黃浩軍，冀泓舟，孟凡磊

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；3.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

0 引言

海上油田一般采用自備的發(fā)電機供電，隨著海上油田技術(shù)的進步，油田開發(fā)的規(guī)模越來越大，以海上平臺為基礎(chǔ)形成的負荷變得日益龐大。此外，部分油田沒有伴生氣或者伴生氣不足，需要采用原油發(fā)電機組，對原油的消耗量巨大，影響油田產(chǎn)出，污染嚴重，且發(fā)電機依賴進口，目前我國不具有自主生產(chǎn)能力[1]。借助岸電技術(shù)通過陸地電網(wǎng)為海上油田供電可很好地解決上述問題。

在秦皇島和曹妃甸油田群岸電應(yīng)用工程中，建立兩個220 kV 開關(guān)站從電網(wǎng)引入220 kV 電源，通過高壓交流海底電纜送至兩個海上動力平臺，并通過110 kV海底電纜互聯(lián)實現(xiàn)電力互供，實現(xiàn)雙路電源[2]。穩(wěn)定性是岸電系統(tǒng)中的核心問題，在交流輸電過程中易發(fā)生三相接地、單相接地、雙相接地問題，但是現(xiàn)有文獻尚未對岸電系統(tǒng)故障的識別問題和預(yù)防措施進行深入研究[3-6]。文獻［7］通過峭度值識別了超高電壓下的單相故障，但是未對其他種類故障的識別方法進行研究。文獻［8］提出海上平臺故障的供電恢復(fù)策略，但是系統(tǒng)建模和分析過程中忽略了線路阻抗的影響。文獻［9］通過沿線電壓分布規(guī)律快速鎖定故障位置，但是所提出的方法無法確定故障類型。文獻［10］通過電壓相位的波動特征，對單相永久性故障進行了研究，但未對海上油田系統(tǒng)進行研究。

為及時識別故障，減小故障發(fā)生率及連帶損失，保證輸電穩(wěn)定性，通過建立秦皇島曹妃甸油田群岸電的電磁暫態(tài)仿真模型，模擬不同位置及不同類型故障，提取故障信息和故障發(fā)生前后的典型特征量，提出油田岸電運行故障識別算法，該算法可用于實際工程系統(tǒng)故障識別，極大提高了供電質(zhì)量和安全性，在節(jié)能減排、周邊油田依托開發(fā)等方面的社會效益顯著，有利于推進碳達峰和碳中和計劃的國家戰(zhàn)略。

1 油田岸電等效模型及特點

根據(jù)渤海海域秦皇島和曹妃甸油田群岸電系統(tǒng)的設(shè)計圖建立油田岸電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 油田岸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用HVAC（High Voltage Alternating Current，高壓交流輸電）技術(shù)，主要有曹妃甸和秦皇島兩個海上平臺。由唐山港和樂亭分別用42.8 km 和26.7 km的海底電纜輸送至曹妃甸和秦皇島海上平臺，曹妃甸和秦皇島海上平臺用62.3 km 的海底電纜相連，曹妃甸海上平臺的負載為120 MW，秦皇島海上平臺的負載為80 MW。

1.1 海底電纜等效模型

線路電壓為110～220 kV 的海底電纜采用中等長度輸電線路。此種線路由于分布電容不可忽略，電暈影響可以不計，即G=0，可得：

由于Π 形等效電路更為常用，這里采用圖2 中的Π 形等效電路。

圖2 交流輸電線等效電路

1.2 交流輸電技術(shù)特點

將HVAC 用于海上油田電力傳輸，由于交流海底電的分布電容遠遠大于架空線，電纜相當(dāng)于一部分輸送能力被電容占用，當(dāng)線路過于長時，電纜上的輸送能力會被電容占據(jù)，造成線路無法輸送電能，導(dǎo)致海上的輸電距離受到限制。交流電纜的電容效應(yīng)會降低線路的輸電效率，電壓等級越高，交流電纜線路越長，充電功率越大，可在線路兩側(cè)裝設(shè)無功補償裝置保證線路功率的正常傳輸。對于海底電纜，線路位于海底，無法在線路中部進行補償，輸電距離受到限制，常用電壓等級電力輸電線路以及輸電距離的大致范圍見表1[11]。

表1 HVAC 電纜電壓等級與輸送容量、輸電距離間的關(guān)系

表1 中所示范圍內(nèi)的交流輸電經(jīng)濟性較高，從表1中可以看出HVAC 一般適用于小規(guī)模輸電例如海島供電和近岸石油平臺供電等[12]。

2 故障特性分析

2.1 系統(tǒng)模型

在PSCAD/EMTDC 中搭建如圖3 所示的油田岸電交流輸電系統(tǒng)。通過針對油田岸電系統(tǒng)，分析不同故障下的系統(tǒng)響應(yīng)特性，搭建HVAC 輸電模型的具體參數(shù)見表2。

表2 秦皇島和曹妃甸油田岸電輸電系統(tǒng)參數(shù)

圖3 油田岸電交流輸電系統(tǒng)模型

2.2 仿真分析

在仿真模型中分析發(fā)生單相接地、雙相接地、三相斷路3 種故障時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

2.2.1 單相接地和兩相接地

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s 在位置I/II/III/IV/V 發(fā)生暫時性單相和兩相接地故障，故障持續(xù)時間均為2 s，系統(tǒng)故障特性如圖4所示。在I/II（III/IV/V）點發(fā)生接地故障時，對V1（V2）產(chǎn)生更大影響，這是由于V1（V2）相對于故障發(fā)生點的距離不同。

圖4 不同位置發(fā)生單相/兩相接地故障時的動態(tài)特性

發(fā)生短路故障時，線路電流增大，流入故障點，在兩個變壓器中間的傳輸線發(fā)生短路時即位置II（III），短路電流I1（I2）增大最明顯，是由于此處距離故障點最近。

2.2.2 三相斷路

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s/30 s 在位置I/II/III/IV/V/VI 發(fā)生暫時性三相斷路故障，故障持續(xù)時間均為2 s，系統(tǒng)故障特性如圖5 所示。

圖5 不同位置發(fā)生三相斷路故障時的動態(tài)特性

在I 處發(fā)生斷路故障時，樂亭開關(guān)站供電中斷，導(dǎo)致V1和V2減小，V1距離故障點更近，電壓跌落更明顯。在II、III、IV、V 處發(fā)生斷路故障時，兩側(cè)開關(guān)站電源連接斷開，分別獨立向負載進行供電。在II 處發(fā)生斷路故障時，I1電流降為零。在III 處發(fā)生斷路故障時，I1電流減小，V1電壓上升，V2電壓下降。在IV 處發(fā)生斷路故障時，I2電流降為零。在V 處發(fā)生斷路故障時，I2電流減小，V1電壓上升，V2電壓上升。在VI 處發(fā)生斷路故障時，樂亭開關(guān)站供電中斷，導(dǎo)致V1和V2減小，V2距離故障點更近，電壓跌落更明顯。

3 故障識別

交流海底電纜發(fā)生故障概率相比架空線路低很多，但是由于交流輸電電纜位于海底，停電檢修和維護難度大，有必要針對交流海底輸電線路進行故障位置及類型的識別。在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究交流海底電纜輸電故障類型及位置的識別方法。

3.1 故障類型判斷

設(shè)置電壓電流的基準值，Iset=1pu，Vset=1pu。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對故障類型做出判斷，如圖6 所示，為之后的故障位置判斷奠定基礎(chǔ)。

圖6 故障類型識別

數(shù)據(jù)輸入后，當(dāng)I1＜10Iset，故障為三相斷路，當(dāng)I1＞10Iset，故障為單相短路或兩相短路，當(dāng)V1＜0.4Vset，故障為單相短路，否則判斷V2＜0.4Vset，如果符合則為單相短路，不符合為兩相短路。

3.2 故障位置判斷

當(dāng)交流輸電發(fā)生故障時，通過圖6 流程進行判斷得到故障類型，根據(jù)不同故障類型通過圖7 進行相應(yīng)的判斷，得出故障位置。

圖7 故障位置識別

發(fā)生單相短路（兩相短路）故障時，當(dāng)V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置為I 或II，當(dāng)I1＜100Iset，故障位置為I，否則故障位置為II。當(dāng)V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置為III、IV 或V，當(dāng)V2＞0.67Vset（V2＞0.2Vset），故障位置為V，否則判斷I2＞100Iset，如果符合為III 處發(fā)生故障，如果不符合為IV 處發(fā)生故障。

發(fā)生三相斷路故障時，當(dāng)I1＜Iset，故障位置為III或II，當(dāng)V1＞1.01Vset，為II 處發(fā)生故障，否則為III 處發(fā)生故障。當(dāng)I1＞Iset，故障位置為I、VI、IV 或V，當(dāng)V1＜0.99Vset，為I 處發(fā)生故障，否則為VI、IV 或V 處發(fā)生故障，當(dāng)V2＜0.99Vset，故障位置為VI，否則判斷I2＜0.2Iset，如果符合為V 處發(fā)生故障，不符合為IV 處發(fā)生故障。

3.3 識別方法

通過故障類型和故障位置的判斷，提出交流海底電纜輸電的故障識別方法如圖8 所示。數(shù)據(jù)輸入后，進行邏輯判斷，判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，再判斷故障類型，最后判斷故障位置并發(fā)出故障類型和位置。

圖8 故障識別

4 結(jié)論與展望

針對秦皇島和曹妃甸油田群岸電案例對交流輸電進行研究，建立交流海底電纜的線路模型并選取交流輸電過程中的故障類型和故障位置。在PSCAD/EMTDC中搭建交流輸電模型，對3 種故障的不同位置進行仿真并選取測量位置進行分析。

根據(jù)交流輸電模型的故障結(jié)果進一步提出來對故障的識別，根據(jù)不同的故障所得的4 個變量測量值，可以有效識別故障發(fā)生的位置和類型，電站工作人員可以根據(jù)故障發(fā)生的位置和類型進行精準搶修，減小故障時間，減少故障所帶來的損失，提高交流輸電的經(jīng)濟效益。