论文广场
石油和化工设备2018年第21卷
基于ETAP软件的海洋石油平台谐波分析
李童
（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东 青岛 266520）
[摘 要] 本文结合海洋石油电气系统的特点讨论了治理谐波的方法。ETAP软件广泛应用于电气行业，应用ETAP软件分析谐波具有快捷、方便等特点，其结果可为电气设备选型提供依据。本文首先介绍了电力系统分析软件ETAP的功能特点，结合海洋石油平台项目的实例，分析计算谐波畸变度，选择了滤波方案，验证滤波效果。[关键词] ETAP软件；谐波分析；电力系统；石油平台
近几年，电力系统仿真软件在工程项目中得到广泛应用。运用软件对系统建模、潮流分析、三相和单相短路计算、暂态稳态分析、大功率电机启动电压降计算、谐波分析等均为可靠的方法。软件计算周期短、效率高、投入小，可降低项目成本。在海洋石油平台中变频器普遍使用晶闸管或整流二极管等非线性整流电子器件，向电网中注入了大量谐波，对电气、仪表及通讯系统设备产生了影响。因此，分析谐波并选择滤波手段是十分必要的。
本文介绍ETAP软件的主要功能和海洋石油平台主要谐波问题及影响，结合海洋石油平台项目实例，进行电力系统谐波分析，总结出滤波方案并计算。1 ETAP软件介绍
ETAP软件是美国OTI公司1996年推出的具有强大功能的电力分析软件，能为发输电、供配电和系统分析模拟提供方案。经过多年发展，ETAP具备潮流分析、短路计算、保护整定、暂态稳态分析、电机启动电压降分析、接地网设计及谐波分析等功能，为电气系统计算提供方便。ETAP提供易操作界面，能够快捷地对电力系统搭建模型，完成建立单线图、继保图等。ETAP软件同时具备虚拟操作的功能，使用ETAP软件仿真分析系统时，设置模块参数，便可得到分析结果，其结果可以直接显示图形和报告形式。ETAP对电源、电网、用电设备建模；建模所用的各类电气元器件采用IEC或IEEE标准。ETAP强大的设计和计算分析功能、丰富的系统模型广泛应用于电力行业中，技术人员进行分析电力系统普遍使用该软件[1]。
首先根据技术要求进行前期设计，选择设备型号、选择配电方案、设置电机启动方式及继电保护等。在施工前，利用ETAP检验设计的合理性，有效地降低项目成本[2]。2 海洋石油平台的谐波
2.1 谐波对海洋石油平台系统的危害
(1)使电网电压产生畸变，尖峰电压对电气设备造成损坏，甚至导致击穿引起燃爆。
(2)对海洋石油平台电机的工作效率和使用寿命产生不良影响。
(3)谐波电流环流影响变压器，使绕组过热，增加变压器损耗。
(4)由于集肤效应的作用，谐波电流影响输电线路。海上平台的电力电缆对地电容大，感抗小，易发生谐波谐振，进而绝缘击穿。
(5)当产生高次谐波电流时，会干扰通讯线路，甚至线路中断[3]。2.2 谐波标准
为减少以上风险，GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中做了以下规定，如表1所示。
表1 公用电网谐波限制表
电网标称电压（kV）0.386/10
电压总谐波畸变率（%）
5.04
各次谐波电压含有率（%）
奇次4.03.2
偶次2.01.6
电气工程师。在海洋石油工程（青岛）有限公司主要从事海洋石油工程电气技术方面研究工作。
作者简介：李童（1982—），男，辽宁沈阳人，本科学历，中级
第10期 李童 基于ETAP软件的海洋石油平台谐波分析
3566110
332.0
2.42.41.6
1.21.20.8
- 17 -
表2 注入公共连接点的谐波电流允许值
标准电压（kV）0.386/1035
基准短路容量（MVA）
10100250
2784315
3623412
439217.7
5623412
626145.1
谐波次数及谐波电流允许值 （A）
744248.8
819113.8
921114.1
10168.53.1
1128165.6
12137.12.6
1324134.7
14116.12.2
15126.82.5
169.75.31.9
2.3 谐波治理方法
(1)尽量增加换流装置脉冲次数，减少谐波电流。(2)使用隔离变压器为非线性设备集中供电。(3)三相整流变压器采用Y，d或D，y接线。
(4)采用滤波器。(5)把谐波源设备接入高电压电网中。3 工程实例谐波分析3.1 工程概述
本实例以渤海某油田项目为例说明海洋平台谐波治理解决方案。WHPB平台不设主电站，其用电来自中心平台。该油田的电气系统局部单线图如图1所示。
图1 WHPB电力系统局部单线图
WHPB平台配有两台6.3/0.4kV变压器，分别为电潜泵提供电力，每台变压器所带的最大计算负荷如表3所示，其中电潜泵的变频器容量分别为160kW和250kW两种。
表3 海洋石油平台用电负荷统计表
0.4kV母线段
电潜泵电潜泵1-3号
LA1
电潜泵4-6号电潜泵7-8号
LA2
电潜泵9-14号电潜泵15-16号
设备容量（kW）
100110180110180
变频器容量（kW）
160160250160250
1059712
工艺、公用低压负荷
（kW）
根据谐波标准IEEE 519，谐波电流含量标准如表4所示[1]。
- 18 -
论文广场
表4 IEEE519关于谐波电流畸变值的限制规定
一般配电系统（120V-69kV）电流畸变限值（奇次谐波限值）
ISC/ILK<20
h<114.07.010.012.015.0
11≤h<172.03.54.55.57.0
17≤h<231.52.54.05.06.0
23≤h<350.61.01.52.02.5
35≤h0.30.50.71.01.4
石油和化工设备2018年第21卷
THD5.08.012.015.020.0
20≤K<5050≤K<100100≤K<10001000≤K
海洋平台的电气系统属微电网。基波电流 (1)谐波电流 (2)3.2 谐波分析计算
使用ETAP“谐波潮流计算”程序，能够计算谐波电压畸变度及谐波电流。由此可得变频器产生了谐波电流，恶化了电源质量。WHPB平台0.4kV母线电压畸变结果以及0.4kV母线LA1、LA2的谐波电流结果分别见表5、表6。
表5 谐波电压畸变度
母线LA1LA2
次数合计515.3115.41
710.1710.35
115.075.29
131.862.09
171.792.06
191.621.73
231.862.6
251.591.71
291.611.73
311.391.45
351.361.27
371.241.20
畸变度19.71畸变度20.02
表6 变压器二次侧谐波电流
电流LA1 LA2
次数IH(A)IH(A)
合计578574
5523519
7221215
119175
137167
176163
194143
233335
252326
292021
311516
351313
371211
利用ETAP搭建电气模型，设置参数并进行谐波分析，结果表明母排LA1段、LA2段的电压、电流谐波畸变度不满足IEEE519和GB/T 14549。
3.3 滤波器方案选择
由分析结果可知，其中5、7、11次谐波畸变较严重，应采用必要措施进行滤波处理。一般运用点对点滤波方式减小影响，提升电气系统可靠性。首先确定滤波位置，滤波器可安装在母排处，并在房间内放置。海上石油平台中针对电潜泵谐波抑制通常采用“变频器加无源滤波器”方案。
无源滤波器由电容、电抗和电阻串联而成。滤波器并联接入电网，其系统图如图2所示。每台变频器配置了相应容量的前置无源滤波器。无源滤波器具有结构简单，成本低，运行可靠，维护便捷的特点。单调谐滤波器、双调谐滤波
器、高通滤波器都属于无源滤波器。ETAP软件可计算调谐滤波器容量，匹配适合的滤波器[4]。
图2 电潜泵无源滤波方式
李童 基于ETAP软件的海洋石油平台谐波分析第10期
- 19 -
经过ETAP软件设置滤波器后，其结果满足IEEE 519和GB/T 14549的限制值[5]。
表7 谐波电压畸变度
母线
次数
合计2.412.38
50.560.57
70.090.08
110.020.02
130.750.74
171.071.05
190.950.94
230.730.72
250.780.77
290.580.57
310.570.56
350.490.48
370.450.44
LA1 畸变度LA2 畸变度
表8 变压器二次侧谐波电流
电流LA1 LA2
次数IH(A)IH(A)
合计2827.5
52625.5
71312
1176.5
1365.8
175.55.5
195.15.2
234.95
254.74.8
294.64.6
314.44.4
354.34.3
374.14.1
对图3和图4进行比较，可得知滤波后更接近
于理论波形，由此可见，无源滤波器可有效消除海洋石油平台谐波。
图4 滤波器后电压波形图
图3 滤波器前电压波形图
4 结论
ETAP软件作为一款实用的电力系统仿真分析软件，在谐波分析方面可用于谐波源接入系统时的谐波状况评估、谐波治理设计以及系统设备容量变化对谐波的影响等方面的研究。ETAP软件具有滤波器设计、容量估算、单调谐、双调谐、高通滤波器模型等功能，海洋石油平台常用的变频器都能够找到相应模型，利用软件进行计算分析快捷便利。本文对ETAP谐波分析软件的探讨对电气工作解决谐波污染具有一定参考价值。
◆参考文献
[1] IEEE519IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems[S].[2] ETAP User Guide 5.5.0 [M].Irvine:OTI,2006.
[3] 徐建东，郝明. 海洋石油平台谐波及其抑制[J].中国造船，2010，51（增刊1）：163-168.
[4] 蔡江. 电力系统中的谐波污染与防治[J].油气田地面工程，2004，23(5)：39.
[5] 于永源，杨绮雯. 电力系统分析[M].北京：中国电力出版社，2004.
收稿日期：2018-07-24；修回日期：2018-08-21
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容