海洋工程項目電氣系統(tǒng)短路電流計算分析

盧雪松

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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海洋工程項目電氣系統(tǒng)短路電流計算分析

盧雪松

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

為保證海洋平臺重要電氣設施能夠承受短路沖擊，確保海洋平臺的安全生產(chǎn)，以基礎研究為主，建立海洋石油平臺電力系統(tǒng)數(shù)學模型，論述海洋平臺短路電流計算方法，在EDSA軟件里對短路電流計算校核，發(fā)現(xiàn)所采用的忽略計算可以滿足電氣設備選型及保護要求。其理論分析可為海洋石油工程設計人員提供參考。

電力系統(tǒng)；短路電流計算； EDSA軟件

0 引言

從海洋平臺電力系統(tǒng)的實際運行情況看，大多數(shù)故障是由于短路所引起的，短路電流產(chǎn)生的熱量和機械應力可能會造成電氣設備的損壞，引發(fā)火災，中斷海洋石油平臺的生產(chǎn)工作，危及財產(chǎn)和人身安全。為確保海上油氣田的正常生產(chǎn)和生活，設計人員需要對電力系統(tǒng)的短路故障有深刻的認識，在海洋工程電力系統(tǒng)設計中，各項參數(shù)基本確定以后，必須對電力系統(tǒng)中各點的短路電流進行計算和核實，用于校核所選電氣設備的熱穩(wěn)定性和電動力穩(wěn)定性，所選用保護電器的短路接通能力和短路分斷能力，并為電力系統(tǒng)保護設計提供必要的數(shù)據(jù)。目前各船級社要求提交送審的圖紙和資料中都有短路電流計算書[1]。

1 海洋工程短路電流計算方法和步驟

1.1 計算方法

目前，電力系統(tǒng)短路電流的計算方法很多，如國際電工委員會制定的IEC 61363計算方法，國家標準(GB 3321)短路電流計算方法和國家軍用標準(GJB 173)短路電流計算方法等。這些方法都離不開電機的基本理論，理論計算精度和運算的難易程度不同。

國家標準(GB 3321)短路電流計算方法以IEC 61363法為基礎，二者的相同之處是：(1) 計算短路后1/2周期發(fā)電機短路電流時，均考慮了交流分量的衰減，即計及時間常數(shù)的影響；(2) 在計算饋電線端短路時，均考慮了線路阻抗對時間常數(shù)的影響，即對時間常數(shù)進行了必要的修正；(3) 均考慮了負載時短路電流的增加。

與IEC 61363計算方法比較，GB 3321補充了不同型號、不同規(guī)格的發(fā)電機并聯(lián)運行在匯流排短路時用等效發(fā)電機計算發(fā)電機提供的短路電流和短路功率因數(shù)的計算方法[2]。

海上油氣田開發(fā)工程設施上的電力系統(tǒng)的短路電流計算最常用的方法是船舶電力系統(tǒng)斷路器額定短路容量的估算方法IEC 61363和三相交流系統(tǒng)的短路電流計算法IEC 60909。在我國與這兩個標準相對應的國家標準分別是船舶交流電力系統(tǒng)的短路計算法GB/T 21066-2007 和三相交流系統(tǒng)短路電流計算法GB/T 15544-1995。IEC 61363和IEC 60909標準中對于短路計算的側重點不同：IEC 61363 標準利用電機的初始阻抗和時間常數(shù)來實時地計算短路電流，并顯示其暫態(tài)值，為電力系統(tǒng)的保護設備尺寸計算和繼電保護配合提供了精確的短路電流估算；IEC 60909 和相關標準則是根據(jù)短路電流的最大、最小值和離發(fā)電機的距離對短路電流進行分類的。

由于海上油氣田開發(fā)工程設施上的電力系統(tǒng)主要以發(fā)電機作為主電源，不是無窮大電網(wǎng)，所以在進行短路電流計算時要考慮發(fā)電機阻抗的影響，在這方面與船舶電力系統(tǒng)一致，因此在計算時可以選用船舶電力系統(tǒng)的短路電流計算方法，即IEC 61363標準中推薦的做法。但是，海上油氣田開發(fā)工程設施中電力系統(tǒng)發(fā)電機組容量大、機組多、供電范圍廣，而且電壓等級也遠遠大于船舶電力系統(tǒng)，因此海上油氣田工程設施電力系統(tǒng)的短路電流計算通常采用IEC 61363和IEC 60909兩個標準推薦的方法同時進行計算，參考兩個不同標準計算的結果并為配電裝置選型[3]。

1.2 海洋工程短路電流計算步驟

(1) 繪制整個海上油氣田電力系統(tǒng)的總單線圖。繪制的內(nèi)容包括與短路電流計算有關的電力網(wǎng)的主結構圖和主要設備的詳細描述，如：并聯(lián)運行的主發(fā)電機組的臺數(shù)、電站供電的范圍、電力變壓器的容量、井口平臺的數(shù)量及用電量、海底電纜的長度和截面積等。

(2) 選擇短路點。短路點的選擇應根據(jù)短路電流計算的目的確定。需要特別注意的是，設置主電站的海上油氣田開發(fā)工程設施上的400 V匯流排和遠離主匯流排饋電線端短路點的選擇要有代表性，所有的短路點都應在總單線圖上清楚地注明。

(3)根據(jù)所選擇的短路計算點繪出等效電路圖，并計算短路電路中各主要元件的阻抗。

(4)根據(jù)等效電路圖及相關參數(shù)進行短路電流計算。一般先計算主發(fā)電機出線端的短路電流，再計算等效電動機的短路電流。

2 海洋工程短路電流計算實例

2.1 短路電流計算實例(以JZ25-1S為例)

本文以JZ 25-1S項目為例進行短路計算分析。JZ 25-1S項目包含3個井口平臺、1個中心平臺，其中：井口平臺A與中心平臺通過棧橋連接，井口平臺B與中心平臺通過海底電纜連接。平臺電站及用電負荷如下：4臺12 430 kW(15 539 kVA)的透平主發(fā)電機，中心平臺 6.3 kV中壓盤與井口平臺B的10.5 kV中壓盤之間通過2臺4 000 kVA的變壓器連接，中心平臺中低壓盤通過2臺3 150 kVA變壓器連接，中壓盤上接有注水泵、原油輸送泵、燃氣壓縮機和消防泵等大容量電機以及鉆井模塊等大容量設備，在低壓盤上接有各種小容量電機和用電設備。

本次計算主要分析中心平臺中壓盤和井口平臺中壓盤的短路電流，由于中心平臺中壓母排通過常閉真空斷路器連接，故兩母排短路電流相同，因此選取短路故障點分別在中心平臺與井口平臺B的中壓母排上。由于海上平臺電力系統(tǒng)屬于有限容量系統(tǒng)，不能忽略發(fā)電機阻抗，且需要考慮大電動機回饋電流，因此化簡電路圖中忽略不產(chǎn)生回饋電流的饋電設備，本次計算忽略低壓盤諸多小容量電動機。

根據(jù)已知各設備參數(shù)進行阻抗標幺值計算，選取發(fā)電機容量為基準容量，則各設備標幺值如下：

(1) 發(fā)電機。已知3臺發(fā)電機型號相同，且次暫態(tài)電抗值為0.15，計算得發(fā)電機的次暫態(tài)電抗標幺值XG=0.15。由于3臺發(fā)電機型號相同，因此可以合并等效為1臺容量為15 539 kVA的發(fā)電機，其次暫態(tài)電抗標幺值為XGTG=0.15/4=0.038。

(2) 變壓器。已知變壓器T-001，T-002均為4 000 kVA，阻抗電壓為7%的變壓器，計算得轉(zhuǎn)換后的變壓器電抗標幺值為XT1=XT2=0.23。由于2臺變壓器并列運行，可將2臺變壓器電抗標幺值等效簡化為1個值XTH=0.11。

(3) 電動機。CEPK中壓盤電動機有2臺注水泵，功率均為820 kW，次暫態(tài)電抗值為0.16，電抗標幺值X4101=2.67。同理，4臺原油輸出泵均為850 kW，次暫態(tài)電抗值為0.16，電抗標幺值X2001=2.56。1臺570 kW消防泵的次暫態(tài)電抗值為0.15，等效后次暫態(tài)電抗標幺值X6001=3.61。WHPB中壓盤上掛有2臺475 kW，次暫態(tài)電抗值為0.15的注水泵，其次暫態(tài)電抗標幺值X4101=4.32。此外，還掛有2臺360 kW，次暫態(tài)電抗值為0.15的燃氣壓縮機，計算其次暫態(tài)電抗標幺值X2601=5.69。中心平臺到井口平臺B電纜的長度為6.6 km，單位長度電抗為0.1 Ω，求得線路電抗標幺值為XI=0.093。計算各母排短路電流，需要根據(jù)各短路點簡化等效電路圖，如圖1所示。

圖1 等效電路圖

計算系統(tǒng)總電抗標幺值，中心平臺6.3 kV母排總電抗標幺值為

X6.3 kV=XGTG//X2001A//X2001B//X2001C//X2001D//X4101A//X4101B//X6001//

((XT001//XT002+XL)//X4101C//X2601A//X2601B//X4101D))=0.033

井口平臺10.5kV母排總電抗標幺值計算為

X10.5 kV=(XGTG//X2001A//X2001B//X2001C//X2001D//X4101A//X4101B//X6001+

(XT001//XT002+XL))//(X4101C//X2601A//X2601B//X4101D))=0.159

系統(tǒng)基準容量Sd=15 539，取峰值系數(shù)為中高壓K1=1.8，于是系統(tǒng)次暫態(tài)三相短路電流周期分量有效值I″和非對稱短路峰值ip為

2.2 短路電流計算實例

隨著計算機技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)的短路電流計算大多采用計算機完成。使用電力系統(tǒng)計算軟件進行電力系統(tǒng)設計和分析的主要優(yōu)點是：(1) 采用通用數(shù)據(jù)庫的手段，將全部計算和分析由一個單一系統(tǒng)的模塊完成，可大大減輕數(shù)據(jù)重復錄入的繁瑣工作，避免發(fā)生數(shù)據(jù)錄入錯誤；(2) 在數(shù)據(jù)錄入過程中，編輯器可以隨時檢測各類數(shù)據(jù)是否符合電力系統(tǒng)的設計要求，如有錯誤能及時發(fā)出警告并提示錯誤信息，提高了電力系統(tǒng)計算和分析的準確性，節(jié)省了大量的時間和資金。目前，國內(nèi)外權威認證機構認可的以及國內(nèi)外著名的工程設計公司最常使用的電力系統(tǒng)設計與分析的計算軟件[4]是EDSA軟件和ETAP軟件。

采用這類軟件進行短路計算和分析的主要步驟：(1) 繪制電力系統(tǒng)單線圖；(2) 輸入主要電氣設備(主發(fā)電機、電力變壓器和電氣設備的動力電纜等)的技術參數(shù)；(3) 選擇計算方法：ANSI，IEC 61363或IEC 60909；(4)獲取計算結果。

以2.1節(jié)分析的JZ25-1S平臺為例，使用EDSA軟件進行短路分析。首先繪制電力系統(tǒng)單線圖，輸入所有電氣設備的技術參數(shù)。其次，選擇計算方法，一般來說，海上平臺為有限容量系統(tǒng)，比較適用IEC 61363標準。分別使用IEC 61363和IEC 60909計算各母排短路電流結果，并與手動計算結果比較，見表1。

表1 軟件和手工計算結果對比

從表1可以看出：IEC 61363，IEC 60909和手工計算結果均在同一數(shù)量級上，結果稍有差異，但設備選型在同一檔次上。

3 結論

隨著海洋油氣田規(guī)模的不斷擴大，主電站的裝機容量和電壓等級逐步加大和提高，海底電纜的不斷加長，給短路電流的計算精度和復雜度帶來很多負面影響。

本文針對JZ25-1S的中壓盤進行了短路電流的估算，其中忽略了低壓盤眾多電動機的通過變壓器反饋到中壓盤的短路電流，從與EDSA軟件計算結果比對分析中可以發(fā)現(xiàn)，本文所采用的忽略計算可以滿足電氣設備選型及保護的要求，可以作為今后校核軟件短路電流計算結果的一種輔助方法。

[1] 船舶設計實用手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[2] 船舶和移動式及固定式近海設施的電氣裝置三相交流短路電流計算方法：GB/T 21066-2007[S].國家標準局，2007.

[3] 三相交流系統(tǒng)短路電流計算：GB/T 15544-1995[S].國家標準局，1995.

[4] 電力系統(tǒng)分析[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

Calculation and Analysis of Short Circuit Current in Electrical System
of Marine Engineering Project

LU Xuesong

(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tian Jin 300451,China)

It is a very important issue to offshore engineering staff that how to insure electrical facilities successfully with stand short-circuit electrical shock and ensure the safety of offshore production.The priority is given to basic research,the mathematical model of electrical system of marine engineering project is built,the method of calculating short-circuit current of offshore platforms is discussed，and the short-circuit current calculation is verified in the EDSA software.It can be found that the ignored calculation can meet the requirements of electrical equipment selection and qrotection.Theoretical analysis of these provide a useful reference for designing staffs working on the offshore oil engineering.

power system； short circuit calculation； EDSA software

2017-01-12

盧雪松 (1982-)，男，工程師

1001-4500(2017)03-0058-04

TE58

A