(中海油研究總院， 北京 100028)

0 引 言

在海上油氣開(kāi)發(fā)設(shè)施中，規(guī)模較小的井口平臺(tái)往往不設(shè)主發(fā)電機(jī)組，其主電源一般通過(guò)交流海底電纜引自距離相對(duì)較近的中心平臺(tái)或浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(Floating Production, Storage and Offloading， FPSO)。近幾年來(lái)，隨著海上油氣田規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力需求逐漸增長(zhǎng)，越來(lái)越多的海洋油氣開(kāi)發(fā)工程設(shè)施通過(guò)海底電纜進(jìn)行供電及電力組網(wǎng)，因此海上油田輸電系統(tǒng)中海底電纜的重要性日益凸顯。

海底電纜的設(shè)計(jì)和選型是海上油氣田開(kāi)發(fā)工程電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作之一[1]。交流海底電纜特別是深水動(dòng)態(tài)海底電纜，要滿(mǎn)足海洋環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和疲勞壽命，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。交流海底電纜具有較復(fù)雜的電氣特性，如：分布電容較大，對(duì)地電容電流較大，會(huì)產(chǎn)生較大的無(wú)功充電功率，可能導(dǎo)致輕載時(shí)電纜末端電壓抬升。在通過(guò)交流海底電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，海纜由于這些特殊性，會(huì)帶來(lái)無(wú)功充電功率大，輸電容量受限，須進(jìn)行一定的無(wú)功補(bǔ)償，長(zhǎng)距離交流海底電纜投切過(guò)程中還會(huì)面臨過(guò)電壓等問(wèn)題[2-5]。圖1為海底電纜截面示例。

圖1 海底電纜截面示例

本文針對(duì)交流海底電纜的特點(diǎn)，以某海上油氣田基于交流海底電纜的輸電系統(tǒng)為例，對(duì)基于交流海底電纜的海上平臺(tái)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討，為海上油氣田交流海底電纜輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。該油氣田井口平臺(tái)A不設(shè)主發(fā)電機(jī)組，由距離其約40 km的FPSO通過(guò)交流海底電纜為其供電，用電負(fù)荷為13 MW。

1 海底電纜輸電損耗分析

1.1 海底電纜模型

海纜線(xiàn)路的電阻、電感、電容等電氣參數(shù)都是沿線(xiàn)路均勻分布的，所以嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，輸電線(xiàn)路的等值電路應(yīng)是均勻的分布參數(shù)等值電路。為簡(jiǎn)化分析，一般采用集中等效電路模型，如圖2所示。

圖2 海底電纜集中等效電路模型

海底電纜線(xiàn)路的阻抗為

(1)

式(1)中：R為線(xiàn)路電阻參數(shù)；L為線(xiàn)路電感參數(shù)；C為線(xiàn)路電容參數(shù)；ω為系統(tǒng)角頻率。

如為井口平臺(tái)A供電的海底電纜，根據(jù)用電負(fù)荷和供電距離，初步判斷應(yīng)選用35 kV及以上的海底電纜。負(fù)載功率因數(shù)為0.85，則負(fù)載電流為252.3 A，根據(jù)海底電纜供貨商提供的載流量參數(shù)，應(yīng)選用導(dǎo)體截面為95 mm2及以上的三芯海底電纜。表1為根據(jù)海纜廠(chǎng)家提供參數(shù)，估算35 kV海底電纜的相關(guān)阻抗參數(shù)(阻抗參數(shù)距離按40 km計(jì)算)。

由表1可以看出：一般對(duì)于海底電纜，可以忽略線(xiàn)路電感的影響，呈現(xiàn)較大的電容特性。

表1 海底電纜阻抗參數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

1.2 電壓損失分析

根據(jù)上述海纜線(xiàn)路集中參數(shù)模型，得到輸電線(xiàn)路負(fù)載運(yùn)行時(shí)電壓電流的向量圖如圖3所示。

圖3 線(xiàn)路向量圖

在一般情況下，海底電纜首末端電壓之間的相角差δ很小，可以近似認(rèn)為海纜的電壓損失等于電壓降落的縱分量AD。根據(jù)向量圖幾何關(guān)系，可得海底電纜電壓損失為

(2)

(3)

式(2)和(3)中：I為線(xiàn)路電流；X為線(xiàn)路電抗；φ為相角；l為線(xiàn)路長(zhǎng)度；P為有功功率；Q為無(wú)功功率；U為系統(tǒng)電壓；P、Q、U均為同一端的值。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以利用負(fù)載電流或負(fù)載的有功無(wú)功進(jìn)行電壓損失計(jì)算。針對(duì)本文研究的案例進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同截面海底電纜電壓損失計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(International Electrotechnical Commission, IEC)和其他一些國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求：電力輸電線(xiàn)路的電壓降不能超過(guò)額定電壓的6%，大于6%就應(yīng)該增加電纜截面，或者提高海底電纜輸電線(xiàn)路的電壓等級(jí)[1]。根據(jù)電壓降計(jì)算結(jié)果，在不提高電壓等級(jí)的情況下應(yīng)選用導(dǎo)體截面為400 mm2的海底電纜。在實(shí)際工程中，考慮電源側(cè)及負(fù)荷側(cè)均可采用有載調(diào)壓變壓器，如果負(fù)荷側(cè)沒(méi)有35 kV用電設(shè)備，則可以根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)濟(jì)性要求，選擇更小截面導(dǎo)體的海纜，通過(guò)有載調(diào)壓變壓器適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)整作用，滿(mǎn)足末端用電設(shè)備的供電電能質(zhì)量。

1.3 功率損耗分析

當(dāng)輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在海底電纜內(nèi)會(huì)產(chǎn)生有功功率損耗和無(wú)功功率損耗。有功損耗與海纜輸電線(xiàn)路的電阻參數(shù)和輸電功率、負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)。海底電纜的有功損耗為

(4)

式(4)中：P2為負(fù)載端有功功率；Q2為負(fù)載端無(wú)功功率；U2為負(fù)載端電壓；U1為線(xiàn)路首端電壓；l為電纜長(zhǎng)度。

海底電纜的無(wú)功損耗由2部分組成，一部分是由線(xiàn)路阻抗產(chǎn)生的無(wú)功損耗，另一部分是由于海纜呈現(xiàn)的電容特性，即發(fā)出的無(wú)功，是負(fù)的無(wú)功損耗。在已知海底電纜電感、電容參數(shù)時(shí)海底電纜無(wú)功損耗，的計(jì)算公式為

線(xiàn)路電抗產(chǎn)生的無(wú)功損耗為

(5)

線(xiàn)路電容發(fā)出的無(wú)功功率為

ΔQ=U2×ωC×l

(6)

圖4 40 km不同導(dǎo)體截面35 kV海纜有功損耗與無(wú)功功率

圖5 不同距離35 kV、400 mm2海纜末端電壓抬升比例

由于海纜呈現(xiàn)電容特性，所以無(wú)功損耗總體上為容性無(wú)功。針對(duì)本文研究的案例進(jìn)行計(jì)算分析，不同導(dǎo)體截面的35 kV海底電纜有功損耗和充電功率如圖4所示。

由圖4可以看出：同等的輸電距離和用電負(fù)荷，導(dǎo)體截面越大，有功損耗越低，海底電纜發(fā)出的容性無(wú)功功率越大。

2 空載末端電壓抬升

當(dāng)海底電纜線(xiàn)路末端空載時(shí)，由于阻抗呈現(xiàn)電容效應(yīng)，不僅使線(xiàn)路末端電壓高于首端，而且使線(xiàn)路首、末端電壓高于電源電動(dòng)勢(shì)。空載長(zhǎng)線(xiàn)路的電容效應(yīng)引起工頻電壓升高，當(dāng)接近或超過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行最高電壓時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致海纜壽命降低，對(duì)絕緣產(chǎn)生不利影響。輸電系統(tǒng)的變配電設(shè)備及二次保護(hù)還可能因高壓竄入造成保護(hù)失靈和設(shè)備損壞，甚至造成電網(wǎng)或設(shè)備的重大事故。

根據(jù)圖2的集中參數(shù)模型，可得

(7)

以35 kV、400 mm2的海底電纜為例，其末端電壓與距離的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可以看出：當(dāng)海底電纜長(zhǎng)度超過(guò)70 km時(shí)，空載線(xiàn)路末端電壓抬升明顯增加。目前，國(guó)內(nèi)海上油田工程設(shè)施之間的海底電纜尚未超過(guò)70 km，此類(lèi)問(wèn)題尚未凸顯。但隨著未來(lái)遠(yuǎn)距離供電需求的增多，必須關(guān)注末端電壓抬升問(wèn)題。

3 海底電纜輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償

從1.3節(jié)的分析可以看出：海纜輸電線(xiàn)路本身呈現(xiàn)容性的特點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)電纜本身以發(fā)出無(wú)功為主。遠(yuǎn)距離交流海纜輸電系統(tǒng)中，在負(fù)載功率因數(shù)較高或輕載情況下，海纜電容的充電電流將降低芯線(xiàn)的輸電能力，同時(shí)過(guò)大的充電功率也將造成無(wú)功倒送和電纜末端電壓升高。對(duì)電源端的影響則是容易導(dǎo)致功率因數(shù)超前，引起電源端海上平臺(tái)發(fā)電機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行，威脅海上油氣田電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

由于海上油田開(kāi)發(fā)工程設(shè)施的特殊性，海底電纜無(wú)法實(shí)現(xiàn)沿線(xiàn)補(bǔ)償，只能在線(xiàn)路兩端進(jìn)行集中補(bǔ)償。一般采取在兩端設(shè)置電抗器補(bǔ)償海纜的容性無(wú)功，以保證海纜的無(wú)功平衡，盡量減少通過(guò)線(xiàn)路傳輸?shù)臒o(wú)功功率[6]。

在長(zhǎng)距離海纜輸電系統(tǒng)中，由于海纜的壓降較大，為保證用電端在負(fù)荷較高時(shí)的供電電壓水平，還會(huì)在用電端設(shè)置電容補(bǔ)償，以提高用電端的電壓水平。為滿(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，一般采用分組投切的電容器和電抗器，在滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性條件下，可選擇采用SVC(Static Var Compensator)或SVG(Static Var Generator)。電抗器的補(bǔ)償容量的范圍[7]一般為

QH-Qdmax≤QX≤QH

(8)

式(8)中：QX為補(bǔ)償電抗器容量；QH為海底電纜線(xiàn)路發(fā)出的無(wú)功功率(即海纜容性無(wú)功絕對(duì)值減去感性無(wú)功絕對(duì)值)；Qdmax為負(fù)載最大無(wú)功功率。

對(duì)于本文研究的案例，針對(duì)40 km、35 kV、400 mm2的海底電纜，其電抗器的最大容量約為2.5 MV。對(duì)于負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端感性無(wú)功功率較大時(shí)，可以逐步切除補(bǔ)償電抗器。在空載合閘及運(yùn)行期間，應(yīng)投入全部電抗器，以補(bǔ)償海底電纜的無(wú)功充電功率。

對(duì)于末端為提高負(fù)載運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)電壓而設(shè)置的補(bǔ)償電容容量，根據(jù)式(3)推導(dǎo)，可得

(9)

式(9)中：QC為補(bǔ)償電容容量；Qd為負(fù)載無(wú)功功率。

對(duì)于本文研究的案例，海纜線(xiàn)路不同電壓損失要求的無(wú)功補(bǔ)償容量見(jiàn)表3。

圖6 線(xiàn)路電壓損失要求為3%時(shí)不同負(fù)荷率的補(bǔ)償容量

表3 不同電壓損失要求所需的補(bǔ)償容量

假如線(xiàn)路電壓損失要求為3%，針對(duì)40 km、35 kV、400 mm2海底電纜，用電端負(fù)荷率與無(wú)功補(bǔ)償容量關(guān)系如圖6所示。

由圖6可以看出：當(dāng)線(xiàn)路電壓損失要求為3%時(shí)，用電負(fù)荷率超過(guò)50%即須進(jìn)行電容無(wú)功補(bǔ)償，且不同負(fù)荷率下補(bǔ)償容量差別較大，需要根據(jù)負(fù)載的變化進(jìn)行補(bǔ)償電容的分組投切或動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

4 海底電纜輸電系統(tǒng)的接地

根據(jù)最新頒布的國(guó)標(biāo)GB 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》， 6～35 kV主要由電纜線(xiàn)路構(gòu)成的配電系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用中性點(diǎn)低電阻接地的方式[8]。海纜輸電線(xiàn)路單相接地故障電容電流可用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

IC=0.1Ue×l

(10)

式(10)中：IC為單相接地故障電容電流；Ue為線(xiàn)路額定電壓。

在已知海纜電容參數(shù)時(shí)，海纜輸電線(xiàn)路單相接地故障電容電流為

(11)

2個(gè)公式計(jì)算得到的35 kV、不同截面海纜(40 km)、單相接地故障電流的結(jié)果與相同截面、不同長(zhǎng)度海纜的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 不同導(dǎo)體截面40 km海纜單相接地故障電流 A

表5為35 kV、400 mm2海底電纜不同距離單相接地故障電流。

表5 35 kV、400 mm2海底電纜不同距離單相接地故障電流 A

由表5可以看出：由于不同截面海纜的電容參數(shù)不同，式(10)估算的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，而且一般海纜廠(chǎng)家都能夠提供電容參數(shù)，因此在設(shè)計(jì)中推薦使用式(11)進(jìn)行計(jì)算。

不同截面和電壓等級(jí)的海纜，單相接地故障電容電流達(dá)到10 A的臨界距離(即不能采用中性點(diǎn)不接地方式的臨界距離)見(jiàn)表6。

表6 不同截面和電壓等效海纜單相接地故障電容電流達(dá)到10 A的臨界距離 km

由表6可以看出：由于海纜輸電系統(tǒng)距離一般較長(zhǎng)，單相接地故障電容電流往往大于10 A，因此采用中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)極少，一般在與海纜連接的變壓器高壓側(cè)通過(guò)中性點(diǎn)經(jīng)電阻或消弧線(xiàn)圈接地。

當(dāng)采用消弧線(xiàn)圈接地，發(fā)生單相短路故障時(shí)，流過(guò)接地點(diǎn)的電流較小，可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，可以減少

停電事故，但不便于故障的查找，也難以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的選擇性。由于這種電力網(wǎng)的最大長(zhǎng)期工作電壓和過(guò)電壓水平均較高，系統(tǒng)設(shè)備的絕緣等級(jí)宜按照中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的絕緣水平設(shè)計(jì)，因而絕緣成本較高。消弧線(xiàn)圈的容量與電網(wǎng)阻抗參數(shù)密切相關(guān)，因此擴(kuò)展性一般。

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方式，單相接地故障時(shí)，較大的接地電流使保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷電源。這種接地方式常用于電容電流較大的系統(tǒng)，對(duì)改造原有保護(hù)裝置的費(fèi)用較小，周期較短，擴(kuò)展性好。發(fā)生單相接地故障時(shí)，須切除故障，造成供電中斷。

國(guó)內(nèi)海上油田開(kāi)發(fā)工程中，消弧線(xiàn)圈接地和電阻接地2種方式均有。近幾年有不少老油田改造、調(diào)整，以及新油田的區(qū)域分步開(kāi)發(fā)，對(duì)海上電網(wǎng)的可擴(kuò)展性要求越來(lái)越高，因此越來(lái)越多的海底電纜輸電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式。

5 結(jié) 論

(1) 對(duì)于海底電纜輸電系統(tǒng)，一般可以忽略線(xiàn)路電感的影響，呈現(xiàn)較大的電容特性；導(dǎo)體截面越大，輸電距離越長(zhǎng)，其容性特征越突出。

(2) 對(duì)35 kV海底電纜輸電系統(tǒng)，一般距離不超過(guò)70 km，空載末端電壓抬升問(wèn)題不突出。

(3) 根據(jù)海上遠(yuǎn)距離輸電的無(wú)功特點(diǎn)，一般在線(xiàn)路兩端設(shè)置分組投切電抗器或電容器的無(wú)功補(bǔ)償方式。對(duì)本文所分析的案例，當(dāng)線(xiàn)路電壓損失要求為3%時(shí)，用電負(fù)荷超過(guò)預(yù)期負(fù)荷50%時(shí)即須進(jìn)行電容無(wú)功補(bǔ)償。

(4) 對(duì)于海上油氣田35 kV海底電纜輸電系統(tǒng)，從易于擴(kuò)展、調(diào)整和區(qū)域分布開(kāi)發(fā)角度，建議選用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式。

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[8] 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范:GB/T 50064—2014 [S]. 2014.