基于ETAP的海洋平臺末端設備短路預估的研究

楊露露，張興權，朱坤軍

應用研究

基于ETAP的海洋平臺末端設備短路預估的研究

楊露露，張興權，朱坤軍

（招商局重工江蘇有限公司技術中心，江蘇南通 226116）

發生短路過電流電氣故障時，為了能對電氣末端設備進行保護，需要預估電氣末端設備匯流排的短路電流。應用ETAP(電力電氣分析、電能管理綜合分析軟件系統)通過不同電纜長度預估出上游短路電流貢獻值，通過電機短路電流快速計算法預估出下游短路電流貢獻值，匯總獲得電氣末端設備匯流排的短路電流。預估出的短路電流為電氣末端設備選用合適的保護電器和匯流排等提供了依據。本預估方法適用于船舶及海洋平臺等孤島式電網具有一定的通用性及經濟性。

ETAP 電氣末端設備 短路電流計算

0 引言

海洋平臺電站是孤島式的電力系統，是決定海洋平臺安全及性能的關鍵因素，同時需要考慮經濟性和可靠性。

隨著大型海洋平臺的發展，電網系統中的匯流排也隨之增加，受電力分析軟件如ETAP對匯流排計算數量的限制，電氣終端設備的匯流排的短路值無法逐一計算。

本文通過某FPSO項目的電氣終端匯流排的短路值估算，介紹了ETAP軟件和相關船級社短路計算理論相結合快速估算出電氣終端設備的匯流排短路值的方法，探討了短路值的快速估算在海洋平臺等孤島電網中的應用。FPSO表示浮式液化天然氣生產儲卸裝置

1 電氣末端設備短路電流預估

1.1 電氣末端設備匯流排短路的預估方法

常規送審船級社應計算下列各處的短路電流[1]：

1）主發電機及應急發電機輸出端

2）主配電板、應急配電板

3）分配電板的匯流排及變壓器次級側。

另外，根據電力系統保護的設計及開關整定需要，有時還應進行饋電線末端短路電流的計算。

短路發生在電氣末端設備匯流排時，其短路電流分別來自于故障母排上游的等效饋送短路電流和下游負載如電機端貢獻的短路電流。其上游短路電流貢獻值可以通過ETAP計算得到，下游馬達短路電流貢獻值通過電動機短路電流快速計算法算得，在忽略短路電流相位角的情況下，上下游短路電流貢獻值之和為電氣末端設備匯流排上的短路電流值。

1.2 上游等效饋送短路電流貢獻值的預估方法

1）上游短路電流貢獻值取決于主匯流排至末端設備匯流排的電纜阻抗[1]，它與電纜阻抗成反比。

而電纜阻抗與電纜截面成反比，與電纜長度成正比，與短路時的電纜導體溫度正比。電纜的長度、截面及短路時導體溫度三者共同決定了電纜阻抗的大小。通過設定不同的電纜截面與電纜長度由ETAP計算出上游短路電流貢獻值。

2）從進行短路電流計算的目的出發，往往僅考慮短路電流的最高值。

該FPSO項目電制為11 kV/690 V/230 V 60 Hz。其最大工況為上層模塊電網與船體部分電網進行負載轉移時,電網配置說明如下：

上層模塊的兩臺36.25 MW燃氣輪機發電機（飽和態次暫態短路阻抗為19%），分別為帶有母聯開關且合閘的兩段上層模塊的11 kV配電板供電；

兩段上層模塊的11 kV配電板分別給帶有母聯開關且合閘的兩段船體部分的11 kV配電板供電；

兩臺2690 kW燃油發電機（飽和態次暫態短路阻抗為8.8%），分別給帶有母聯開關且合閘的兩段船體部分的11 kV配電板供電；

兩段船體部分的11 kV配電板分別通過4500 kVA變壓器（短路阻抗10%）為帶有母聯開關且合閘的兩段船體部分的690 V配電板供電；若干高低壓馬達在線。

通過電纜樣本[2]查得電纜基礎數據數，電纜電阻值Rc(90℃）、電纜電抗值Xc(60 Hz）、額定載流量見表1，電纜導體最大額定導體溫度為90℃，最大短路短時耐受溫度為250℃。

額定可用載流量考慮50℃的空氣溫度矯正系數0.94和超過6根的捆扎矯正系數0.85[3]，見表1，如3x120 mm2的可用額定載流量為237A*0.85*0.94=189.4 A。

表1 電纜阻抗參數

3）按照1.2.2的工況和數據建立ETAP模型，見圖1，短路計算設置如下：

短路時的電纜導體溫度170℃，取中位數導體最大額定導體溫度和最大短路短時耐受溫度的中位數；

電纜容差為10%；

短路計算標準為IEC，執行標準為IEC61363-1；

計算出該FPSO最大工況下各配電板母排的短路值，其中690V配電板的短路值為75 kA(=/2）。以690V配電板下游設備作為電氣末端設備為例。在此基礎上，設置不同電纜截面和長度通過ETAP軟件計算出電氣末端設備匯流排的短路值i見表2。

式中表示以短路發生時刻為起點的持續時間，表示周期。

1.3 下游馬達貢獻短路電流的預估方法

該FPSO項目所用均為異步電動機，短路預估方法[1]如下：

假設短路時，投入系統運行的所有異步電動機所產生的短路電流等于它們的起動電流（通常為額定電流的4至7倍）。

在計算電動機短路電流時，忽略短路發生前電動機負載電流的影響，由此引起的計算誤差可以忽略不計。

根據異步電動機的特征參數為基礎，計算出在主匯流排附近短路情況下，電動機所饋送的短路電流為：

大電動機：I=4.00I（當=/2 時，小電動機群：I=3.2IrM（當=/2 時）。

式中：I表示異步電動機的對稱短路電流（方均根值），I表示異步電動機額定電流（方均根值）

為了計算方便將異步電動機的對稱短路電流統一按照異步電動機額定電流的4倍計算，考慮到電機的額定電流不會超過表1中電纜可用額定載流，如3x120 mm2的可用額定電流為0.1894 kA，對應馬達最大的額定電流最大為189.4 A,按照短路電流預估方法預估出該條件下的短路電流貢獻值為0.1894 kA*4=0.758 kA,用此方法推算出各電纜下的電動機的短路電流最大貢獻值i,見表3。

圖1 ETAP模型

表2 由ETAP計算出不同電纜截面和長度的上游短路電流iup（kA)

表3 按照短路電流預估方法預估idn（kA)

1.4 末端設備匯流排短路的預估結果

綜合表2和表3得到電氣末端設備匯流排短路值i的預估結果，如10米的3X120 mm2電纜預估的末端短路為58.452 kA+0.758 kA=59.21 kA，見表4。

表4 電氣末端設備匯流排短路值iend的預估結果（kA)

2 電氣末端設備短路電流預估的應用

通過預估的電氣末端短路電流可以有如下等應用：

1）確定電氣末端設備的進線開關的選型，按照該FPSO項目使用的ABB開關樣本查得開關的額定分斷能力見表5，按照額定分斷能力選擇開關，如截面為3X120 mm2長度為50米的電纜對應的短路值為28.129 kA選擇的開關為Tmax T4H。

表5 開關的額定分斷能力(kA)

式中Ics表示開關額定分斷能力，Icu表示開關極限分斷能力。

2）確定電氣末端設備母排的短時耐受值，如3X120mm2 50 m長電纜所供電的電氣末端設備母排的短時耐受值可以選擇30 kA/1 s；

3）確定是否需要提供弧閃保護，該FPSO項目要求超過50 kA的電氣設備需要提供額外的弧閃保護。

3 結論

受制于電力分析軟件對母排數量計算的限制和缺乏計算的快捷方法，對于電氣末端設備保護電器的合理選型一直是電氣設計的薄弱環節，保護電器選型偏大會造成成本浪費，偏小則會帶來安全隱患。本文介紹的短路電流預估法較為快捷且適用于船舶和海洋工程的配電板下所帶的所有電氣設備匯流排的短路電流預估，如非電動機類負載不需要考慮電動機的短路貢獻。

[1] 中國船級社. 海上浮式裝置入級規范. CCS[S]. 2020.

[2] 中天科技. 中天科技裝備電纜[EB/OL]. [2021-03-17]. https://www.chinaztt.com/.

[3] IEC. Electrical installations in ships：Choice and installation of electrical cables. IEC 60092-352[S]. 2005.

Study on Short Circuit Prediction of Electrical End-equipment of Offshore platform based on ETAP

Yang Lulu, Zhang Xingquan, Zhu Kunjun

(China merchants industry (Jiangsu) CO. LTD. Engineering Department, Jiangsu, Nantong，226116, China)

U665.12

A

1003-4862（2023）02-0065-04

2022-09-13

楊露露（1984-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail: kingyll@163.com