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摘要：为满足海上老油田的电网扩容需求，基于渤海油田某工程实例，对比分析通过高压３５ｋＶ系统并网方案与通过中压６．３ｋＶ系统并网方案的优缺点，最终确定通过中压６．３ｋＶ系统并网方案费用较低，系统简单，维护方便。在此基础上，研究通过中压６．３ｋＶ系统并网方案面临的老平台中压母排运行电流超限、单相接地电容电流超限、低压母排短路电流超限和老平台改造空间受限等问题及其解决方法，实现该方案在海洋石油平台电网扩容项目中的实际应用。该研究可供我国海洋石油平台电网扩容项目的开展参考。
关键词：海洋平台；电网扩容；方案优选；ＥＴＡＰ软件；应用研究
０引言
合理的供电方案是油田开发的重要用电保障［１］。随着海上老油田周边区块的滚动开发、老油田自身新钻调整井和大泵提液等一系列开发措施的施行，老油田原有的电网供电能力已不能满足新增负荷的需求，对老油田进行电网扩容势在必行［２-５］。在进行电网扩容时，需保证新增电能安全、高效、经济地接入老油田原有电网［６］。本文以渤海油田某海上平台小型电网扩容改造工程为例，对通过高压３５ｋＶ系统并网与通过中压６．３ｋＶ系统并网的优缺点进行对比分析，确定通过中压６．３ｋＶ系统并网的方案费用较低，系统简单，维护方便。此外，详细研究采用６．３ｋＶ系统并网方案时存在的老平台中压母排运行电流超限、单相接地电容电流超限、低压母排短路电流超限和老平台改造空间受限等问题及其解决方法，为我国海洋石油平台电网扩容项目的开展提供参考。渤海某油田计划新建一座４腿无人井口平台Ｄ和一座动力平台Ｅ，拟建动力平台Ｅ与已建平台Ｂ栈桥连接，平台位置示意图见图１。在新建动力平台Ｅ上布置２台现场出力２８５０ｋＷ的电站，用于弥补新建项目负荷和老平台负荷缺口，其中：已建平台Ａ上有２台现场出力２８５０ｋＷ的电站；已建平台Ｂ上有１台现场出力３８５０ｋＷ的电站；已建平台Ｃ为无人平台。原电网通过３５ｋＶ海缆组网。
１方案优选
由于拟建动力平台Ｅ与已建平台Ｂ是通过栈桥连接的，而已建平台Ｂ的中压系统电压为６．３ｋＶ，高压系统电压为３５ｋＶ，因此新增２台电站与原电网有２种并网方案，分别为通过高压３５ｋＶ系统并网和通过中压６．３ｋＶ系统并网。１）通过高压３５ｋＶ系统并网方案：拟建动力平台Ｅ上的２台电站通过２台４０００ｋＶＡ、３．３ｋＶ／３５ｋＶ的并网变压器将电压升至３５ｋＶ，其中一路３５ｋＶ线路通过栈桥连接至Ｂ平台的３５ｋＶ母排上，与原电网并网，另外通过一路３５ｋＶ线路给拟建平台Ｄ供电。２）通过中压６．３ｋＶ系统并网方案：从拟建动力平台Ｅ的６．３ｋＶ中压母排开始铺设一条高压电缆，通过栈桥连接至已建平台Ｂ的６．３ｋＶ中压母排上，与原电网并网。拟建动力平台Ｅ通过一路６．３ｋＶ线路，经６．３ｋＶ／１０．５ｋＶ隔离变压器给拟建平台Ｄ供电。该并网方案示意图见图３。由于各拟建平台内部的配电方案基本一致，因此主要考虑不同并网方案下新增并网设备的数量、重量、尺寸、费用及其对已建平台Ｂ的影响。３５ｋＶ并网方案与６．３ｋＶ并网方案的主要设备对比见表２。从表２中可看出，６．３ｋＶ并网方案设备简单，维护方便，费用低，能最大程度地简化平台Ｅ的电力系统设计。通过分析可知：１）３５ｋＶ并网方案的主要优点为：已建平台Ｂ与拟建平台Ｅ的中低压系统之间的相互影响较小，具有一定的独立性；改造方案简单，仅需改造平台Ｂ上的一面高压开关柜；后期校核工作量较小，无需单独校核平台Ｂ的电力系统的电容电流、潮流和短路电流等。３５ｋＶ并网方案的主要缺点为：新增设备数量多，重量重，占地面积大，投资高，后期维护工作量大。２）６．３ｋＶ并网方案的主要优点为：系统简单，拟建平台Ｅ上无组网变压器、接地电阻、高压配电柜和组网变压器软启器等，仅新增１台６．３ｋＶ／１０．５ｋＶ隔离变压器，用于给拟建平台Ｄ供电，电气设备少，重量轻，电气间面积小，投资低，后期维护工作量小。６．３ｋＶ并网方案的主要缺点为：平台Ｂ的中压母排运行电流超过其额定工作电流；平台Ｂ的低压母排短路电流超过其额定短路电流；系统中压母排电容电流超过４Ａ，从而需改变平台Ｂ中压系统的接地方式；平台Ｂ的电气房间无空间或备用中压盘柜用于安置组网设备。
２应用研究
虽然６．３ｋＶ并网方案具有设备简单、维护方便和费用低等优点，但该方案可能存在运行电流超限、短路电流超限、电容电流超限和改造空间受限等诸多问题，需予以解决。下面通过理论分析和建模计算证明６．３ｋＶ并网方案切实可行，实现该方案的实际应用。
２．１老平台中压母排运行电流超限。拟建动力平台Ｅ与已建平台Ｂ通过６．３ｋＶ中压系统并网之后，６．３ｋＶ中压母排上的发电机由之前的１台增加为３台，分别是已建平台Ｂ上的１台现场出力为３８５０ｋＷ的发电机和拟建平台Ｅ上的２台现场出力为２８５０ｋＷ的发电机。当这３台发电机全开，且其出力达到最大时，已建平台Ｂ的６．３ｋＶ中压母排运行电流可能达到１０９５Ａ，超过了平台Ｂ的６．３ｋＶ母排的额定电流。表３为并网后６．３ｋＶ母排最大电流。拟建平台Ｅ的中压母排额定电流可选１２５０Ａ，而已建平台Ｂ的中压母排当前不具备更换条件（若更换，涉及较长时间的停产），需考虑其他方法。通过进一步分析发现，只要平台Ｅ的用电负荷大于１０００ｋＷ，通过平台Ｅ的中压母联开关传输给平台Ｂ的电流不会超过５４０Ａ，平台Ｂ的中压母排运行电流不会超过１０００Ａ。因此，由平台Ｅ直接给平台Ｄ供电，２个平台的最小计算负荷为１６７４ｋＷ，大于１０００ｋＷ，从而保证平台Ｂ的中压母排上的最大电流在任何情况下都不超过１０００Ａ。同理，只要平台Ａ的用电负荷不小于１０００ｋＷ，平台Ｂ的中压母排电流也不会超限。从负荷计算书中可发现，平台Ａ的最小负荷为１８１０ｋＷ，远大于１０００ｋＷ，也不会出现运行电流超限的问题。通过ＥＴＡＰ软件进行潮流仿真，可更加直观地观察到母排上电流的分配，在平台Ｄ和平台Ｅ负荷最小的情况下，通过母联开关传输给平台Ｂ的电流为３０８Ａ，平台Ｂ发电机的输出电流为２３２Ａ，来自平台Ａ的电流为０．１Ａ，可忽略不计。因此，平台Ｂ母排上实际运行的电流只有５４０Ａ，远低于其额定电流１０００Ａ。通过对其他工况进行模拟，都证明通过合理地进行负荷分配，完全能规避平台Ｂ中压母排运行电流超限的问题。实际上该油田各区域基本上能做到电量就地平衡，通过母联开关或海缆传输的最大电量为１台发电机的功率。另外，考虑到发电机实际出力一般不会超过其最大出力的９０％，平台Ｂ中压母排的运行电流不会超过１０００Ａ。
２．２低压母排短路电流超限。并网之后，平台Ｂ与平台Ｅ的中压系统并列运行，平台Ｂ正常低压母排和应急低压母排的短路电流均超过设计值。平台Ｂ的正常低压母排和应急低压母排的额定短路电流均为５０ｋＡ，而采用ＥＴＡＰ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＴｒａｎｓｉｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓＰｒｏｇｒａｍ）仿真时正常低压母排的最大短路电流为５９ｋＡ，应急低压母排的短路电流为５５．７ｋＡ，平台Ｂ低压母排短路电流仿真示意图见图５。进一步查阅平台Ｂ的低压母排资料，发现平台Ｂ正常低压母排的实际额定短路电流为６５ｋＡ，而应急低压母排的实际额定短路电流为５０ｋＡ，因此平台Ｂ正常低压母排的短路电流满足要求，仅需解决应急低压母排短路电流超限的问题。当前有２种解决方案：一是安装低压快速限流器，当短路电流超过５０ｋＡ时切断故障电流；二是安装限流电抗器，将短路电流限制在５０ｋＡ以内。有关资料显示，目前国内低压４００Ｖ快速限流器还处于研发阶段，而低压限流电抗器技术比较成熟。因此，本文选择在应急低压母排进线端（即正常低压母排与应急低压母排母联开关处）安装１套限流电抗器，将应急低压母排短路电流限制在５０ｋＡ以内。经计算，电抗器基本参数为：ＡＣ４００Ｖ，５０Ｈｚ，２０００Ａ，阻抗０．６％。加装限流电抗器之后平台Ｂ应急低压母排短路电流仿真示意图见图６。从图６中可看出，加装电抗器Ｘ１之后，平台Ｂ的应急低压母排短路电流从５５．７ｋＡ降至４９．６ｋＡ，满足设计要求，适当增加电抗器阻抗值可进一步降低短路电流。当然，若Ｘ１阻抗取值过大，会影响平台Ｂ应急低压母排的正常工作电压。
２．３中压母排单相接地电容电流超限。平台Ｂ与平台Ｅ并网之后，平台Ｅ通过一路６．３ｋＶ线路经４ｋｍ的海缆直接给平台Ｄ供电，此时６．３ｋＶ系统单相接地电容电流达到９．２Ａ。根据ＤＬ／Ｔ６２０—１９９７《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的要求，当６．３ｋＶ发电机系统的发电机接地故障电流大于４Ａ时，不能采用不接地系统。平台Ｂ中压系统原设计采用不接地系统，若不能有效降低中压母排单相接地电容电流，则需改变平台Ｂ中压系统的接地方式，需增加接地电阻，重新设置继电保护，并增加接地电流互感器，改造工作量较大。进一步分析电容电流的构成发现，６．３ｋＶ海缆线路贡献的电容电流达到６．２Ａ，中压设备（包括发电机）贡献的电容电流只有约３Ａ。因此，增加一台６．３／１０．５ｋＶ隔离变压器给平台Ｄ供电，将平台Ｂ的中压母排电容电流降至３Ａ，从而无需改变平台Ｂ的中压系统接地方式。
２．４老平台改造空间受限。当平台Ｅ与平台Ｂ通过中压系统并网时，需在平台Ｂ主开关间新增或改造一面中压盘柜，但平台Ｂ经过多次改造，其电气间已无多余空间或备用盘柜。由于２个平台是通过栈桥连接的，因此考虑将部分中压设备转接到拟建平台Ｅ的中压母排上，从而将空出的开关柜改造为组网盘柜。组网盘柜要求的最小宽度为８００ｍｍ，而平台Ｂ的中压盘柜只有４面尺寸为８００ｍｍ的盘柜，分别为发电机的出口断路器、１台６３００ｋＶＡ主变进线断路器和２台２５００ｋＶＡ主变进线断路器，其余盘柜均为６００ｍｍ的真空负荷开关。根据３．１节的分析，为减小平台Ｂ的中压母排电流，需将负荷尽可能地转移至拟建的平台Ｅ上。同时，考虑后期继保设计和操作维护的便利性，将２台２５００ｋＶＡ主变进线断路器转接到拟建平台Ｅ上，平台Ｂ空出的２面盘柜，一面用于组网，一面留作备用柜。
３结语
本文基于渤海某海上油田小型电网扩容改造工程实例，从新增设备数量、尺寸、重量、改造难易度和经济效益的角度，探讨了通过３５ｋＶ系统并网与通过６．３ｋＶ系统并网的优缺点，最终确定通过中压６．３ｋＶ系统并网的方案费用较低，系统简单，维护方便。此外，深入论证了６．３ｋＶ并网方案中存在的主要问题及其解决方法。通过中压６．３ｋＶ系统并网方案在该项目中的应用，做到了电气方案简化设计，为工程节省了费用。该项目电网扩容方案的成功实施解决了老油田原有电网能力不足的问题，可供后续类似问题的解决参考。
作者:金秋 戴国华 薄昭 陈建玲 鲁凯 单位:中海石油（中国）有限公司天津分公
