安曉龍

(海洋石油工程股份有限公司，天津　300451)

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海油平臺電力系統(tǒng)短路電流直流分量分析

安曉龍

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

首先介紹了海油平臺電力系統(tǒng)短路電流直流分量的影響，通過案例計(jì)算分析了短路電流直流分量的與系統(tǒng)運(yùn)行方式的關(guān)聯(lián)及特點(diǎn)，然后結(jié)合海洋平臺的實(shí)際情況，介紹分析了短路電流直流分量過高的應(yīng)對的應(yīng)對措施，為今后項(xiàng)目提供一定的參考。

海油平臺；短路電流直流分量；直流時間常數(shù)

1　引言

隨著海洋石油、天然氣開發(fā)的快速發(fā)展，油、氣田規(guī)模逐步增大，海洋平臺的單臺發(fā)電機(jī)組容量、電站容量都越來越大。中壓系統(tǒng)短路容量增大的同時，斷路器開斷時短路電流的直流分量含量也增高，將導(dǎo)致分?jǐn)嗬щy，給電力系統(tǒng)帶來安全隱患。

2　直流分量的影響

在實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生短路時，短路電流中出現(xiàn)直流分量，其大小與短路發(fā)生瞬間的電壓相位有關(guān)，與三相合閘的不同期性有關(guān)。短路電流中的直流分量隨發(fā)生短路瞬間的電壓相位變化而各不相同。發(fā)生短路的瞬間有隨機(jī)性，因而短路電流中的直流分量的起始值是變化的。

直流分量衰減時間常數(shù)的大小決定于系統(tǒng)回路中的等值電感與電阻。對近代電力系統(tǒng)而言，機(jī)組容量增大，聯(lián)絡(luò)變壓器常采用自耦式(容量也很大)，這使等值的L/R值上升，時間常數(shù)變長。

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表現(xiàn)在以下兩個方面[2]：

(1)直流分量的時間常數(shù)越長，短路電流大半波峰值增大，滅弧過程中電弧釋放的能量也增大，加重了斷路器開斷的負(fù)擔(dān)。該現(xiàn)象一般在短路電流較大的回路上出現(xiàn)，短路電流交流分量越接近斷路器的額定開斷電流，其影響越大。短路電流直流分量衰減的時間常數(shù)對斷路器的造價和安全運(yùn)行有很大的影響。

(2)直流分量的存在還可能造成短路電流過零點(diǎn)漂移，在短路電流小的回路上，理論計(jì)算表明，直流分量的存在可能造成短路電流過零點(diǎn)漂移，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致滅弧時間延長，甚至不能滅弧。

3　直流分量特點(diǎn)分析

以某海油平臺電力系統(tǒng)為例(系統(tǒng)圖見下圖)，利用EDSA軟件進(jìn)行了建模，并采用IEC 61363算法進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算分以下四種工況：

工況1：4臺原油發(fā)電機(jī)全部投入運(yùn)行，負(fù)荷按最大允許負(fù)荷投入。工況2：4臺原油發(fā)電機(jī)全部投入運(yùn)行，負(fù)荷不投入。

圖1　某平臺電力系統(tǒng)圖

工況3：2臺原油發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，負(fù)荷不投入。

工況4：1臺原油發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，負(fù)荷不投入。

每種工況下，分別計(jì)算了初始值、1/2周波、2周波、3周波、5周波、30周波等不同時刻的中壓母線處短路電流。各工況下分別計(jì)算Iac為短路電流交流分量有效值，Idc為短路電流直流分量絕對值，Ienv為短路電流包絡(luò)線值，Dc%為短路電流直流分量百分比。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制分析圖形如下。

圖2　直流分量百分比隨時間衰減圖

圖3　直流分量絕對值隨時間衰減圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和圖形，分析可以得出如下結(jié)論：

(1)短路電流直流分量受負(fù)荷影響較小；

(2)發(fā)電機(jī)組參數(shù)相同的情況下，運(yùn)行臺數(shù)對直流時間常數(shù)影響較小，即對相同時刻的短路電流直流分量百分比和及短路電流直流分量衰減速度影響較??；

(3)短路電流直流分量絕對值受發(fā)電機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)和容量影響，且基本成正比。

4　直流分量過高應(yīng)對措施

4.1應(yīng)對措施

隨著短路電流直流分量絕對值大幅增長，常規(guī)的中壓配電盤及中壓斷路器短路容量有限，在斷路器開斷時刻短路電流直流分量仍很大，造成相對于中壓系統(tǒng)斷路器額定分?jǐn)嗳萘康闹绷鞣至堪俜直仍龈?，分?jǐn)嗬щy。

為解決此問題，可選擇合適短路電流分?jǐn)嘣O(shè)備有效切斷故障，避免故障的擴(kuò)大，加強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，主要有以下幾種設(shè)備：普通斷路器、發(fā)電機(jī)出口專業(yè)斷路器、快速限流器、真空接觸器熔斷器組合。也可以考慮選用發(fā)電機(jī)變壓器組或限流電抗器等方案限制中壓母排的短路水平。本文著重介紹普通斷路器、發(fā)電機(jī)出口專業(yè)斷路器、快速限流器。

(1)普通真空斷路器

“真空斷路器”因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中應(yīng)用較為普及。真空斷路器是3～10kV，50Hz三相交流系統(tǒng)中的戶內(nèi)配電裝置，可供工礦企業(yè)、發(fā)電廠、變電站中作為電器設(shè)備的保護(hù)和控制之用，特別適用于要求無油化、少檢修及頻繁操作的使用場所，斷路器可配置在中置柜、雙層柜、固定柜中作為控制和保護(hù)高壓電氣設(shè)備用。海油平臺常用普通真空斷路器的額定短路開斷能力在25～50kA，直流分量百分比40%～55%。

(2)發(fā)電機(jī)出口專用斷路器

發(fā)電機(jī)出口專用斷路器是針對發(fā)電機(jī)出口直流分量高的特點(diǎn)，專門研制的一種新型斷路器，可開斷的短路電流直流分量較高。

(3)快速限流器

快速限流裝置檢測裝置實(shí)時檢測電流的瞬時值和電流的變化率(電流上升陡度)，當(dāng)兩者都達(dá)到了整定值時，快速限流裝置動作，動作時間不大于1ms，其幅值應(yīng)被限制到小于預(yù)期短路電流峰值的10%以下。國外某廠商的快速限流裝置額定短路開斷電流可達(dá)210kA。

4.2對比分析

表1　不同斷路器與快速限流器對比表

選用普通真空斷路器直流分量分?jǐn)嗄芰M足要求則可選擇普通真空斷路器；如不滿足可采用發(fā)電機(jī)出口專用真空斷路器或采用快速限流器+普通真空斷路器。

采用發(fā)電機(jī)出口專用斷路器方案時，所有與發(fā)電機(jī)出口母排直接相連的開關(guān)均需使用發(fā)電機(jī)出口專用斷路器。

采用快速限流器+普通真空斷路器方案時，一臺或兩臺發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)使用快速限流器，其他與發(fā)電機(jī)出口母排直接相連的開關(guān)使用普通真空斷路器。

5　結(jié)論

隨著海洋石油、天然氣開發(fā)的快速發(fā)展，油、氣田規(guī)模逐步增大，海洋平臺的單臺發(fā)電機(jī)組容量、電站容量都越來越大，確定電力系統(tǒng)方案時需關(guān)注短路電流直流分量，根據(jù)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和短路計(jì)算的結(jié)果，綜合整體技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備布置空間等各方面判斷采用何種短路分?jǐn)嘣O(shè)備。

[1]GB/T 21066-2007 / IEC31636-1：1998,船舶和移動式及固定式近海設(shè)施的電氣裝置三相交流短路電流計(jì)算方法[S].

[2]林集明，顧霓鴻，項(xiàng)祖濤.特高壓系統(tǒng)中的短路電流直流分量與零點(diǎn)漂移[J].電網(wǎng)技術(shù).2006,30(24)

[3]GB/T 14824-2008,高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器[S].

[4]GB 1984-2003,高壓交流斷路器[S].

Discussion on the DC Component of Short-circuit Current on Offshore Oil Platform

ANXiao-long

(Offshore Oil Engineering CO.,LTD.,Tianjin 300451，China)

Firstly,the paper introduces influence of DC component of short-circuit current,and analyses the characteristic via calculation.Finally,the paper analyses the several solutions for DC component of short-circuit current,provides reference for the future projects.

offshore oil platform;DC component of short-circuit current;DC time constant

1004-289X(2016)02-0013-03

TM642

B

2015-10-27

安曉龍(1984-)，男，碩士研究生，工程師，海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，主要從事海油平臺電氣設(shè)計(jì)。