伊拉克某油田電網增強穩定性的分析和探索

中國海油伊拉克有限公司

油田電網服務主體為天然氣、原油、水處理廠，以及脫氣站、潛油電泵井、注水泵、生活設施等。穩定運行的電網與油田持續生產和經濟效益息息相關。由于地理位置、環境氣候的不同，電網穩定性影響的因素也多有差異。油田多處于人跡稀少的空曠地帶，特別是中東地區多是半沙漠化狀態，高溫、灰塵、大風、雷電、野生動物、飛鳥等是影響電網不穩定的主要因素。因此，在進行油田電網設計時，應考慮地區實際狀態，采取針對性措施以增加電網的可靠性。

1 油田電網現狀

位于中東地區的伊拉克某油田，有33 kV架空電網已服役接近40 年，并且常年沒有維護。鋼芯鋁絞線（ACSR）斷股、陶瓷絕緣子污化和裂化、塔體鋼結構銹蝕嚴重，已經沒有維修價值。中方企業接管油田后，已將所有生產負荷從舊架空電網剝離，但一些偏遠地區的居民用電仍然還需要該電網支持。近年來，油田開始逐步引入潛油電泵（ESP）作為單井生產主體設備，為滿足電力需求，油田新建了132 kV 與33 kV 架空電網。油田33 kV和132 kV架空電網單線如圖1、圖2所示。

圖1 油田北區33 kV架空電網單線Fig.1 Single line for 33 kV overhead power grid at north area of oilfield

圖2 油田南區132 kV架空電網單線Fig.2 Single line for 132 kV overhead power grid at south area of oilfield

2 影響油田電網穩定性的主要因素

黃緒勇等[1]根據3 年的鳥害故障歷史數據、地理特征以及桿塔結構，建立鳥害風險評估層次結構模型并進行了驗證。王永昆等[2]根據2007年以來的數據統計，分析了不同電壓等級下鳥類引起架空線路故障的主要特點，并提出了鳥害分布圖量化繪制方法。參考以上統計方法，通過現場勘查，并對2019 年三個月的統計數據進行分析（圖3），可以看出，導致油田電網故障的直接原因中，雷電引起的故障不到總體的19%，飛鳥引起的故障占所有故障的73%，考慮到未確認的9%也有很大概率是飛鳥引起，鳥害故障幾乎占到電網故障的80%以上。而鳥害主要發生在架空線塔并聯間隙（招弧角）、支線刀閘、井場內H桿、井場內變壓器等部位。

圖3 故障類型占比統計Fig.3 Fault type ratio statistics

2.1 架空線塔并聯間隙

并聯間隙的使用可以在一定程度上減少設備受雷電襲擊造成的傷害，降低線路跳閘事故率，但油田區域空曠，幾乎沒有樹木生長，新建架空線塔成為了鳥類的最佳歇息地點。據現場實際觀察，鳥類在架空線上，特別是在飛越并聯間隙或者在附近活動時，極易引起并聯間隙擊穿放電，從而引發單相接地短路而造成故障跳閘。據2016 年以來數據統計，該油田70%的鳥害故障發生在此處。

2.2 支線刀閘

作為有效的隔離手段之一，油田早期架空電網建設階段，在各主要分支都裝有隔離刀閘。新電網接入時安裝支線刀閘可有效縮小隔離范圍，減少對油田生產的影響，但也產生了意想不到的負面影響。根據現場勘查，鳥類在此處活動時，會引起兩種故障，刀閘與架空線連接部分的導線對地導通，產生單相對地故障，以及在刀閘兩相間活動時引起兩相短路故障。根據數據統計，油田電網20%的鳥害故障發生在此處。

2.3 井場內H桿

井場內H桿連接架空線與井場變壓器，桿上安裝有刀閘，跌落保險等。鳥類，特別是諸如鴿子、白鷺等大型鳥類在H桿上活動，拍打翅膀時易引起刀閘和跌落保險處單相對地或者兩相短路故障，根據故障統計，油田電網6%的鳥害故障發生在此處。

2.4 井場內變壓器

井場內變壓器為井場內低壓用戶配電。鳥類以及野貓等動物在變壓器上活動時引起變壓器高壓側進線絕緣柱上并聯間隙短路，或者兩相相間短路，根據故障統計，伊拉克米桑油田電網4%的鳥害故障發生在該處。

2.5 雷擊故障

雷電一直是電氣行業面臨的一大挑戰。油田架空線所在地勢相對平坦，附近沒有較高的山脊、建筑物、樹木等，雷雨季節雷暴強度大、閃擊頻繁，對架空線路的防雷、避雷又增加了挑戰。雷電等引起架空線路絕緣子閃絡，繼而單相或者相間短路，最終導致斷路器跳閘。據統計，雷電故障發生率占所有瞬時故障率的18%。

3 增強油田電網穩定性的必要性

隨著油田ESP支線電網的擴大，上述因素引起的電網故障跳閘次數越來越多，也越來越頻繁，尤其是春夏季節，且電網故障跳閘基本上是由瞬時性故障導致。雖然這些故障跳閘能短時間恢復供電，但頻繁的電網故障跳閘已經嚴重影響了油田的安全穩定生產。表1 為2019 年3 月～5 月份的故障統計記錄。

表1 2019年3月～5月份故障統計Tab.1 Fault statistics from March 2019 to May 2019

由表1可知，頻繁故障跳閘已經嚴重影響了原油產量，采取措施降低油田電網故障跳閘率，增強油田電網穩定性已經迫在眉睫。

4 增強油田電網穩定性的探索

孫寧[5]考慮到油田地域范圍廣、南北架空線路距離長、故障點分布不集中、故障的根除不能短時間解決等因素，并結合現有條件進行治理，以達到最大限度減少電網故障對油田生產影響的目的。確定了從兩方面探索增強電網穩定性的工作思路，即從電網保護設計角度考慮縮小故障影響時間和范圍的可行性；根據已經掌握的影響油田電網穩定性的主要因素采取有針對性且現場易于實施的治理措施。

4.1 縮短故障影響時間

油田架空電網由南區4套、北區12套VCB（真空斷路器）分別進行電源控制。考慮到現場故障多為瞬時性，故障過后即可馬上恢復合閘，而南北區域VCB 布置分散，每次故障跳閘后再次合閘需要較長時間，影響生產恢復時率。連鴻波等[6]通過對小電流接地電網的數據整理，特別是對該電網中瞬時故障的詳細分析，提出了在小電流接地系統中引入面向單相接地故障的自動重合閘技術。油田電力系統采用中性點經電阻接地系統，現場配置西門子33 kV VCB 控制器7SJ82，經過研究，依據廠方資料SIPROTEC 5 Overcurrent Protection 7SJ82/7SJ85，激活現場VCB 自動重合閘功能，并對重合閘參數進行核算和研究，實現斷電后1 次自動重合閘功能，從而最大限度地縮短故障影響時間。對現場VCB作以下設置：

通過現場VCB 重合閘功能的激活和實現，可以使故障停電到恢復供電的時間由原來的平均2 h縮短到5 min，此措施不增加任何投資，可在每次發生故障時減少約2×104bbl原油損失。

4.2 減小故障影響范圍

油田配電網距離長、分支多、故障點查找時間長，根據油田自身特點，為限制故障影響范圍，快速切除故障所在的區域，采取保護定值設置措施限制各級開關越級跳閘[7]。據北區架空線單線圖，從電廠33 kV 母線開關柜AH07 到油田北部區域負荷由三級開關控制，表2和表3為從電廠到北區33 kV母線出線開關AH07，以及BUN 地區VCB-CPN 和VCB-BUN08 開關的保護定值。經過繼電保護定值的優化，可大大縮短故障切除時間，降低由接地引起的原油減產損失。

4.3 減少故障跳閘次數

根據油田電網故障多為瞬時故障，且單相接地占比為72%的特點，減少故障跳閘次數的主要思路如下：

（1）油田電網為中性點經電阻接地系統，根據設計文件，電網最大可以承受120 A接地電流10 s。嘗試將架空線路接地過電流保護時間延長，使電力系統在許可范圍內短時間帶故障運行，直到瞬時故障自動滅弧和故障消除，從而減少不必要的生產關停，但最終測試到3 s，無法有效規避故障。表明一旦相線與地之間形成回路，即使接地原因消除，但該回路因為接地引起電弧無法自行熄滅，必須切斷電源以熄滅電弧。

表2 AH07保護定值Tab.2 Protection value for AH07

（2）探索特殊情況下，油田33 kV 架空電網可否由中性點經電阻接地改為不接地系統，以使單相接地時系統可以短時不跳閘持續運行。

油田單塔單回架空線路長度約170 km，按照經驗公式粗略估算電容電流為15.147 A。根據國家標準GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》[8]第3.1.2條的規定，35 kV、66 kV 架空線路系統電容電流大于10 A 時，應采用消弧線圈接地系統。

綜上，33 kV 架空電網改為三相不接地系統缺乏理論依據，該油田33 kV架空電網不適合改三相不接地系統，不適合用該方法減少故障跳閘次數。

4.4 針對故障源頭的治理措施

根據油田電網故障統計數據，雷電引起的故障為18%，鳥害故障占80%以上，所以，故障處理的重點是鳥害。針對鳥害和雷電故障的具體治理措施包括：

（1）針對架空線塔并聯間隙部位的鳥害治理。伊拉克油田33 kV線路鐵塔是大量群鳥集聚地，鳥群在并聯間隙周圍飛過時易造成瞬間接地故障。在每次接地故障后巡線中幾乎都能發現電擊死亡的鳥尸體。王樹軍等[9]以及陳雪琨等[10]指出并聯間隙的使用可以減少雷電襲擊的傷害，降低線路跳閘事故率，但會造成跳閘次數增多。另根據GB 50061—2010《66 kV 及以下架空電力線路設計規范》[11]第三節建議棒式并聯間隙一般只在66 kV線路使用。

油田井場布置相對密集（井場間距100～1 000 m不等），各個井場已經安裝避雷器，且架空線又有避雷線，均可有效提供防雷保護。為提高油田供電可靠性，穩定油田原油生產，將已經安裝的架空線塔上的并聯間隙全部拆除，拆除后的并聯間隙可以明顯看到有放電痕跡。對于新建架空線路桿塔不再設計并聯間隙，從根本上消除該故障隱患。

并聯間隙的拆除大都在油田停產檢修時段進行，所以工作本身并未造成油田產量損失。線塔最高處17 m，施工中需要用到的也只是升降車與一般人力。本項工作本身投入不高，但對油田穩定性的提升卻效果顯著。

（2）針對支線刀閘部位的鳥害治理。隨著油田電網建設不斷完善，油田主體架空網絡已逐步成型，支線刀閘的隔離功能逐漸被各環路電網上的VCB取代，因此新建電網不再設計支線刀閘，在已經安裝運行的支線刀閘部位安裝驅鳥設施。

（3）針對井場內H桿部位的鳥害治理。對已經建設完成的井場，新安裝旋轉式和聲光驅鳥器；對新建井場項目，除安裝旋轉式和聲光驅鳥器外，對H 桿及其附屬電力設備也做了優化。根據國標GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定[8]，刀閘兩相間抗擊雷電過電壓的最小電氣間距應為450 mm，但是考慮到該部位引起的的危害多為鳥類飛行掠過時雙翅在單相對地或者兩相間引起的短路，而該地區以石雀（翼展約28～32 cm），斑鳩（翼展約47～55 cm），鴿子（翼展約50～60 cm）為主，因此新裝H 桿兩桿間跨距由原來的2.5 m 增加到3 m，新裝刀閘兩相間距由原設計的50 cm 增加到70 cm，新裝跌落保險安裝間距由50 cm增加到70 cm。

根據與承包商協商結果，H桿以及所屬部件設計的優化并不需要增加項目費用。

（4）針對井場內變壓器部位的鳥害治理。對已經建設完成的井場內變壓器部位安裝旋轉和聲光驅鳥器，并拆除變壓器并聯間隙；對新建井場內變壓器項目，除采取以上措施外，再對變壓器高壓側接線柱加裝絕緣護套。按照油田所在地區市場價格，驅鳥器采購、安裝成本每套不超過200美元，而大多數油井日產量都在2 000 bbl以上，相對于減少的產量損失，驅鳥器的施工成本可以忽略不計。

（5）針對雷擊的治理。雷擊一直是造成架空電網故障跳閘的疑難因素，油田有33 kV架空電網服役時間久且常年沒有維護，幾乎沒有防雷措施，抗雷效果差，故障頻繁，且輸電能力也不能滿足油田生產需求，因此，從2016 年起，已經在逐步建設新架空線并淘汰舊架空線。截至2019 年底，油田所有生產負荷都已由新建架空線路供電。

對于新建架空線路的防雷，已經采取了全線鋪設避雷線，且所有架空線節點VCB 和井場內部變壓器上游都裝有氧化鋅避雷器等措施，但是油田沒有雷電強度密度等官方數據，設計上能針對性采取的防雷措施有限。為給后期優化設計提供依據，并盡可能地減少雷電危害，后期新建架空線路計劃采取措施如下：

考慮到相對架空線路絕緣子價格不高，為增強新建項目架空線的絕緣水平，計劃后期施工中將每串絕緣子的片數由3 片增加到4 片；計劃后期在所有避雷器上安裝計數器，以便于對雷電頻繁影響區域進行統計，為以后同類工程項目設計提供參考數據。

5 治理效果評估

上述油田電網故障治理措施取得了明顯效果，圖4 是對治理前后的2019 年和2020 年同月份故障跳閘次數的對比。由圖4可知，電網整體故障次數下降明顯。

圖4 治理前后故障跳閘次數對比Fig.4 Comparison of fault trip times before and after modification

6 結論

油田電網的安全穩定運行關系到油田的穩定生產和經濟效益。伊拉克某油田33 kV和132 kV電網頻繁故障跳閘的原因分析和故障治理結果表明，通過對現場VCB 自動重合閘功能設置以縮短故障影響時間，采取保護定值設置措施限制各級開關越級跳閘以減小故障影響范圍，以及針對不同部位鳥害、雷擊的具體治理措施均取得了明顯效果，同類電網的運行維護人員可以借鑒參考。