海上石油平台供电网励磁涌流解决方案研究

柯吕雄

CNOOC Ltd._Zhanjiang，广东湛江 524057

1 海上石油平台供电网概况

1.1 电网规划概况

南海某油田群海域油气资源非常丰富，组成供电网前采用每一个海上油气田中心平台建一个电站的方式进行供电。为提高供电可靠性差、增强电站抗冲击性能、减少备用发电机组配置、降低投资及运行维护成本，各平台电站之间通过海底电缆进行组成海上石油平台供电网。初期组网在WZIT、WZ12-1、WZ11-1N和WZ11－1等平台进行，主干线路电压等级采用35kV。随着油田群的进一步开发，还将延伸到WZ6-1等平台，电网的规划接线详见图1。该供电网2008年12月投产，是我国第一个长距离、小机组海上石油平台群供电网系统。

图1 海上石油平台供电网示意图

1.2 电网构成

各平台电气主接线方式35kV采用部分采用单母线接线，主变压器均采用有载调压方式，其中WZIT配置2台主变压器、WZ12-1及WZ11-1平台各配置1台主变压器。采用消弧线圈接地方式。WZIT与WZ12-1平台之间采用3×185mm2截面电缆；WZ12-1与WZ11-1N之间采用3×95mm2截面电缆；WZ11-1与WZ11-1N之间采用3×150mm2截面电缆。具体接线详见图2。

图2 电气主接线图

2 电网存在的励磁涌流问题

2.1 变压器空载闸产生励磁涌流

据组网所采用的变压器厂方提供的资料，变压器空载合闸时最大励磁涌流将达到额定电流的6倍～10倍。陆上电网由于电网容量足够大，可不考虑励磁涌流问题。海上石油平台电网机组台数少，容量小，这种所谓的励磁涌动的流量对于电网以及发电机的基本电压产生比较大的影响，同时这些影响会直接通过我们的系统总体输电线的基本电阻诱发相邻变电站及发电厂运行中的变压器形成一种“和应涌流”，从而可能引起误跳闸的情况。针对这样的情况，我们可以适当采取限制性的基本措施以限制这一情况的发生。

2.2 励磁涌流产生原因

按照磁链守恒定律，一旦变压器中的任何一侧发生突然间的电压增加情况，电压瞬变后最终会导致铁心出现过度饱和状态。在此情况下变压器的励磁性电流量的过度增大，其数据甚至可能会超过正常运行的空载型号电流的好多倍。并且我们都知道在变压器中，有一个绕组电阻的存在，因而我们的励磁涌流也会按照基本常数得到递减。

由于励磁涌流和故障电流都是瞬时值很大，变压器继电保护装置难以正确识别他们的差别，如果不采取措施变压器继电保护装置将误动作。特别是变压器在投产或检修空载投入时，差动保护误动的情况更加明显。由于励磁涌流形态的多变性，目前各种继电保护应用的算法均不足以彻底解决励磁涌流问题，亟需一种实用、可靠地解决方案。

3 励磁涌流解决方案

3.1 励磁涌流的四个解决方案

根据国内外现有技术条件，海上石油平台供电网组网设计提出了解决变压器空载合闸励磁涌流问题的以下4个方案：

方案一：变压器采用零起升压后并网

正常情况变压器都是处于运行状态，此时不存在励磁涌流问题。只有在少数运行工况下（变压器检修或故障退出后再投），才存在合闸励磁涌流问题，此时可以让发电机带变压器零起升压后并网。

方案二：串联电阻合闸

串联电阻合闸是在合闸侧回路串入电阻来抑制合闸时产生的励磁涌流，合闸后通过负荷开关把合闸电阻短路运行。

方案三：采用断路器分相合闸

采用断路器分相合闸，通过捕捉合闸电压的相位角，使各相均在电压最大时投入，避免由于变压器铁心磁通的突变产生励磁涌流。

方案四：采用涌流抑制器

抑制器是通过变压器断电时电压的分闸相位角获知磁路剩磁的极性，下一次合闸时选择在相近的相位角，此时就能避免变压器铁心磁通的突变产生励磁涌流。

3.2 方案比较

方案一为少数工况。该方案的每台变压器要并网时，都需一台发电机带其零起升压，且该发电机所在的6kV段上的负荷要停运，因此将牺牲其他各种运行工况的灵活性。

方案二是一个比较简洁的方案。虽然目前已有专利产品，但目前还没有相关的成功运行案例，需选用非标产品。

方案三由于相角很难捕捉，而且该产品采用晶闸管电子开关，价格昂贵且目前国内也没有此产品，不推荐用。

方案四所采用的涌流抑制器产品价格便宜（每套约4万）且国内有校丰富的运行经验。

3.3 方案确定

根据以上分析，采用方案一、方案四技术上比较稳妥。由于方案一不能满足现有生产设施用电要求对电网灵活性的要求，宜采用方案四，即涌流抑制器方案。

4 涌流抑制器工作原理

我们的变压器中的空载合闸的基本电源内所引发的基本励磁涌流与基本电压的初始基本角度有着莫大的关系，并且与电压的初始位置达到二分之π或者是三分之二π，励磁电流或者是短路性质的电流的暂态分隔量都基本上处在一个基本为零的状态，这时变压器的基本功能状态会相对进入一个比较稳定的状态中，这是励磁性的电流会暂时分隔到半个周期之后达到一个比较稳定的数值范围内，因而，我们可以在这种基本情况下可以彻底抑制磁体方面的基本涌流状态。

对于一些三相方面的基本变压器，在三个基本相位的差值达到三分之二π时我们就可以充分采取基本的断路器装置，通过采用分项分时操作我们可以采用基本的抑制性的励磁涌流进行处理分析，但这样并不会完全导致比较短暂的非全相性运行，并且，针对一些在35kV之下的电网我们还可以采用其他的方式进行处理，旨在更好地达到我们需要达到的基本处理结果。

我们常使用的涌流的抑制性仪器主要是使用三种基本的方式进行控制的方式进行计算，并且充分结合相关变压器发生断电时的基本电压的分闸相位角度来获得相关的磁路的剩磁极性，并且在下一次进行合闸的过程中选择一个比较临近的位相角度，同时实现对于励磁涌流的整体控制。

5 实施情况

1）涌流抑制器的装设

为满足电网内各变压器空载合闸时涌流抑制的需求，本油田群电网在各平台的4台变压器高、低压侧均安装一台涌流抑制器装置。该装置外形尺寸与低压保护装置类似，分别就地安装在主变压器的35kV/6kV侧开关柜上。

我们使用的基本装置主要是采用断路的仪器来进行变压器的空投处理，主要的原理图在下面的图示中有具体的显示，并且一旦我们需要的涌流抑制器收到的相关的合闸令之后就很容易根据预先基本设置的三相的断路器进行合闸处理，并且在使用电压的二次互感器进行角测值方面的计算时来更加标准的呈现发生分闸或者是合闸时期的定期信号。

站在更为精准的角度出发，我们会发现辅助的基本接点与主触头的动作时间之间存在差距，直接导致了涌流的基本抑制器之间有着测量的基本装置，同时，一旦我们所使用的断路器脱离了回路的基本电源，就可以更好地对这一功能进行测量研究。

我们使用的基本涌流控制器主要是对断路的仪器进行合闸方面的控制，我们使用的人工型号的继电保护也可以在很大程度上对断路器的基本设备进行分闸方面的使用，主要是在一些比较特殊的情况中，人们当临时希望把变压器在某个电源电压的相位角进行断电装置的处理时，就可以通过对涌流抑制器的基本角度分析来进行相关的操作研究。

图3 控制原理示意图

2）涌流抑制器初次合闸调试

涌流抑制器初次合闸时，由于涌流抑制器没有变压器的分闸相位角无法获知磁路剩磁的极性，需在现场进行调试，具体步骤如下：

（1）测量断路器的合闸回路动作总时间；

（2）测量断路器的分闸回路动作总时间；

（3）录制投切变压器负载波形；

（4）根据负载波形设置参数，涌流抑制器即可投入运行。

6 运行情况

2008年12月5日WZ12-1石油平台与WZIT之间的海底电缆正式投入运行，在涌流抑制器的有效配合下，各台主变压器顺利投入。

在两年多的运行期间，经历了变压器有载、空载投入十几次，计算机监控系统均没有采集到明显的涌流现象，更无因励磁涌流造成的其他异常现象。

7 结论

海上石油平台的电力组网必须考虑主变压器空载合闸的励磁涌流问题，采用涌流抑制器是很好的解决方案。

[1]张继芬，胡鹏，邱国华，刘峻，王雄文.海上石油平台电力组网及其EMS设计与实现[J].电力勘测设计，2008(2).