海洋平台小型电网扩容方案的优选及应用

金 秋，戴国华，薄 昭，陈建玲，鲁 凯

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300459）

0 引 言

合理的供电方案是油田开发的重要用电保障。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。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。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35 kV系统并网与通过中压6.3 kV系统并网的优缺点进行对比分析，确定通过中压6.3 kV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6.3 kV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2 850 kW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2 850 kW的电站；已建平台B上有1台现场出力3 850 kW的电站；已建平台C为无人平台。原电网通过35 kV海缆组网。电网情况见表1。

图1 平台位置示意图

表1 电网情况

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6.3 kV，高压系统电压为35 kV，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35 kV系统并网和通过中压6.3 kV系统并网。

1）通过高压35 kV系统并网方案：拟建动力平台E上的2台电站通过2台4 000 kVA、3.3 kV／35 kV的并网变压器将电压升至35 kV，其中一路35 kV线路通过栈桥连接至B平台的35 kV母排上，与原电网并网，另外通过一路35 kV线路给拟建平台D供电。该并网方案示意图见图2。

图2 通过高压35 kV系统并网方案示意图

2）通过中压6.3 kV系统并网方案：从拟建动力平台E的6.3 kV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6.3 kV中压母排上，与原电网并网。拟建动力平台E通过一路6.3 kV线路，经6.3 kV／10.5 kV隔离变压器给拟建平台D供电。该并网方案示意图见图3。

图3 通过中压6.3 kV系统并网方案示意图

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。35 kV并网方案与6.3 kV并网方案的主要设备对比见表2。从表2中可看出，6.3 kV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。

表2 2种并网方案的主要设备对比

通过分析可知：

1）35 kV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。35 kV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）6.3 kV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6.3 kV／10.5 kV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。6.3 kV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4 A，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6.3 kV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6.3 kV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6.3 kV中压系统并网之后，6.3 kV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3 850 kW的发电机和拟建平台E上的2台现场出力为2 850 kW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6.3 kV中压母排运行电流可能达到1 095 A，超过了平台B的6.3 kV母排的额定电流。表3为并网后6.3 kV母排最大电流。

表3 并网后6.3 kV母排最大电流

拟建平台E的中压母排额定电流可选1 250 A，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1 000 kW，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540 A，平台B的中压母排运行电流不会超过1 000 A。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1 674 kW，大于1 000 kW，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1 000 A。同理，只要平台A的用电负荷不小于1 000 kW，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1 810 kW，远大于1 000 kW，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，见图4。

图4 6.3 kV母排电流仿真示意图

从图4中可看出，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308 A，平台B发电机的输出电流为232 A，来自平台A的电流为0.1 A，可忽略不计。因此，平台B母排上实际运行的电流只有540 A，远低于其额定电流1 000 A。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1 000 A。

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50 kA，而采用ETAP（Electrical

Transient Analysis Program）仿真时正常低压母排的最大短路电流为59 kA，应急低压母排的短路电流为55.7 kA，平台B低压母排短路电流仿真示意图见图5。

图5 平台B低压母排短路电流仿真示意图

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65 kA，而应急低压母排的实际额定短路电流为50 kA，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50 kA时切断故障电流；二是安装限流电抗器，将短路电流限制在50 kA以内。有关资料显示，目前国内低压400 V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50 kA以内。经计算，电抗器基本参数为：AC 400 V，50 Hz，2 000 A，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55.7 kA降至49.6 kA，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。

图6 加装电抗器后平台B应急低压母排短路电流仿真示意图

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6.3 kV线路经4 km的海缆直接给平台D供电，此时6.3 kV系统单相接地电容电流达到9.2 A。根据DL／T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的要求，当6.3 kV发电机系统的发电机接地故障电流大于4 A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，6.3 kV海缆线路贡献的电容电流达到6.2 A，中压设备（包括发电机）贡献的电容电流只有约3 A。因此，增加一台6.3／10.5 kV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3 A，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800 mm，而平台B的中压盘柜只有4面尺寸为800 mm的盘柜，分别为发电机的出口断路器、1台6 300 kVA

主变进线断路器和2台2 500 kVA主变进线断路器，其余盘柜均为600 mm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2 500 kVA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35 kV系统并网与通过6.3 kV系统并网的优缺点，最终确定通过中压6.3 kV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6.3 kV并网方案中存在的主要问题及其解决方法。通过中压6.3 kV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。