基于交流海底电缆的海上平台输电系统设计

文章编号：1〇〇1-450〇(2〇18)〇2-〇01〇-〇6

CHINA OFFSHORE PLATFORM

中国海洋平台

Vol. 33 No. 2

Apr.，2018

基于交流海底电缆的海上平台输电系统设计

平朝春

(中海

油研究总院，北京

100028)

摘要：针对交流海底电缆的特点，分析海底电缆海上输电系统的要点。以某海上油田交流海底电缆的 输电系统为例，介绍基于交流海缆输电系统的电压损失、功率损耗、空载线路末端电压抬升、无功补偿、系统接 地方式等设计分析方法和要点，总结分析35 电缆输电系统的设计提供参考。

关键词：海底电缆；海上平台；输电中图分类号：

kV海底电缆长距离输电系统的主要计算公式，为海上油气田海底

TM72

文献标识码

：A

Design of Electric Power Transmission System for Offshore Platform

Based on AC Submarine Cable

PING Chaochun

(CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China)

Abstract

：

The key point of electric power transmission system is analysied according to

AC the character of submarine cable. An offshore oil field electric power transmission system based on AC submarine cable is taken as an example, and the design method and key point of submarine cable system in the cases of voltage drop, power losses, voltage rise at the end of no load submarine cable, active power compensation, and system neutral earthing method are introduced. The main calculation formula of 35 kV submarine cable power transmission sys­tem is summaried, which provides reference for the design of electric power transmission sys­tem in offshore oil and gas field.

Key words

〇引言

：

submarine cable； offshore platform； electric power transmission

在海上油气开发设施中，规模较小的井口平台往往不设主发电机组，其主电源一般通过交流海底电缆引

自距离相对较近的中心平台或浮式生产储油卸油装置（Floating Production, Storage and Offloading, FP-

SO)。近几年来，随着海上油气田规模不断扩大，电力需求逐渐增长，越来越多的海洋油气开发工程设施通

过海底电缆进行供电及电力组网，因此海上油田输电系统中海底电缆的重要性日益凸显。

海底电缆的设计和选型是海上油气田开发工程电力系统设计的重要工作之一[1]。交流海底电缆特别是 深水动态海底电缆，要满足海洋环境条件下的运动响应和疲劳寿命，结构复杂。交流海底电缆具有较复杂的

收稿日期：2016-09-05

作者简介：平朝春（1983—），男，工程师，主要从事海洋石油工程电力系统相关技术研究与设计,

Email:pingchch@cnooc. com. cn

第2期

平朝春基于交流海底电缆的海上平台输电系统设计• 11 •

电气特性，如：分布电容较大，对地电容电流较大，会产生较大的无功充电功率，可能导致轻载时电缆末端电 压抬升。在通过交流海底电缆进行远距离输电时，海缆由于这些特殊性，会带来无功充电功率大，输电容量 受限，须进行一定的无功补偿，长距离交流海底电缆投切过程中还会面临过电压等问题[24]。图1为海底电

缆截面示例。

填充物 内护套 铠装层 外护套 光纤单元

导体导体屏蔽层

绝缘

填充物内护套铠装层外护套配重单元光纤单元

XLPEPE

a)

静态海底电缆截面图

图1

绝缘屏蔽层阻水层层

导体

导体屏蔽层

绝缘 绝缘屏蔽层

XLPE

PE

阻水层 层

b)动态海底电缆截面图

海底电缆截面示例

本文针对交流海底电缆的特点，以某海上油气田基于交流海底电缆的输电系统为例，对基于交流海底电 缆的海上平台供电系统设计进行分析和探讨，为海上油气田交流海底电缆输电系统设计提供参考。该油气 田井口平台A不设主发电机组，由距离其约40 km的FPSO通过交流海底电缆为其供电，用电负荷为 13 MW0

1海底电缆输电损耗分析

1.1海底电缆模型

海缆线路的电阻、电感、电容等电气参数都是沿线路均匀分布的，所以严格来说，输电线路的等值电路应 是均勻的分布参数等值电路。为简化分析，一般采用集中等效电路模型，如图2所示。

〇R

—

C

L

T ---0

R L

O

C

—

r

%

〇b)简化集中等效电路

0-a) 7C形集中等效电路

图2

-0

海底电缆集中等效电路模型

海底电缆线路的阻抗为

Z =

尺十只‘一^) (1)

式（1)中：i?为线路电阻参数;L为线路电感参数;C为线路电容参数;co为系统角频率。

如为井口平台A供电的海底电缆，根据用电负荷和供电距离，初步判断应选用35 kV及以上的海底电 缆。负载功率因数为〇. 85,则负载电流为252. 3 A，根据海底电缆供货商提供的载流量参数，应选用导体截 面为95 mm2及以上的三芯海底电缆。表1为根据海缆厂家提供参数，估算35 kV海底电缆的相关阻抗参 数（阻抗参数距离按40 km计算）。

由表1可以看出：一般对于海底电缆，可以忽略线路电感的影响，呈现较大的电容特性。

• 12 •

表1

标称截面/

2

中国海洋平台

海底电缆阻抗参数计算结果对比电感/ • -1)

载流量空气中298339380428493551623

第33卷第2期

mm

95120150185240300400

ACC(/xFkm

(O • km-1)

0. 246 00. 196 00. 159 00. 127 00.097 60.077 80.061 4

0. 1460. 1560. 1660. 1780. 1930. 2090. 234

导体电阻

90°/

电容/ • -1)

/A

线路电阻/〇

土壤中271305339378430477529

19.813.79.87.86.45. 13. 9

545. 3510.4479. 47. 3412.5380. 9340. 2

5.85. 65.45.25.04.84.7

线路容抗/〇

线路感抗

(mHkm

0. 4610. 4450.4310.4150. 3990. 3850. 374

/n

1.2电压损失分析

根据上述海缆线路集中参数模型，得到输电线路负载运行时电压电流的向量图如图3所示。

在一般情况下，海底电缆首末端电压之间的相角差S很小，可以近似认为海缆的电压损失等于电压降落

的纵分量AD。根据向量图几何关系，可得海底电缆电压损失为

AU = V3\"X I X (Rcos + Xsin AU = PXR + QXX x z

9

(2)(3)

式（2)和(3)中：J为线路电流;X为线路电抗;p为相角“为线路长度;P为有功功率;Q为无功功率;(7为系统 电压；•？、0、[/均为同一端的值。

在实际设计中，可以利用负载电流或负载的有功无功进行电压损失计算。针对本文研究的案例进行计 算分析，结果见表2。

表2

标称截面/

95120150185240300400

不同截面海底电缆电压损失计算结果对比

电压损失

mm2/V

损失占比/%

14.211. 910.38.87.46.45.6

4 968.094 178.953 588.743 067.032 583.952 249.281 973.80

第2期平朝春基于交流海底电缆的海上平台输电系统设计• 13 •

根据国际电工技术委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)和其他一■些国家的标准和 规范的要求：电力输电线路的电压降不能超过额定电压的6%，大于6%就应该增加电缆截面，或者提高海底 电缆输电线路的电压等级[1]。根据电压降计算结果，在不提高电压等级的情况下应选用导体截面为

400 mm2的海底电缆。在实际工程中，考虑电源侧及负荷侧均可采用有载调压变压器，如果负荷侧没有 35 kV用电设备，则可以根据实际工程经济性要求，选择更小截面导体的海缆，通过有载调压变压器适当的 电压调整作用，满足末端用电设备的供电电能质量。1.3功率损耗分析

当输电系统运行时，在海底电缆内会产生有功功率损耗和无功功率损耗。有功损耗与海缆输电线路的 电阻参数和输电功率、负载功率因数有关。海底电缆的有功损耗为

AP

FI+QI

m

XRXI

Pl+QlXRXI

ct/i - At/)2

(4)

式(4)中：P2为负载端有功功率;Q2为负载端无功功率为负载端电压为线路首端电压“为电缆长 度。

海底电缆的无功损耗由2部分组成，一部分是由线路阻抗产生的无功损耗，另一部分是由于海缆呈现的 电容特性，即发出的无功，是负的无功损耗。在已知海底电缆电感、电容参数时海底电缆无功损耗，的计算公 式为

线路电抗产生的无功损耗为

AF

Pl+aX〇)L \\ Iu\\ PI+C&\\c〇cu, - AuyL \\ I

4 500 4 000 3 500

■容性无功功率 口有功损耗

(5)

线路电容发出的无功功率为

AQ = U2 X ojC X I

(6)

由于海缆呈现电容特性，所以无功损耗总体上为 容性无功。针对本文研究的案例进行计算分析，不同

导体截面的35 kV海底电缆有功损耗和充电功率如图 4所示。

由图4可以看出：同等的输电距离和用电负荷，导 体截面越大，有功损耗越低，海底电缆发出的容性无功 功率越大。

！

'

吞吞 迪

3 000 2 500

g

2000 1 500

斑

空载末端电压抬升

当海底电缆线路末端空载时，由于阻抗呈现电容 效应，不仅使线路末端电压高于首端，而且使线路首、末端电压高于电源电动势。空载长线路的电容效应引 起工频电压升高，当接近或超过系统运行最高电压时，

图4 40

1 000

500

0i

95120 150 185 240 300 400 500

海底电缆导体栽面/

Mli

mm2

km不同导体截面35 kV海缆有功损耗与无功功率

长时间运行会导致海缆寿命降低，对绝缘产生不利影响。输电系统的变配电设备及二次保护还可能因高压 窜人造成保护失灵和设备损坏，甚至造成电网或设备的重大事故。根据图2的集中参数模型，可得

u2

2 2 )以35 kV、400 mm2的海底电缆为例，其末端电压 与距离的关系如图5所示。

由图5可以看出：当海底电缆长度超过70 km时，

图5

U,c〇2LC X l2

(c〇RC X l2

(7)

100

不同距离35

200 海缆长度

300400500

/km

kV、400 mm2海缆末端电压抬升比例

• 14 •中国海洋平台第33卷第2期

空载线路末端电压抬升明显增加。目前，国内海上油田工程设施之间的海底电缆尚未超过70 km,此类问题 尚未凸显。但随着未来远距离供电需求的增多，必须关注末端电压抬升问题。

3海底电缆输电系统的无功补偿

从1. 3节的分析可以看出：海缆输电线路本身呈现容性的特点，运行时电缆本身以发出无功为主。远距

离交流海缆输电系统中，在负载功率因数较高或轻载情况下，海缆电容的充电电流将降低芯线的输电能力， 同时过大的充电功率也将造成无功倒送和电缆末端电压升高。对电源端的影响则是容易导致功率因数超 前，引起电源端海上平台发电机组的进相运行，威胁海上油气田电力系统的安全稳定运行。

由于海上油田开发工程设施的特殊性，海底电缆无法实现沿线补偿，只能在线路两端进行集中补偿。一 般采取在两端设置电抗器补偿海缆的容性无功，以保证海缆的无功平衡，尽量减少通过线路传输的无功功 率[6] 〇

在长距离海缆输电系统中，由于海缆的压降较大，为保证用电端在负荷较高时的供电电压水平，还会在 用电端设置电容补偿，以提高用电端的电压水平。为满足系统负荷的动态变化，一般采用分组投切的电容器 和电抗器，在满足经济性条件下，可选择采用SVCXStatic Var Compensator)或SVG(Static Var Generator)。 电抗器的补偿容量的范围[7]—般为

(8)式(8)中：Qx为补偿电抗器容量;QH为海底电缆线路发出的无功功率（即海缆容性无功绝对值减去感性无功 绝对值）；Qdmax为负载最大无功功率。

对于本文研究的案例，针对40 km、35 kV、400 mm2的海底电缆，其电抗器的最大容量约为2. 5 MV。 对于负载运行时，负载端感性无功功率较大时，可以逐步切除补偿电抗器。在空载合闸及运行期间，应投人 全部电抗器，以补偿海底电缆的无功充电功率。

对于末端为提高负载运行时系统电压而设置的补偿电容容量，根据式（3)推导，可得

Qc =-----------------------------------------------------------+ Qd 式（9)中：Qc为补偿电容容量；Qd为负载无功功率。

对于本文研究的案例，海缆线路不同电压损失要求的无功补偿容量见表3。

表3

不同电压损失要求所需的补偿容霣

补偿容量/

0.02.44.87.29.8

60

70

.负荷率与补偿容量关系

80

负荷率/%

90

100

Qh _ Qdmax ^ Qx ^ Qh

^ P \\ R \\ I

AU\" —

U-i X AU , ^

'n、

(9)电压损失/%

65432

MVar

8.

7.6.5.4.3.2.1

假如线路电压损失要求为3%，针对40 km、35 kV、 400 mm2海底电缆，用电端负荷率与无功补偿容量关系如 图6所示。

图6

线路电压损失要求为3%时不同

负荷率的补偿容量

由图6可以看出：当线路电压损失要求为3%时，用电负荷率超过50%即须进行电容无功补偿，且不同 负荷率下补偿容量差别较大，需要根据负载的变化进行补偿电容的分组投切或动态补偿。

4海底电缆输电系统的接地

根据最新颁布的国标GB 500—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》，6〜35 kV

主要由电缆线路构成的配电系统，当单相接地故障电容电流较大时，可采用中性点低电阻接地的方式[8]。海

第2期

平朝春基于交流海底电缆的海上平台输电系统设计• 15 •

缆输电线路单相接地故障电容电流可用经验公式进行估算：

Ic = 0. lL7e X

l

(10)

式（10)中：Jc为单相接地故障电容电流;R为线路额定电压。

在已知海缆电容参数时，海缆输电线路单相接地故障电容电流为

2个公式计算得到的35 kV、不同截面海缆(40 km)、单相接地故障电流的结果与相同截面、不同长度海

缆的计算结果对比见表4。

表4

标称截面/ mm2

95120150185240300400

不同导体截面40

Ic = V3C[/e X l

(ID

km海缆单相接地故障电流A

式（10)140. 0140. 0140. 0140. 0140.0140.0140.0

式

（id

102. 0111.2118.8127.2146. 9159. 1178.2

表5为35 kV、400 mm2海底电缆不同距离单相接地故障电流。

表5 35

距离

kV、400 mm2海底电缆不同距离单相接地故障电流

式（10)17.535.052.570.087.5105.0122.5140.0

式（11)22.344.566.8.1111.4133. 6155.9178.2

A

/km

510152025303540

由表5可以看出：由于不同截面海缆的电容参数不同，式（10)估算的结果不够准确，而且一般海缆厂家 都能够提供电容参数，因此在设计中推荐使用式（11)进行计算。

不同截面和电压等级的海缆，单相接地故障电容电流达到10 A的临界距离（即不能采用中性点不接地 方式的临界距离）见表6。

表6

标称截面/

507095120150185240300400

不同截面和电压等效海缆单相接地故障电容电流达到10

mm2

电压10

8. 67. 66. 96.45. 95.44. 94. 53. 9

kV

A的临界距离

电压20 kV

6.45.75.34. 94. .23. 93. 63.2

km

电压35

4.33. 93.63.43.13.02.72.52.2

kV

由表6可以看出：由于海缆输电系统距离一般较长，单相接地故障电容电流往往大于10 A，因此采用中 性点不接地的系统极少，一般在与海缆连接的变压器高压侧通过中性点经电阻或消弧线圈接地。

当采用消弧线圈接地，发生单相短路故障时，流过接地点的电流较小，可带故障运行一段时间，可以减少

(下转第29页）

第2期

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赵雪峰，等基于主动加热测温的分布式光纤传感技术在海底管道冲刷悬空监测中的应用• 29 •

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(上接第15页）

停电事故，但不便于故障的查找，也难以实现继电保护的选择性。由于这种电力网的最大长期工作电压和过 电压水平均较高，系统设备的绝缘等级宜按照中性点不接地系统的绝缘水平设计，因而绝缘成本较高。消弧 线圈的容量与电网阻抗参数密切相关，因此扩展性一般。

对于中性点经电阻接地的方式，单相接地故障时，较大的接地电流使保护装置动作，切断电源。这种接 地方式常用于电容电流较大的系统，对改造原有保护装置的费用较小，周期较短，扩展性好。发生单相接地 故障时，须切除故障，造成供电中断。

国内海上油田开发工程中，消弧线圈接地和电阻接地2种方式均有。近几年有不少老油田改造、调整， 以及新油田的区域分步开发，对海上电网的可扩展性要求越来越高，因此越来越多的海底电缆输电系统采用 中性点经电阻接地方式。

5结论

(1)

对于海底电缆输电系统，一般可以忽略线路电感的影响，呈现较大的电容特性；导体截面越大，输电

，一

距离越长，其容性特征越突出。

(2) 对35 kV海底电缆输电系统

(3) (4)

般距离不超过70 km，空载末端电压抬升问题不突出。

，一

根据海上远距离输电的无功特点般在线路两端设置分组投切电抗器或电容器的无功补偿方式。

对本文所分析的案例，当线路电压损失要求为3%时，用电负荷超过预期负荷50%时即须进行电容无功补偿。

对于海上油气田35 kV海底电缆输电系统，从易于扩展、调整和区域分布开发角度，建议选用中性

点经电阻接地方式。

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