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(fā)過程中，外輸泵、電潛泵等應(yīng)用非線性阻抗特性的電氣設(shè)備在調(diào)控生產(chǎn)、節(jié)約電能的同時產(chǎn)生了大量的諧波，影響了電氣設(shè)備的壽命和自控系統(tǒng)的可靠性。為了掌握海上平臺電網(wǎng)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(zhì)量。經(jīng)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(dá)到97%以上。測量結(jié)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(zhì)量。

海上平臺；變頻；諧波治理；電能質(zhì)量；電路

在理想的情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)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(chǎn)生諧波。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)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(shè)備（又稱為非線性負(fù)荷）供電的結(jié)果，例如，海上平臺注水泵、外輸泵、電潛泵等越來越多設(shè)備使用了變頻器[1]。

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

1　電網(wǎng)諧波危害分析

海上電網(wǎng)諧波的危害主要體現(xiàn)在對繼電保護(hù)和自動裝置、測量和計量儀器、通信系統(tǒng)以及用電設(shè)備危害四個方面。

1.1對繼電保護(hù)和自動裝置的危害

諧波對電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動裝置的影響嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序量整定的保護(hù)裝置整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾則會引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動，變電站主變的復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動，母線差動保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器裝置等發(fā)生誤動，威脅電力系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時，會影響感應(yīng)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(wǎng)，反而減少了電費；與此同時，在線性負(fù)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(fù)荷性能變差，而且增加了電費。

1.3對通信系統(tǒng)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(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)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(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設(shè)備和人員的安全。另外高壓直流（HVDC）換流站換相過程中產(chǎn)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(wǎng)運行的安全。

1.4對用電設(shè)備的危害

諧波會使電視機(jī)、計算機(jī)的圖形畸變，使計算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)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(zhèn)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(fā)控制回路工作不穩(wěn)定，觸發(fā)不對稱，產(chǎn)生非特征次數(shù)諧波。

2　電能質(zhì)量測試分析

為了掌握海上平臺電網(wǎng)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(zhì)量。該平臺負(fù)載分別分為軟啟動器+電機(jī)以及變頻器+電機(jī)兩種配置，測試主要采集AC1260V電壓等級負(fù)荷運行情況下的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，測量測試儀器為美國Fluke435三相電能質(zhì)量分析儀。

2.1變頻器負(fù)載測量

該測量點的變壓器為6kV/1.26V，其中主要負(fù)載是電壓等級為AC1260V油井變頻器。負(fù)載環(huán)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(zhì)量數(shù)據(jù)。

圖1　電流波形

圖2　電流諧波柱狀圖

由實測數(shù)據(jù)可知，電流波形完全走樣，電流畸變明顯。通過負(fù)載環(huán)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(yīng)的5、7、11次諧波數(shù)據(jù)分別為30.1%（21A）、10%（7A）、5.4%（3.7A）。由于變頻器的大量使用，導(dǎo)致諧波含量較大，需要對諧波進(jìn)行治理。

2.2軟啟動器負(fù)載測量

該測量點的變壓器為6kV/1.26V，其中主要負(fù)載是電壓等級為AC1260V油井軟啟動器。該負(fù)載環(huán)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(shù)據(jù)可知，電流波形處于正弦狀態(tài)，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(jìn)行治理。

3　諧波治理方案

根據(jù)海上平臺現(xiàn)場測量情況分析，諧波主要由油井變頻器產(chǎn)生，結(jié)合國內(nèi)外諧波治理技術(shù)，應(yīng)用就地補償有源濾波器作為諧波治理方案[4]。目前國內(nèi)外均無1.26kV電壓等級的有源濾波器，需要對有源濾波器結(jié)構(gòu)和電路進(jìn)行設(shè)計。1.26kV有源濾波器主要由輸入開關(guān)及軟啟動電路、輸入保護(hù)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(guān)及軟啟動電路

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

3.2輸入保護(hù)電路

輸入保護(hù)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(tǒng)發(fā)生雷擊浪涌時，吸收瞬時功率，保護(hù)設(shè)備安全。熔斷器有很強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰Γ谠O(shè)備出現(xiàn)大的短路電流時，熔斷器可以瞬間分?jǐn)喽搪冯娏鳎乖O(shè)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(wǎng)側(cè)高次諧波，將高質(zhì)量電能穩(wěn)定地回饋給電網(wǎng)，對電流高次諧波濾除效果明顯，能夠顯著地提高并網(wǎng)電流質(zhì)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(diào)整電磁性能的特點，可使高頻電流通過的特殊導(dǎo)線線圈完全封閉在罐體內(nèi)部，罐體既是封閉的磁路也是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)部件，產(chǎn)品僅需一個非導(dǎo)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(dǎo)體器件IGBT、儲能電容、散熱器及單元驅(qū)動電路板構(gòu)成，主要執(zhí)行由主控通過光纖發(fā)過來的工作指令。

如表1所示，經(jīng)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(dá)到97%以上。

表1　總諧波電流補償效果

4　結(jié)語

針對整流器、高頻開關(guān)電源、變頻器、大型UPS、焊機(jī)等大容量工業(yè)非線性負(fù)載，應(yīng)用了以有源濾波器為主的諧波抑制裝置。經(jīng)過現(xiàn)場電能質(zhì)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(chǎn)設(shè)備的諧波危害得到了充分治理與防護(hù)，大大降低了諧波引起的變頻設(shè)備、線纜、變壓器等輸配電負(fù)載設(shè)備的損耗，保證勝利海上平臺電網(wǎng)安全、高效運行。

[1]李梅．潛油電泵中壓變頻調(diào)速驅(qū)動技術(shù)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(yè)，2013 （10）：333.

[3]樊春林．高壓無功補償技術(shù)在杏南配電網(wǎng)的應(yīng)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(zhì)量改善[J]．石化電氣，2011 （11）：46-48．

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

（欄目主持關(guān)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(shù)研究工作。

2015-02-16