勝利海上平臺諧波分析與治理措施

　中國石化勝利油田分公司海洋采油廠

勝利海上平臺諧波分析與治理措施

李勇中國石化勝利油田分公司海洋采油廠

海上油田在開發過程中，外輸泵、電潛泵等應用非線性阻抗特性的電氣設備在調控生產、節約電能的同時產生了大量的諧波，影響了電氣設備的壽命和自控系統的可靠性。為了掌握海上平臺電網諧波的實際情況，以勝利埕島油田CB22F平臺為研究對象，測量該平臺的電能質量。經過安裝有源濾波器后，三相電流中5、7、11等高次諧波含量大大降低。以A相電流為例，總諧波電流有效值由69.5A下降到1.91A，補償率達到97%以上。測量結果表明，治理措施實施后各次諧波含量降低，有效改善了平臺的電能質量。

海上平臺；變頻；諧波治理；電能質量；電路

在理想的情況下，優質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓，但在實際供電過程中電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產生諧波。在供電系統中，產生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備（又稱為非線性負荷）供電的結果，例如，海上平臺注水泵、外輸泵、電潛泵等越來越多設備使用了變頻器[1]。

變頻器在調控生產、節約電能的同時產生了大量的諧波，給海上電網及變配電設備帶來極大的危害和隱患。通過對電網諧波的危害情況進行研究，發現目前海上油田電網諧波主要由油井變頻器產生而且比較嚴重，對用電設備也產生了影響，必須及時采取措施進行治理，以確保電網用電設備的安全可靠[2]。對海上油田已投入使用的變頻器諧波進行治理，可以凈化電網，給海上用電設備提供安全的電源，提高電氣設備的使用效率，也給海上變頻器等用電設備的合理應用提供了有效的指導[3]。

1　電網諧波危害分析

海上電網諧波的危害主要體現在對繼電保護和自動裝置、測量和計量儀器、通信系統以及用電設備危害四個方面。

1.1對繼電保護和自動裝置的危害

諧波對電力系統中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響嚴重，這是由于這些按負序量整定的保護裝置整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾則會引起發電機負序電流保護誤動，變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器裝置等發生誤動，威脅電力系統的安全運行。

1.2對測量和計量儀器的危害

由于電力計量裝置都是按頻率為50Hz標準的正弦波設計，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄該用戶吸收的基波電能并扣除小部分諧波電能，造成諧波源雖然污染了電網，反而減少了電費；與此同時，在線性負荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變差，而且增加了電費。

1.3對通信系統的危害

電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。另外高壓直流（HVDC）換流站換相過程中產生的電磁噪聲（3～10kHz）會干擾電力載波通信的正常工作，影響電網運行的安全。

1.4對用電設備的危害

諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，使計算機及數據處理系統出現錯誤。對于帶有啟動用的鎮流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈，會形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使觸發控制回路工作不穩定，觸發不對稱，產生非特征次數諧波。

2　電能質量測試分析

為了掌握海上平臺電網諧波的實際情況，以勝利埕島油田CB22F平臺為研究對象，測量該平臺的電能質量。該平臺負載分別分為軟啟動器+電機以及變頻器+電機兩種配置，測試主要采集AC1260V電壓等級負荷運行情況下的電能質量數據，測量測試儀器為美國Fluke435三相電能質量分析儀。

2.1變頻器負載測量

該測量點的變壓器為6kV/1.26V，其中主要負載是電壓等級為AC1260V油井變頻器。負載環境共有7臺62kW變頻器和5臺78kW變頻器，實際工作中只開啟了6臺。圖1、圖2是實測電能質量數據。

圖1　電流波形

圖2　電流諧波柱狀圖

由實測數據可知，電流波形完全走樣，電流畸變明顯。通過負載環境可以判斷主要的諧波源是變頻器，總的諧波含量為33%左右，而此時的電流為73A左右，對應的5、7、11次諧波數據分別為30.1%（21A）、10%（7A）、5.4%（3.7A）。由于變頻器的大量使用，導致諧波含量較大，需要對諧波進行治理。

2.2軟啟動器負載測量

該測量點的變壓器為6kV/1.26V，其中主要負載是電壓等級為AC1260V油井軟啟動器。該負載環境一共有9臺62kW軟啟動器，實際工作中只開啟了7臺。由實測數據可知，電流波形處于正弦狀態，但相位有少量偏移，電流諧波柱狀圖中諧波含量較少，不需要對諧波進行治理。

3　諧波治理方案

根據海上平臺現場測量情況分析，諧波主要由油井變頻器產生，結合國內外諧波治理技術，應用就地補償有源濾波器作為諧波治理方案[4]。目前國內外均無1.26kV電壓等級的有源濾波器，需要對有源濾波器結構和電路進行設計。1.26kV有源濾波器主要由輸入開關及軟啟動電路、輸入保護電路、LCL濾波電路和功率單元電路四部分組成。

3.1輸入開關及軟啟動電路

輸入開關及軟啟動電路主要由進線隔離開關、接觸器及軟啟部分電路組成。設備在正常啟動時，先通過軟啟電路給設備充電，沖到設備的設定電壓值后主接觸器閉合，軟啟動電路會大大降低設備啟動時的電流沖擊。進線隔離開關用于在設備檢修期間設備與系統之間的電氣隔離。

3.2輸入保護電路

輸入保護電路主要由熔斷器與避雷器組成。避雷器主要是在供電系統發生雷擊浪涌時，吸收瞬時功率，保護設備安全。熔斷器有很強的分斷能力，在設備出現大的短路電流時，熔斷器可以瞬間分斷短路電流，使設備隔離開。

3.3LCL濾波電路

LCL濾波電路主要由濾波電抗器、濾波電容器與濾波電阻器組成。LCL濾波裝置可濾除網側高次諧波，將高質量電能穩定地回饋給電網，對電流高次諧波濾除效果明顯，能夠顯著地提高并網電流質量。其中濾波電抗器充分利用MP系列磁粉芯固有的分布式氣隙電磁特性和可按需求調整電磁性能的特點，可使高頻電流通過的特殊導線線圈完全封閉在罐體內部，罐體既是封閉的磁路也是產品的結構部件，產品僅需一個非導磁螺栓即可完成安裝。

3.4功率單元電路

功率單元電路主要由半導體器件IGBT、儲能電容、散熱器及單元驅動電路板構成，主要執行由主控通過光纖發過來的工作指令。

如表1所示，經過安裝有源濾波器后，三相電流中5、7、11等高次諧波含量大大降低。以A相電流為例，總諧波電流有效值由69.5A下降到了1.91A，補償率達到97%以上。

表1　總諧波電流補償效果

4　結語

針對整流器、高頻開關電源、變頻器、大型UPS、焊機等大容量工業非線性負載，應用了以有源濾波器為主的諧波抑制裝置。經過現場電能質量測量證明，海上平臺油井變頻諧波污染得到了凈化和消除，生產設備的諧波危害得到了充分治理與防護，大大降低了諧波引起的變頻設備、線纜、變壓器等輸配電負載設備的損耗，保證勝利海上平臺電網安全、高效運行。

[1]李梅．潛油電泵中壓變頻調速驅動技術研究[J]．油氣田地面工程，2013，32（2）：31-32.

[2]李陽松．海上平臺諧波治理與無功補償[J]．科技與企業，2013 （10）：333.

[3]樊春林．高壓無功補償技術在杏南配電網的應用[J]．油氣田地面工程，2011，30（9）：67-68.

[4]曹靖，王洪起．海上平臺電能質量改善[J]．石化電氣，2011 （11）：46-48．

（0546）8588686、liyong906.slyt@sinopec.com。

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.021

李勇：高級工程師，從事海上油氣田采油工程技術研究工作。

2015-02-16