基于ATP的海底电缆空载投入仿真

卢雪松, 刘继峰， 冯绍宁， 邵芳苹， 唐 怡

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

基于ATP的海底电缆空载投入仿真

卢雪松, 刘继峰， 冯绍宁， 邵芳苹， 唐 怡

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

随着我国海上油气田的开发和利用，海洋平台电力系统的规模不断扩大,运用电力系统分析仿真软件对系统进行研究计算的方法也日趋成为电气工程师的主要应用工具。介绍电力系统分析仿真软件ATP的功能特点，结合海上油田某项目实例，运用ATP软件进行海缆空载投入仿真研究，发现采用相控合闸策略可以有效地降低海缆空载投入的合闸涌流和操作过电压，其理论分析对同型平台的设计具有一定指导和借鉴意义。

ATP软件；海缆空载投入；仿真

0 引言

海上油气田通常由若干个海上结构物(井口平台或浮式储油装置)组成。在这些海上油气田中，一般只在中心平台(或浮式储油船)上设置一个主电站，然后通过海底电缆将主电站的电能分别输送到各个井口平台上。海上平台海缆作为平台之间能量传输重要且唯一的通道，在海上平台中起着极其重要的作用[1]。海上油气田平台电力系统与大陆电力系统有着很大的区别，一般采用单端电源供电，系统容量小，稳定性弱，容易受到各种因素的干扰，供电可靠性相对较差[2]。由于海缆的电容效应，在随机投入长距离海缆时，由于电压突变导致在回路中产生较大的冲击电流，对设备及系统的运行安全带来了极大的隐患。为了确保海上油气田各井口平台的正常生产和生活，如何有效降低海底电缆空载投入时的冲击电流，是海上油气田开发工程中电力系统设计的重要工作之一。

传统的抑制合闸冲击电流的方法[3-4]是在一次回路中增加合闸电阻或电抗器，但都存在着经济性或者可靠性上的不足，并且不能从根本上解决海缆投入电流冲击的问题，造成的保护误动仍影响着海上平台的供电安全。结合海上油田某项目实例，提出一种相控策略投入海缆抑制合闸涌流的方法，并运用ATP软件对不同海缆空载投入策略进行仿真研究，确认相控策略投入海缆对抑制合闸涌流的有效性，为工程实际应用提供理论依据。

1 空载海缆投入时产生合闸涌流的原理分析

图1为断路器关合单相空载海缆时的等效电路[5]。图1中：u(t)为系统电源电压；QF为电力断路器；R为线路等效电阻；L为线路等效电感；C为线路等效电容。

图1 断路器关合单相空载海缆等效电路

由图1可知，单相空载海缆投入系统时的回路方程为

(1)

式中：ω为电网的角频率；α为合闸时电源的初始相角；U为电源电压有效值。

由于线路电阻上的压降很小，忽略电阻R的影响，并对式(1)两边进行微分运算得

(2)

求解式(2)，则回路中电容的电流i(t)和电压uc(t)可表示为

(3)

(4)

2 相控投切技术简介

通过空载海缆投入产生涌流机理的分析，可以采用相控投切技术解决其投入时的涌流和过电压的问题。相控投切技术，实质上就是通过控制断路器合分闸时刻电压初相角，使每相开关在其端电压过零时刻关合，降低合闸涌流和过电压冲击，提高电能质量和系统稳定性，延长断路器的使用寿命和检修周期。图2为相控开关关合动作时序图。图2中：tc为外部合闸操作指令输入时刻；t0为参考电压零点；tclosing为开关合闸动作时间；tp为选择的目标关合相位(三相可以具有不同的目标关合相位)；tm为开关触头金属接触时刻。

图2 开关相控关合操作时序

同时由开关三相合闸时间tclosing和目标关合相位tp获得开关各相延迟时间td：

(5)

延时td后，控制器触发合闸操作，开关触头在时刻tm闭合，实现各相电压过零关合。

相控开断操作，是根据所控制投入的负载特性以及连接方式，控制开关触头在电网电压的特定相位开断，避免断路器在开断过程中产生重击穿。图3为相控开断动作时序图。图3中：tc为外部分闸操作指令输入时刻；topening为开关分闸动作时间；ts为开关触头分离时刻；tz为电流过零、电弧熄灭时刻；开关燃弧时间tarc=tz-ts，最小燃弧时间的确定需要根据开关灭弧室和负载特性确定。

图3 开关相控分断操作时序

同时，由开关三相分闸时间topening和预设燃弧时间tarc获得三相延时触发时间td：

(6)

式中：tw为CPU执行计算时间；t0为负荷不同连接方式对应的三相电流零点相移时间。

延时td后，控制器触发分闸线圈，开关触头在时刻ts开始分离，在时刻tz电弧熄灭，开关触头开距d足够大，能够承受系统暂态恢复电压，实现负荷可靠开断。

3 工程概况

结合渤海油田某平台实际工程项目，该平台上不设主发电机，其主电源由区块内另外两个平台主电站经35kV复合海底动态电缆为其供电。海缆长度及截面如图4所示。

图4 某平台35 kV海缆一次图

4 仿真模型搭建

ATP提供两种线路模型：集中参数线路元件模型和线路分散元件模型。其中，集中参数线路元件模型不适用于暂态研究，故选取线路分散元件模型来仿真海缆的空载投入过程中的母线电压、端电压及回路电流暂态。海缆母线侧以3个星型连接的等效电源模拟，电缆模型采用ATP软件中的管式电缆模拟三芯电缆LCC模型。

由于空载长线路的电容效应，空载投入线路时与电容器合闸时类似，故合闸相控策略可参照电容器组合闸策略，即选择首合相在该相电压零点时刻投入；对于第二合相，应在该相电压与首合相电压相等时投入，在第三相电压过零点时投入第三相。以A相电压为参考，选取空载合闸策略进行比较。结果见表1。

表1 空载合闸比较

5 仿真结果分析

5.1 单投CEPA段海缆

(1) 相控策略。母线上三相电压、断路器线路侧三相电压和CEPA(13.7 km)段海缆线路上三相电流波形图如图5～图7所示。

图5 母线上三相电压 图6 断路器线路侧三相电压

图7 CEPA段海缆线路上三相电流

由图5～图7可知：相控合闸时，母线电压略有波动，出现的电压最大值约为稳态电压峰值的1.5倍；线路侧电压平滑过渡，电流经过10 ms左右的振荡进入稳定状态，幅值与线路空载运行时的稳态电流相当，最大值约为稳态峰值的1.2倍。

(2) 随机投入。母线上三相电压、断路器线路侧三相电压和CEPA段海缆线路上三相电流波形图如图8～图10所示。

图8 母线上三相电压 图9 断路器线路侧三相电压

图10 CEPA段海缆线路上三相电流

由图8～图10可知：随机情况下，母线和海缆线路上电压和电流均出现高频振荡，持续时间10～15 ms；电压最大值约2.3 p.u，电流最大值约为25.3 p.u.若单投CEPB(21 km)段海缆时情况类似，只是幅值略有差别。

5.2 CEPA段与CEPB段海缆同时空载投入

(1) 相控策略。母线上三相电压，断路器线路侧三相电压，CEPA和CEPB段海缆线路上三相电流波形图如图11～图14所示。

图11 母线上三相电压 图12 断路器线路侧三相电压

图13 CEPA段海缆线路上三相电流 图14 CEPB段海缆线路上三相电流

(2) 随机投入。母线上三相电压，断路器线路侧三相电压，CEPA和CEPB段海缆线路上三相电流波形图如图19～图22所示。

图15 母线上三相电压 图16 断路器线路侧三相电压

图17 CEPA段海缆线路上三相电流 图18 CEPB段海缆线路上三相电流

由图11～图18可知：两段电缆同时投入与单投一段时的情况类似，非相控合闸下，与单投相比，同时投入两条时各段的合闸电流幅值会偏小。

5.3 已投入CEPB段海缆，再空载投入CEPA段海缆

(1) 相控策略。母线上三相电压、断路器线路侧三相电压、CEPA、CEPB段海缆线路上三相电流波形图如图19～图22所示。

图19 母线上三相电压 图20 断路器线路侧三相电压

图21 CEPA段海缆线路上三相电流 图22 CEPB段海缆线路上三相电流

(2) 随机投入。母线上三相电压，断路器线路侧三相电压，CEPA和CEPB段海缆线路上三相电流波形图如图23～图26所示。

图23 母线上三相电压 图24 断路器线路侧三相电压

图25 CEPA段海缆线路上三相电流 图26 CEPB段海缆线路上三相电流

由图19～图26可知：当一段电缆已经投入再空载投入另外一段时，不管是已投段还是后投段，均会在合闸时产生幅值很大的合闸电流，但持续时间短。各相过零点投入时效果最佳，母线波动小，无振荡，合闸电流相对较小。

6 结论

本文采用EMTP-ATP软件搭建空载海缆投切系统模型，对海上石油平台电力系统海缆空载投入涌流产生的原因进行了分析，并采用ATP软件，对各种不同海缆的投入方式进行了不同投入策略的暂态仿真分析研究。研究表明：海上石油平台目前采用常规断路器随机投入空载海缆的确存在着很大的合闸涌流冲击隐患；采用适当的相控合闸策略可以有效抑制海缆的空载投入涌流，对于实际生产具有指导意义，为海上石油平台的供电故障问题分析提供了一种新的研究思路。

[1] 张振国，王长进，李银朋. 海洋石油工程概论[M]. 北京：中国石化出版社，2012:1-6.

[2] 王耘.海洋石油平台电力系统暂态过电压的研究[D].天津：天津大学，2010.

[3] 田斌宾.海洋石油平台海缆击穿故障的研究[D].天津：天津大学，2012.

[4] 罗日成，刘从法.基于EMTP/ATP的输电线路合闸过电压仿真分析[J].电力科学与技术学报，2011,26(3):63-67.

[5] 丁富华.真空开关的选相控制及其应用研究[D].大连：大连理工大学，2006.

Simulation of Submarine Cable No-Load Input Based on ATP

LU Xuesong, LIU Jifeng， FENG Shaoning， SHAO Fangping， TANG Yi

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tian Jin 300451, China)

Following China’s offshore oil and gas fields’ development and utilization, the scale and complexity of offshore oil and gas fields is gradually expanding, the method analyzing and researching for power system by simulation software has been the primary tool day by day. The function characteristic of ATP software is described. The way to use the software to carry on simulation of submarine cable no-load input by offshore platform project example is introduced. It can be found that the closing strategy for phase control can effectively reduce the switching current and operating over-voltage of submarine cable no-load input. Theoretical analysis of submarine cable no-load input based on ATP is of certain guide and reference to the similar offshore platform design.

ATP software; submarine cable no-load input; simulation

2016-11-17

卢雪松(1982-)，男，工程师

1001-4500(2017)02-0041-08

P75

A