海上大型電站電氣設計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計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越大，常規的系統結構和設計方法已不再適用于大型電站設計，針對海上大型電站設計中出現的發電機出口短路電流過大問題進行了理論分析，并提出了幾種降低發電機出后短路電流的系統主接線結構，同時結合國內外工程實例進行了對比說明，對海上大型電站設計有一定指導意義。

海洋平臺 大型電站 短路電流 直流分量

0 引言

海洋石油工業發展的初期，海上油氣田的規模普遍較小，通常只有一個綜合平臺或者由一個綜合平臺與一兩個井口平臺組成的平臺群，因此電力系統的規模都比較小，系統結構也比較簡單，電站一般只有一兩臺發電機組，裝機容量通常不超過1000kW，電壓等級一般為交流400V。隨著海上油氣田規模逐步增大，海洋平臺的單臺發電機組容量、電站容量都越來越大，如SZ36-1油田最大單體電站容量已高達63MW，單機容量超過10MW；BZ28/34油田單體電站達75MW，單機容量達到25 MW；國外海上油氣田甚至有100 MW以上的單體電站設計，已經達到陸上一個中小型火力發電廠的裝機容量，同時電壓等級也發展到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，常規的系統結構和設計方法不再適用于大功率電站設計，尋找新的適合于海洋平臺的系統結構和設計方法已成為迫切的需求。

1 海上油氣田電力系統結構特點

早期的海上油氣田電力系統的設計源自船舶電力系統的設計理念，是一個典型的孤島系統，但隨著海洋油氣田規模的增大，海上平臺電力系統規模越來越大，系統之間的互聯越來越多，與船舶電力系統的差異越來越大，但與陸地龐大的互聯電力系統相比也有著很大的差異：

1）電站裝機容量差異大，陸用電廠一般裝機容量達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容量為幾個MW，而海洋平臺電站裝機容量一般從幾MW 到幾十MW 左右不等。

2）電網輸配電方式不同，陸地電力系統發電、輸電、用電地域上相互獨立，各成系統，分別采用不同的電壓等級，輸電距離長、系統結構復雜；船舶電站一般采用發電機電壓直配線，負荷比較集中，一般沒有輸電環節；海洋平臺電網類似船舶電網，但海洋平臺電站除供本平臺用電外，通常還需為附近井口平臺供電，采用發電機電壓直配線或升高電壓輸電，輸電網絡一般是輻射性網絡，采用海底電纜送電。

2 大型海上電站設計中短路電流問題

電力系統發生短路時，短路電流中包含交流分量和直流分量兩部分，當斷路器開斷短路電流時，直流分量對斷路器工作條件的影響不容忽視，直流分量的時間常數越長，短路電流大半波峰值越大，滅弧過程中電弧釋放的能量也增大，這樣會加重斷路器開斷的負擔; 同時，若斷路器開斷時直流分量過高會導致電流無過零點，此時，即使開斷的電流幅值較小，內燃弧時間也超過了斷路器的行程時間，無法正常吹滅電弧，導致觸頭燒壞或發生重燃，開斷失敗[1,2]。

斷路器需開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為開斷時刻的短路電流周期分量；I為開斷時刻的短路電流直流分量；為次暫態電流；為開斷時刻直流分量相對于直流分量初始值的衰減系數；為短路開斷時刻(短路時)；T為直流分量衰減的時間常數。

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

根據GB 1984《高壓交流斷路器》規定：直流分量衰減的標準時間常數為45 ms，特殊工況下的直流分量衰減時間常數為120、75、60ms；在陸地大型電網中，從發電廠到最終用戶，往往經過多級變壓器及長距離線路，直流分量的時間常數通常不超過45 ms，普通真空斷路器滿足絕大部分應用需求。但由于海上平臺通常都是發電機電壓直配電，而發電機本身電感與電阻之比較大，短路電流直流分量衰減時間常數大，造成發電機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斷能力通常在20～30kA，可見目前海上電站的短路電流直流分量已經接近或超過現有普通真空斷路器的分斷能力。

3 大型海上電站設計中短路電流限制措施

1）合理選擇發電機短路電流直流分量衰減時間常數T 。

但T 只與發電機本身結構參數決定，與短路的外界條件無關，實際工程中往往難以對主機廠進行有效控制。

2）采用發電機出口專用斷路器

發電機出口專用斷路器具有較強的短路電流直流分量開斷能力，但由于海上平臺電力系統普遍采用發電機電壓直配線供電，與發電機出口母排直接相連的斷路器數量較多，采用發電機出口專用斷路器數量多、成本高、占地面積大，經濟型一般較差。該方式在海上電站設計中應用較少。

3）采用限流電抗器。

限流電抗器制造技術成熟，對短路電流限制效果明顯，但運行損耗大、壓降大，還會降低系統的穩定性，在海上平臺電站設計中應用較少。

4）采用快速限流裝置

快速限流器（FCL）是一種串聯于電氣回路中、可對故障電流包括其第一周波峰值進行有效限制的阻抗變換器件或具有限流功能的快速開斷設備，動作時間一般低于10ms。使用快速限流設備可按照系統設定降低系統短路電流的幅值，且可在很大范圍內自由設定所限制短路電流的幅值，配合系統的整定。由于其具有分斷靈敏，動作迅速、故障率低、體積小、重量輕等特點，其大大減少了設備成本投入，減小設備占用空間。常用設計方案如圖1。

5）采用發電機-變壓器組

發電機變壓器組單元接線是發電機直接(或經一臺隔離開關、或經一臺斷路器及相應的隔離開關)與變壓器連接成一個單元,將電能送入高一級電壓電網的接線方式。采用該接線方式可顯著降低發電機出口短路電流水平，并且個發電機組相互獨立，單臺機組故障對系統的影響較小。典型的接線方式如圖2所示。該方式需增加大型變壓器，且不可使用發電機電壓直配線供電，提高配電電壓等級，進而增加平臺面積，增加項目總投資，并且使繼電保護復雜化。

6）采用“一廠兩站”接線方式

所謂“一廠兩站”，是指將一個電站的發電機組及配電裝置分為兩組, 在電氣上完全分開, 經更高一級的電壓聯接成一個系統。這對系統來說，相當于兩個獨立的電站，他們之間的電氣距離等于由升壓變壓器到并列運行的高壓母線的電纜之和，這樣可限制發電機母線過大的短路電流。

海上大型電站通常擔任著為附近井口平臺供電的任務，電站所在平臺用電往往只占電站裝機容量的很少一部分，當采用更高一級的電壓輸電時，可采用此方案，并且所有發電機位于同一平臺，便于統一管理及維護。典型的“一廠兩站”接線方式如圖3所示。

7）“異地設站，遠程互聯”方式

對于有兩個中心平臺的海上油（氣）田群，可分別在兩個中心平臺設置主電站，通過海底電纜連接成一個系統，利用海底電纜的阻抗降低發電機母線的短路電流。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計方案，從中可以看出各電站均采用了不同的限制短路電流措施，實際工程中應根據項目總體開發方案和項目特點采用適合的方案。

4 結語

增大電站裝機容量、在海上油氣田開發中設置大型電站是目前解決海上油氣田電力負荷日益增大問題的主要措施之一，本文針對海上大型電站設計中出現的短路電流過大問題進行了理論分析，指出工程設計中對短路電流直流分量應給予足夠重視，提出了幾種減少系統短路電流的主接線方案，給出各方案的適用范圍，同時結合國內外工程實例進行了對比說明了其有效性。

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方向：海洋工程電氣設計與研究。

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