海上采油平臺長線電纜過電壓與諧波防護探索

齊健磊

（中海福陸重工有限公司，廣東 珠海519055）

1 引言

在現代工業的生產發展過程中，為實現電機的高效率運行，人們通常選擇PWM 變頻器作為電機調速設備。變頻器與電機間使用的引接電纜長度根據距離的長短進行劃分，20m之內為近距離；20～100m 為中距離；超過100m 即為遠距離。在使用過程中，電纜長度與漏電現象的產生呈現正相關的關系。在特殊工業生產領域內，不可避免地要使用長線電纜連接變頻器和電機，比如，造紙生產、采礦、石油開采等領域內，因此，長線電纜的研究有助于保障生產連續運行，降低生產成本。

2 諧波危害

電網產生諧波會造成電網污染，導致輸電系統、配電系統、用電系統出現諸多故障，同時增加電能損耗。隨著工業經濟的快速發展，很多非線性設備的投入使用導致大量諧波電流被注入電網，嚴重影響了電能的質量，威脅電網本身安全性能的同時也增加了電能損耗，導致企業很難在短時間內達到預期的發展目標。在實際生活中，諧波能夠影響線路的穩定運行和電網質量，浪費電網容量，而且還會對電力設備造成一定的傷害[1]。諧波還會使變壓器的銅耗增加，如電阻損耗、導體渦流損耗等，變壓器的鐵耗也會增大并存在明顯噪聲，在運行過程中甚至會發出金屬的聲音。在電纜的運行過程中，電纜的電阻、線路的感抗、系統串聯等因素都會產生諧波。

3 海上采油平臺長線電纜計算

3.1 模型分析

以QYEQX6 三芯乙丙橡膠絕緣潛油泵扁形電力電纜為主要的研究對象，其中，電纜參數如表1 所示。

表1 QYEQX6 三芯乙丙橡膠絕緣潛油泵扁形電力電纜結構參數

其中，輸入電壓為1kV，采用PSCAD/EMTDC 建立仿真系統模型，模型建設完成后，根據不同的情況進行仿真分析，針對電機、電纜接頭端電壓、電流等，仿真系統可以根據模型參數的需要而改變。在本次研究過程中，整個潛油電泵系統并沒有安裝濾波裝置，實際調查數據顯示，電纜接頭為燒毀事故的常發地點，因此，可以初步判斷長線電纜與引接電纜之間的特性抗阻存在差別，因此產生過電壓[2]。

3.2 結果分析

分別調整變頻器整流輸入側電壓、驅動電機電壓、電動機電壓之后，計算出相關參數，如表2 所示。

表2 PWM 脈沖過電壓計算涉及參數

基于上述參數，得出結算結果。在長線電纜和引接電纜的接頭處，最大電壓達到3 283V，潛油電機端的最大電壓值為3 585V，逆變器的輸出電壓為1 450V。通過計算得出電纜接頭位置和潛油電機端的過電壓數值，二者之間的過電壓倍數分別為2.26 倍、2.47 倍。

通過計算可知，在電纜接頭位置和潛油電機端，兩者的過電壓位置處存在嚴重的諧波現象，具體參數如表3 所示。

表3 電纜接頭處與潛油電機端的過電壓諧波總畸變率

根據上述分析，得出電纜燒毀的主要原因：該潛油電泵系統在運行的過程中使用量電平變頻器，而且在使用過程中沒有安裝任何濾波裝置，導致變頻器輸出電壓在長線電纜和引接電纜的接頭位置出產生了超過2 倍以上的過電壓，而且計算發現電纜的THD 均高于80%。因此，在實際運行過程中需要采取合理的措施保護電纜絕緣性能，特別是在石油等領域的開采工作中，電纜處于在海底高溫環境中，甚至處于高壓狀態下，高溫、高壓、過電壓、高頻諧波等的長期作用會腐蝕電纜的絕緣性能，導致電纜的絕緣性能逐漸降低。尤其是長線電纜和引接電纜運行的過程中，長期的過電壓和高頻諧波的環境下會導致電纜接頭位置的絕緣性能被快速損耗，很容易發生自爆現象，影響石油生產。

4 海上采油平臺長線電纜過電壓與諧波防護途徑

4.1 變頻器電路結構

用PWM 通用變頻器、電壓源型交-直-交變頻器、二極管不可控三相橋式整流電路，2 個串聯大容量電解電容、逆變器為IGBT 智能功率模塊Intelligent Power Module、全數字控制方式；運用數字信號處理器——TMS320F2407 型微處理器。三相整流橋選擇國產設備，耐壓值為1 200V。直流環節使用4 個電解電容串并聯，當變頻器合閘后電容電流變大，會破壞三相整流橋的二極管，可以在直流環節當中串入限流電阻來保護整流橋。當電容兩端的電壓達到設定值后，閉合繼電器，限流電阻被短路。配置快速熔斷器是為了保護整流器和逆變器，一旦逆變器發生短路故障能夠及時短路，PWM 選擇三菱電機公司的智能功率。

4.2 變頻器調制方法

SPWM 技術能夠將電動機和逆變器作為一個統一的整體，使異步電機的輸入量最大程度接近正弦波值，這樣就可以讓被控電動機獲得恒定的幅值，形成圓形旋轉磁場。在計算過程中，將PWM 逆變器修改成為SVPWM 元件，其他參數保持不變，將其進行對比，得出結論。對比二者的仿真結果，發現采用調制方式能夠明顯降低電纜中高次諧波的輸出量，進而降低過電壓的倍數，相對應提高了變頻器輸出電壓的基波比例。

4.3 濾波裝置

為抑制PWM 變頻器通過長線電纜傳輸電流時產生的高頻電壓，建議選擇使用變頻器端輸出端濾波器。對于設計好的低通濾波器，設定截止頻率、濾波電感、濾波電容、阻尼電容，設計完畢之后得出仿真結果圖，運用在試驗中進行測試。測試結果顯示電壓值明顯減弱，證明濾波器能夠對系統電壓起到抑制作用。

5 結語

本文中分析了長線電纜過電壓產生的主要原因，對其進行了具體分析，并設計了濾波裝置。在實際運用過程中，可以借助仿真和調試手段驗證濾波器抑制過電壓的方案，并且將其運用在實際工程中。