海上大型電站電氣設(shè)計(jì)中短路電流限制措施

孔凡旭，郝 明，邵朋悅，唐 怡

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海上大型電站電氣設(shè)計(jì)中短路電流限制措施

孔凡旭，郝 明，邵朋悅，唐 怡

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

隨著海上油氣田電站容量都越來(lái)越大，常規(guī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法已不再適用于大型電站設(shè)計(jì)，針對(duì)海上大型電站設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)出口短路電流過(guò)大問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，并提出了幾種降低發(fā)電機(jī)出后短路電流的系統(tǒng)主接線結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比說(shuō)明，對(duì)海上大型電站設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

海洋平臺(tái) 大型電站 短路電流 直流分量

0 引言

海洋石油工業(yè)發(fā)展的初期，海上油氣田的規(guī)模普遍較小，通常只有一個(gè)綜合平臺(tái)或者由一個(gè)綜合平臺(tái)與一兩個(gè)井口平臺(tái)組成的平臺(tái)群，因此電力系統(tǒng)的規(guī)模都比較小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，電站一般只有一兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量通常不超過(guò)1000kW，電壓等級(jí)一般為交流400V。隨著海上油氣田規(guī)模逐步增大，海洋平臺(tái)的單臺(tái)發(fā)電機(jī)組容量、電站容量都越來(lái)越大，如SZ36-1油田最大單體電站容量已高達(dá)63MW，單機(jī)容量超過(guò)10MW；BZ28/34油田單體電站達(dá)75MW，單機(jī)容量達(dá)到25 MW；國(guó)外海上油氣田甚至有100 MW以上的單體電站設(shè)計(jì)，已經(jīng)達(dá)到陸上一個(gè)中小型火力發(fā)電廠的裝機(jī)容量，同時(shí)電壓等級(jí)也發(fā)展到6.3 kV、10.5 kV，輸電電壓也較多的采用了35 kV。

隨著電站容量的逐步增加，常規(guī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法不再適用于大功率電站設(shè)計(jì)，尋找新的適合于海洋平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法已成為迫切的需求。

1 海上油氣田電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

早期的海上油氣田電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)源自船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，是一個(gè)典型的孤島系統(tǒng)，但隨著海洋油氣田規(guī)模的增大，海上平臺(tái)電力系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，系統(tǒng)之間的互聯(lián)越來(lái)越多，與船舶電力系統(tǒng)的差異越來(lái)越大，但與陸地龐大的互聯(lián)電力系統(tǒng)相比也有著很大的差異：

1）電站裝機(jī)容量差異大，陸用電廠一般裝機(jī)容量達(dá)幾百兆瓦甚至上千兆瓦，除大型工程船舶外，一般的船舶電站裝機(jī)容量為幾個(gè)MW，而海洋平臺(tái)電站裝機(jī)容量一般從幾MW 到幾十MW 左右不等。

2）電網(wǎng)輸配電方式不同，陸地電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、用電地域上相互獨(dú)立，各成系統(tǒng)，分別采用不同的電壓等級(jí)，輸電距離長(zhǎng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；船舶電站一般采用發(fā)電機(jī)電壓直配線，負(fù)荷比較集中，一般沒(méi)有輸電環(huán)節(jié)；海洋平臺(tái)電網(wǎng)類似船舶電網(wǎng)，但海洋平臺(tái)電站除供本平臺(tái)用電外，通常還需為附近井口平臺(tái)供電，采用發(fā)電機(jī)電壓直配線或升高電壓輸電，輸電網(wǎng)絡(luò)一般是輻射性網(wǎng)絡(luò)，采用海底電纜送電。

2 大型海上電站設(shè)計(jì)中短路電流問(wèn)題

電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，短路電流中包含交流分量和直流分量?jī)刹糠?，?dāng)斷路器開(kāi)斷短路電流時(shí)，直流分量對(duì)斷路器工作條件的影響不容忽視，直流分量的時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)，短路電流大半波峰值越大，滅弧過(guò)程中電弧釋放的能量也增大，這樣會(huì)加重?cái)嗦菲鏖_(kāi)斷的負(fù)擔(dān); 同時(shí)，若斷路器開(kāi)斷時(shí)直流分量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)，即使開(kāi)斷的電流幅值較小，內(nèi)燃弧時(shí)間也超過(guò)了斷路器的行程時(shí)間，無(wú)法正常吹滅電弧，導(dǎo)致觸頭燒壞或發(fā)生重燃，開(kāi)斷失敗[1,2]。

斷路器需開(kāi)斷的短路電流是周期分量和直流

分量的疊加，其可能的最大有效值為[2]：

式中：I為開(kāi)斷時(shí)刻的短路電流周期分量；I為開(kāi)斷時(shí)刻的短路電流直流分量；為次暫態(tài)電流；為開(kāi)斷時(shí)刻直流分量相對(duì)于直流分量初始值的衰減系數(shù)；為短路開(kāi)斷時(shí)刻(短路時(shí))；T為直流分量衰減的時(shí)間常數(shù)。

由式(1)(2)可知，短路電流直流分量的衰減速度或時(shí)間常數(shù)關(guān)系到斷路器需開(kāi)斷電流的大小，直流分量衰減越慢，斷路器需開(kāi)斷的短路電流越大；同時(shí)，斷路器需開(kāi)斷的電流也與短路被開(kāi)斷時(shí)刻有關(guān)，短路被開(kāi)斷得越快，斷路器需開(kāi)斷的電流越大[2]。

根據(jù)GB 1984《高壓交流斷路器》規(guī)定：直流分量衰減的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)為45 ms，特殊工況下的直流分量衰減時(shí)間常數(shù)為120、75、60ms；在陸地大型電網(wǎng)中，從發(fā)電廠到最終用戶，往往經(jīng)過(guò)多級(jí)變壓器及長(zhǎng)距離線路，直流分量的時(shí)間常數(shù)通常不超過(guò)45 ms，普通真空斷路器滿足絕大部分應(yīng)用需求。但由于海上平臺(tái)通常都是發(fā)電機(jī)電壓直配電，而發(fā)電機(jī)本身電感與電阻之比較大，短路電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)大，造成發(fā)電機(jī)出口母線短路電流的直流分量含量增高，如表1所示。

目前普通真空斷路器的最大短路電流直流分量分?jǐn)嗄芰νǔＴ?0～30kA，可見(jiàn)目前海上電站的短路電流直流分量已經(jīng)接近或超過(guò)現(xiàn)有普通真空斷路器的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

3 大型海上電站設(shè)計(jì)中短路電流限制措施

1）合理選擇發(fā)電機(jī)短路電流直流分量衰減時(shí)間常數(shù)T 。

但T 只與發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與短路的外界條件無(wú)關(guān)，實(shí)際工程中往往難以對(duì)主機(jī)廠進(jìn)行有效控制。

2）采用發(fā)電機(jī)出口專用斷路器

發(fā)電機(jī)出口專用斷路器具有較強(qiáng)的短路電流直流分量開(kāi)斷能力，但由于海上平臺(tái)電力系統(tǒng)普遍采用發(fā)電機(jī)電壓直配線供電，與發(fā)電機(jī)出口母排直接相連的斷路器數(shù)量較多，采用發(fā)電機(jī)出口專用斷路器數(shù)量多、成本高、占地面積大，經(jīng)濟(jì)型一般較差。該方式在海上電站設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。

3）采用限流電抗器。

限流電抗器制造技術(shù)成熟，對(duì)短路電流限制效果明顯，但運(yùn)行損耗大、壓降大，還會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在海上平臺(tái)電站設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。

4）采用快速限流裝置

快速限流器（FCL）是一種串聯(lián)于電氣回路中、可對(duì)故障電流包括其第一周波峰值進(jìn)行有效限制的阻抗變換器件或具有限流功能的快速開(kāi)斷設(shè)備，動(dòng)作時(shí)間一般低于10ms。使用快速限流設(shè)備可按照系統(tǒng)設(shè)定降低系統(tǒng)短路電流的幅值，且可在很大范圍內(nèi)自由設(shè)定所限制短路電流的幅值，配合系統(tǒng)的整定。由于其具有分?jǐn)囔`敏，動(dòng)作迅速、故障率低、體積小、重量輕等特點(diǎn)，其大大減少了設(shè)備成本投入，減小設(shè)備占用空間。常用設(shè)計(jì)方案如圖1。

5）采用發(fā)電機(jī)-變壓器組

發(fā)電機(jī)變壓器組單元接線是發(fā)電機(jī)直接(或經(jīng)一臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)、或經(jīng)一臺(tái)斷路器及相應(yīng)的隔離開(kāi)關(guān))與變壓器連接成一個(gè)單元,將電能送入高一級(jí)電壓電網(wǎng)的接線方式。采用該接線方式可顯著降低發(fā)電機(jī)出口短路電流水平，并且個(gè)發(fā)電機(jī)組相互獨(dú)立，單臺(tái)機(jī)組故障對(duì)系統(tǒng)的影響較小。典型的接線方式如圖2所示。該方式需增加大型變壓器，且不可使用發(fā)電機(jī)電壓直配線供電，提高配電電壓等級(jí)，進(jìn)而增加平臺(tái)面積，增加項(xiàng)目總投資，并且使繼電保護(hù)復(fù)雜化。

6）采用“一廠兩站”接線方式

所謂“一廠兩站”，是指將一個(gè)電站的發(fā)電機(jī)組及配電裝置分為兩組, 在電氣上完全分開(kāi), 經(jīng)更高一級(jí)的電壓聯(lián)接成一個(gè)系統(tǒng)。這對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立的電站，他們之間的電氣距離等于由升壓變壓器到并列運(yùn)行的高壓母線的電纜之和，這樣可限制發(fā)電機(jī)母線過(guò)大的短路電流。

海上大型電站通常擔(dān)任著為附近井口平臺(tái)供電的任務(wù)，電站所在平臺(tái)用電往往只占電站裝機(jī)容量的很少一部分，當(dāng)采用更高一級(jí)的電壓輸電時(shí)，可采用此方案，并且所有發(fā)電機(jī)位于同一平臺(tái)，便于統(tǒng)一管理及維護(hù)。典型的“一廠兩站”接線方式如圖3所示。

7）“異地設(shè)站，遠(yuǎn)程互聯(lián)”方式

對(duì)于有兩個(gè)中心平臺(tái)的海上油（氣）田群，可分別在兩個(gè)中心平臺(tái)設(shè)置主電站，通過(guò)海底電纜連接成一個(gè)系統(tǒng)，利用海底電纜的阻抗降低發(fā)電機(jī)母線的短路電流。典型的接線方式如圖4所示。表2列出了一些典型海上大型電站采用的設(shè)計(jì)方案，從中可以看出各電站均采用了不同的限制短路電流措施，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目總體開(kāi)發(fā)方案和項(xiàng)目特點(diǎn)采用適合的方案。

4 結(jié)語(yǔ)

增大電站裝機(jī)容量、在海上油氣田開(kāi)發(fā)中設(shè)置大型電站是目前解決海上油氣田電力負(fù)荷日益增大問(wèn)題的主要措施之一，本文針對(duì)海上大型電站設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的短路電流過(guò)大問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，指出工程設(shè)計(jì)中對(duì)短路電流直流分量應(yīng)給予足夠重視，提出了幾種減少系統(tǒng)短路電流的主接線方案，給出各方案的適用范圍，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比說(shuō)明了其有效性。

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方向：海洋工程電氣設(shè)計(jì)與研究。

Practice to Reducing Short Circuit Current for Large Power Station in Offshore Platform

Kong Fanxu，Hao Ming, Shao Pengyue, Tang Yi

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd. ,Tianjin300451, China)

TM71

A

1003-4862（2016）09-0061-04

2016-05-15

孔凡旭（1984-），男，碩士，工程師。研究