LNG接收站電能質量分析及治理措施探討

中海浙江寧波液化天然氣有限公司 徐菲菲 張 雷

液化天然氣（LNG）接收站如果接收站突然中斷供電時會引起連續性生產過程混亂，需長時間恢復，并可能引起火災、爆炸、人身傷亡及設備損壞等重大事故或較大經濟損失。根據GB-50052《供配電系統設計規范》規定，石化企業通常由雙重電源供電，且要求供電系統應連續和穩定運行。目前LNG 接收站的供電電源一般都采用110kV 等級電源，雙回路架空線供電。站內的電源供電方式都采用單母分段的接線方式，用母聯備自投的方式進行電源切換。在外部電源盡失的情況下，啟動事故發電機并斷開正常母線段的進線開關，由事故發電機組向廠區內的特別重要負荷提供應急電源。

1 電能質量相關

電能質量指標。由于LNG 接收站設計按8760h/年連續運行考慮，設備基本無檢修窗口期，所以優質的電能質量也對設備的可靠性和穩定性提供了基本保證。依據我國現已出臺的電能質量評估指標國家標準，對電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波畸變、三相不平衡、頻率偏差以及暫態過電壓和瞬態過電壓的水平分別作出了相關規定，把電能質量各個單項指標劃為五個等級，1～3級為電能合格，4、5級為電能不合格。

電能質量擾動源分析。接收站內的主要工藝設備有高低壓泵、壓縮機、海水泵、鼓風機、變頻器等。變頻器作為非線性負載，使用中會產生諧波。諧波可能引發諧振現象，導致部分敏感設備因過電流或過電壓而損壞。同時也增大了繼電保護等安全裝置的誤動作機率，或使設備因長時間過熱運行縮短使用壽命。另外LNG 接收站使用的大功率高壓電機的啟動過程會對電網電壓造成波動。電壓波動主要會影響熒光燈，當電壓在較大范圍內持續波動時有閃爍感。也會對其他異步電動機的電流造成影響，出現過負荷或轉速不穩現象，影響壽命。對電子計算機、監控和控制設備也會造成影響。

表1 110kV 電能質量監測數據表

2 電能質量分析

由于采用高壓變頻器等生產裝置會產生諧波，接收站設計時在廠用變內增加了無功功率補償裝置。電氣主接線方式為單母線分段，每段補償電容3600kVar，分四步投（300+600+900+1800），四組電抗器CKSC-18/6-6%，CKSC-36/6-6%，CKSC-54/6-6%，CKSC-108/6-6%。根據2018年12月的電能質量監測數據（表1）發現電壓總畸變率、各奇數次諧波電壓畸變率、各偶數次諧波電壓畸變率、諧波電流等均未超過國標標準的限制值，對照電能質量評估指標表，可劃分到電能質量等級1級，可以說110kV 等級的電能質量優質。

針對380V 電壓等級進行電能質量檢測，采用FLUCK 435系列電能質量分析儀進行測試。如圖1所示，可看出電壓照明類負荷諧波測試記錄，在晚間6點至早上7點間，有3、5、7次諧波，此諧波為大量LED 等非線性負載導致。圖2是照明類負荷不平衡測試記錄，與諧波增大的時間段一致，有諧波時不平衡電流也增大。

除諧波外，針對大功率高壓電機的啟動過程會對電網電壓造成波動的情況進行電能質量的監測。根據國標GB/T 12326-2008《電能質量-電壓波動和閃變》中對波動負荷產生的電力系統公共連接點的電壓變動限值進行了規定。高壓電機在啟動過程中無功沖擊負荷會造成電網電壓波動，110kV 電壓等級下，變動頻率10＜r ≤100單個用戶引起的系統公共連接點電壓波動不得超過1.5%[2]。實際情況是如果有兩臺大功率電機同時啟動，電壓波動會超過限制。所以生產裝置啟停安排就顯得尤為重要，合理安排啟動順序，避免兩臺同時啟動的工況。

圖1 LNG 接收站內380V 系統電能質量分析測試數據圖

圖2 照明類負荷不平衡測試數據圖

上述都是電力系統正常運行情況下的電能質量監測情況，但由于LNG 接收站來自同一個變電所的同塔雙回路架空線供電，可記錄的事件仍有雷擊和晃電的情況出現，會造成短時的電壓暫降。電壓暫降主要是由于自然原因和外網故障，雖然出現的次數很少，但是往往影響的設備面大，對生產裝置會造成大面積停車，不論是設備的可靠性和恢復生產的經濟損失都往往較大。

例如2016年12月4日6點24分進線厚液1847線電流異常，電壓降為0，持續時間1.1s。事后故障排除發現當時厚液1847外線線路C 相接地故障，上級變接地距離一段保護動作，動作后自動重合閘重新合閘，厚液1847線1.1s 后重新恢復供電。故障原因是厚液1847架空線受雷擊影響。之后12月7日雷擊天氣，進線厚中1845線在13點56分和14點28分也出現兩次晃電事件，影響到了負載交流UPS 和變頻器運行，出現熔絲燒毀和斷路器分閘保護動作。

3 電能治理措施

首先電能質量分析需掌握供電網絡運行狀態，對電能質量開展實時監測，在詳細分析電能質量數據的基礎上，通過相關軟件計算與分析排除虛假的諧波干擾，開展合理的設計和改造，除設計和投運前需進行諧波源負荷及電能質量要求等方面的技術咨詢，運營階段也要結合運行負荷的特點開展濾波裝置或無功補償裝置的調試和現場測試，了解效果并總結經驗教訓[3]。目前LNG 接收站除電力監控系統外，一般還安裝電能能源管理系統，對電能質量進行實時監控，主要是當各指標超限時發出報警提示，更好的掌握電能質量數據，為電能質量分析打好了基礎。

第二，LNG 接收站一般都采用單母線分段的接線形式、母聯備自投的方式進行電源切換。但備自投動作所需時間較長，即使動作成功電動機也已或接近停止運行，為了在電動機轉速開始下降時就能迅速切換至備用電源，從而保證電動機的連續工作，所以引入安裝了可快速切換和同期捕捉功能的無擾動快速切換裝置，簡稱快切。快切裝置最早應用于發電廠，采用該裝置后可提高切換時間，如失去快速切換機會，則裝置自動轉為同期判別或是殘壓判別的慢速切換，提高故障時切換的成功率，保障運行設備的安全。經過實踐，出現上述110kV 系統晃電的情況下快切裝置可快速切換到備用電源，電動機由于機械慣性保持轉動，切換動作時間短，不影響電機的連續運行。

第三，除快切裝置，LNG 接收站由于全年8760小時連續性生產的要求，還設置有110kV 系統同期裝置。在生產運行過程中，因電源故障或上級變電站檢修等情況，往往需要進行倒閘操作。首先由生產人員確認故障或檢修段的設備停機，再有電儀人員對生產設備進行斷電，然后通過母聯開關合閘由另一段電源供電。此過程不僅需要中斷外輸，為了盡快回復生產，還需電儀人員進行大量的倒閘操作及停送電工作。增加同期裝置后，在需檢修倒閘操作時可直接“合環”操作，不需工藝進行任何作業，無需中斷外輸，操作簡易。也是提高供電可靠性和高質量的一項重要舉措。

第四，LNG 接收站內的高壓變頻器，即使在安裝有快切裝置的情況下，但在電能質量合格的情況下變頻器室敏感負載仍出現變頻器停運的情況。在實際運行的情況經驗總結下，在變頻器的控制電源前端增加30kVA 交流UPS 裝置，在二次控制回路中增加了抗“晃電”功能，保證變頻器的連續運行。

此外常規的設置無功補償裝置，就地進行無功功率補償。無功補償裝置可改善電能質量、提高功率因素，這是公認最有效的措施。目前中壓6kV 系統和低壓400V系統分別都進行了補償，在總變補償2x3000kVar，使系統功率因數達到供電局要求的數值0.92。

綜上，電能質量治理是一項與時俱進的工作，目前還有零序諧波治理的措施和裝置、低壓系統設置欠電壓再啟動功能的微機綜合保護裝置（MCU）等措施可以進一步研究，持續提供企業穩定生產的能力。