數為：ＡＣ４００Ｖ，５０Ｈｚ，２０００Ａ，阻抗０．６％。加裝限流電抗器之后平臺Ｂ應急低壓母排短路電流仿真示意圖見圖６。從圖６中可看出，加裝電抗器Ｘ１之后，平臺Ｂ的應急低壓母排短路電流從５５．７ｋＡ降至４９．６ｋＡ，滿足設計要求，適當增加電抗器阻抗值可進一步降低短路電流。當然，若Ｘ１阻抗取值過大，會影響平臺Ｂ應急低壓母排的正常工作電壓。
２．３中壓母排單相接地電容電流超限。平臺Ｂ與平臺Ｅ并網之后，平臺Ｅ通過一路６．３ｋＶ線路經４ｋｍ的海纜直接給平臺Ｄ供電，此時６．３ｋＶ系統單相接地電容電流達到９．２Ａ。根據ＤＬ／Ｔ６２０—１９９７《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》的要求，當６．３ｋＶ發電機系統的發電機接地故障電流大于４Ａ時，不能采用不接地系統。平臺Ｂ中壓系統原設計采用不接地系統，若不能有效降低中壓母排單相接地電容電流，則需改變平臺Ｂ中壓系統的接地方式，需增加接地電阻，重新設置繼電保護，并增加接地電流互感器，改造工作量較大。進一步分析電容電流的構成發現，６．３ｋＶ海纜線路貢獻的電容電流達到６．２Ａ，中壓設備（包括發電機）貢獻的電容電流只有約３Ａ。因此，增加一臺６．３／１０．５ｋＶ隔離變壓器給平臺Ｄ供電，將平臺Ｂ的中壓母排電容電流降至３Ａ，從而無需改變平臺Ｂ的中壓系統接地方式。
２．４老平臺改造空間受限。當平臺Ｅ與平臺Ｂ通過中壓系統并網時，需在平臺Ｂ主開關間新增或改造一面中壓盤柜，但平臺Ｂ經過多次改造，其電氣間已無多余空間或備用盤柜。由于２個平臺是通過棧橋連接的，因此考慮將部分中壓設備轉接到擬建平臺Ｅ的中壓母排上，從而將空出的開關柜改造為組網盤柜。組網盤柜要求的最小寬度為８００ｍｍ，而平臺Ｂ的中壓盤柜只有４面尺寸為８００ｍｍ的盤柜，分別為發電機的出口斷路器、１臺６３００ｋＶＡ主變進線斷路器和２臺２５００ｋＶＡ主變進線斷路器，其余盤柜均為６００ｍｍ的真空負荷開關。根據３．１節的分析，為減小平臺Ｂ的中壓母排電流，需將負荷盡可能地轉移至擬建的平臺Ｅ上。同時，考慮后期繼保設計和操作維護的便利性，將２臺２５００ｋＶＡ主變進線斷路器轉接到擬建平臺Ｅ上，平臺Ｂ空出的２面盤柜，一面用于組網，一面留作備用柜。
３結語
本文基于渤海某海上油田小型電網擴容改造工程實例，從新增設備數量、尺寸、重量、改造難易度和經濟效益的角度，探討了通過３５ｋＶ系統并網與通過６．３ｋＶ系統并網的優缺點，最終確定通過中壓６．３ｋＶ系統并網的方案費用較低，系統簡單，維護方便。此外，深入論證了６．３ｋＶ并網方案中存在的主要問題及其解決方法。通過中壓６．３ｋＶ系統并網方案在該項目中的應用，做到了電氣方案簡化設計，為工程節省了費用。該項目電網擴容方案的成功實施解決了老油田原有電網能力不足的問題，可供后續類似問題的解決參考。
作者:金秋 戴國華 薄昭 陳建玲 魯凱 單位:中海石油（中國）有限公司天津分公
