海上采油平台长线电缆过电压与谐波防护探索

齐健磊

（中海福陆重工有限公司，广东 珠海519055）

1 引言

在现代工业的生产发展过程中，为实现电机的高效率运行，人们通常选择PWM 变频器作为电机调速设备。变频器与电机间使用的引接电缆长度根据距离的长短进行划分，20m之内为近距离；20～100m 为中距离；超过100m 即为远距离。在使用过程中，电缆长度与漏电现象的产生呈现正相关的关系。在特殊工业生产领域内，不可避免地要使用长线电缆连接变频器和电机，比如，造纸生产、采矿、石油开采等领域内，因此，长线电缆的研究有助于保障生产连续运行，降低生产成本。

2 谐波危害

电网产生谐波会造成电网污染，导致输电系统、配电系统、用电系统出现诸多故障，同时增加电能损耗。随着工业经济的快速发展，很多非线性设备的投入使用导致大量谐波电流被注入电网，严重影响了电能的质量，威胁电网本身安全性能的同时也增加了电能损耗，导致企业很难在短时间内达到预期的发展目标。在实际生活中，谐波能够影响线路的稳定运行和电网质量，浪费电网容量，而且还会对电力设备造成一定的伤害[1]。谐波还会使变压器的铜耗增加，如电阻损耗、导体涡流损耗等，变压器的铁耗也会增大并存在明显噪声，在运行过程中甚至会发出金属的声音。在电缆的运行过程中，电缆的电阻、线路的感抗、系统串联等因素都会产生谐波。

3 海上采油平台长线电缆计算

3.1 模型分析

以QYEQX6 三芯乙丙橡胶绝缘潜油泵扁形电力电缆为主要的研究对象，其中，电缆参数如表1 所示。

表1 QYEQX6 三芯乙丙橡胶绝缘潜油泵扁形电力电缆结构参数

其中，输入电压为1kV，采用PSCAD/EMTDC 建立仿真系统模型，模型建设完成后，根据不同的情况进行仿真分析，针对电机、电缆接头端电压、电流等，仿真系统可以根据模型参数的需要而改变。在本次研究过程中，整个潜油电泵系统并没有安装滤波装置，实际调查数据显示，电缆接头为烧毁事故的常发地点，因此，可以初步判断长线电缆与引接电缆之间的特性抗阻存在差别，因此产生过电压[2]。

3.2 结果分析

分别调整变频器整流输入侧电压、驱动电机电压、电动机电压之后，计算出相关参数，如表2 所示。

表2 PWM 脉冲过电压计算涉及参数

基于上述参数，得出结算结果。在长线电缆和引接电缆的接头处，最大电压达到3 283V，潜油电机端的最大电压值为3 585V，逆变器的输出电压为1 450V。通过计算得出电缆接头位置和潜油电机端的过电压数值，二者之间的过电压倍数分别为2.26 倍、2.47 倍。

通过计算可知，在电缆接头位置和潜油电机端，两者的过电压位置处存在严重的谐波现象，具体参数如表3 所示。

表3 电缆接头处与潜油电机端的过电压谐波总畸变率

根据上述分析，得出电缆烧毁的主要原因：该潜油电泵系统在运行的过程中使用量电平变频器，而且在使用过程中没有安装任何滤波装置，导致变频器输出电压在长线电缆和引接电缆的接头位置出产生了超过2 倍以上的过电压，而且计算发现电缆的THD 均高于80%。因此，在实际运行过程中需要采取合理的措施保护电缆绝缘性能，特别是在石油等领域的开采工作中，电缆处于在海底高温环境中，甚至处于高压状态下，高温、高压、过电压、高频谐波等的长期作用会腐蚀电缆的绝缘性能，导致电缆的绝缘性能逐渐降低。尤其是长线电缆和引接电缆运行的过程中，长期的过电压和高频谐波的环境下会导致电缆接头位置的绝缘性能被快速损耗，很容易发生自爆现象，影响石油生产。

4 海上采油平台长线电缆过电压与谐波防护途径

4.1 变频器电路结构

用PWM 通用变频器、电压源型交-直-交变频器、二极管不可控三相桥式整流电路，2 个串联大容量电解电容、逆变器为IGBT 智能功率模块Intelligent Power Module、全数字控制方式；运用数字信号处理器——TMS320F2407 型微处理器。三相整流桥选择国产设备，耐压值为1 200V。直流环节使用4 个电解电容串并联，当变频器合闸后电容电流变大，会破坏三相整流桥的二极管，可以在直流环节当中串入限流电阻来保护整流桥。当电容两端的电压达到设定值后，闭合继电器，限流电阻被短路。配置快速熔断器是为了保护整流器和逆变器，一旦逆变器发生短路故障能够及时短路，PWM 选择三菱电机公司的智能功率。

4.2 变频器调制方法

SPWM 技术能够将电动机和逆变器作为一个统一的整体，使异步电机的输入量最大程度接近正弦波值，这样就可以让被控电动机获得恒定的幅值，形成圆形旋转磁场。在计算过程中，将PWM 逆变器修改成为SVPWM 元件，其他参数保持不变，将其进行对比，得出结论。对比二者的仿真结果，发现采用调制方式能够明显降低电缆中高次谐波的输出量，进而降低过电压的倍数，相对应提高了变频器输出电压的基波比例。

4.3 滤波装置

为抑制PWM 变频器通过长线电缆传输电流时产生的高频电压，建议选择使用变频器端输出端滤波器。对于设计好的低通滤波器，设定截止频率、滤波电感、滤波电容、阻尼电容，设计完毕之后得出仿真结果图，运用在试验中进行测试。测试结果显示电压值明显减弱，证明滤波器能够对系统电压起到抑制作用。

5 结语

本文中分析了长线电缆过电压产生的主要原因，对其进行了具体分析，并设计了滤波装置。在实际运用过程中，可以借助仿真和调试手段验证滤波器抑制过电压的方案，并且将其运用在实际工程中。