海上大型电站电气设计中短路电流限制措施

2016-10-13孔凡旭邵朋悦

船电技术 2016年9期

孔凡旭，郝明，邵朋悦，唐怡

海上大型电站电气设计中短路电流限制措施

孔凡旭，郝明，邵朋悦，唐怡

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

随着海上油气田电站容量都越来越大，常规的系统结构和设计方法已不再适用于大型电站设计，针对海上大型电站设计中出现的发电机出口短路电流过大问题进行了理论分析，并提出了几种降低发电机出后短路电流的系统主接线结构，同时结合国内外工程实例进行了对比说明，对海上大型电站设计有一定指导意义。

海洋平台大型电站短路电流直流分量

0 引言

海洋石油工业发展的初期，海上油气田的规模普遍较小，通常只有一个综合平台或者由一个综合平台与一两个井口平台组成的平台群，因此电力系统的规模都比较小，系统结构也比较简单，电站一般只有一两台发电机组，装机容量通常不超过1000kW，电压等级一般为交流400V。随着海上油气田规模逐步增大，海洋平台的单台发电机组容量、电站容量都越来越大，如SZ36-1油田最大单体电站容量已高达63MW，单机容量超过10MW；BZ28/34油田单体电站达75MW，单机容量达到25 MW；国外海上油气田甚至有100 MW以上的单体电站设计，已经达到陆上一个中小型火力发电厂的装机容量，同时电压等级也发展到6.3 kV、10.5 kV，输电电压也较多的采用了35 kV。

随着电站容量的逐步增加，常规的系统结构和设计方法不再适用于大功率电站设计，寻找新的适合于海洋平台的系统结构和设计方法已成为迫切的需求。

1 海上油气田电力系统结构特点

早期的海上油气田电力系统的设计源自船舶电力系统的设计理念，是一个典型的孤岛系统，但随着海洋油气田规模的增大，海上平台电力系统规模越来越大，系统之间的互联越来越多，与船舶电力系统的差异越来越大，但与陆地庞大的互联电力系统相比也有着很大的差异：

1）电站装机容量差异大，陆用电厂一般装机容量达几百兆瓦甚至上千兆瓦，除大型工程船舶外，一般的船舶电站装机容量为几个MW，而海洋平台电站装机容量一般从几MW 到几十MW 左右不等。

2）电网输配电方式不同，陆地电力系统发电、输电、用电地域上相互独立，各成系统，分别采用不同的电压等级，输电距离长、系统结构复杂；船舶电站一般采用发电机电压直配线，负荷比较集中，一般没有输电环节；海洋平台电网类似船舶电网，但海洋平台电站除供本平台用电外，通常还需为附近井口平台供电，采用发电机电压直配线或升高电压输电，输电网络一般是辐射性网络，采用海底电缆送电。

2 大型海上电站设计中短路电流问题

电力系统发生短路时，短路电流中包含交流分量和直流分量两部分，当断路器开断短路电流时，直流分量对断路器工作条件的影响不容忽视，直流分量的时间常数越长，短路电流大半波峰值越大，灭弧过程中电弧释放的能量也增大，这样会加重断路器开断的负担; 同时，若断路器开断时直流分量过高会导致电流无过零点，此时，即使开断的电流幅值较小，内燃弧时间也超过了断路器的行程时间，无法正常吹灭电弧，导致触头烧坏或发生重燃，开断失败[1,2]。

断路器需开断的短路电流是周期分量和直流

分量的叠加，其可能的最大有效值为[2]：

式中：I为开断时刻的短路电流周期分量；I为开断时刻的短路电流直流分量；为次暂态电流；为开断时刻直流分量相对于直流分量初始值的衰减系数；为短路开断时刻(短路时)；T为直流分量衰减的时间常数。

由式(1)(2)可知，短路电流直流分量的衰减速度或时间常数关系到断路器需开断电流的大小，直流分量衰减越慢，断路器需开断的短路电流越大；同时，断路器需开断的电流也与短路被开断时刻有关，短路被开断得越快，断路器需开断的电流越大[2]。

根据GB 1984《高压交流断路器》规定：直流分量衰减的标准时间常数为45 ms，特殊工况下的直流分量衰减时间常数为120、75、60ms；在陆地大型电网中，从发电厂到最终用户，往往经过多级变压器及长距离线路，直流分量的时间常数通常不超过45 ms，普通真空断路器满足绝大部分应用需求。但由于海上平台通常都是发电机电压直配电，而发电机本身电感与电阻之比较大，短路电流直流分量衰减时间常数大，造成发电机出口母线短路电流的直流分量含量增高，如表1所示。

目前普通真空断路器的最大短路电流直流分量分断能力通常在20～30kA，可见目前海上电站的短路电流直流分量已经接近或超过现有普通真空断路器的分断能力。

3 大型海上电站设计中短路电流限制措施

1）合理选择发电机短路电流直流分量衰减时间常数T 。

但T 只与发电机本身结构参数决定，与短路的外界条件无关，实际工程中往往难以对主机厂进行有效控制。

2）采用发电机出口专用断路器

发电机出口专用断路器具有较强的短路电流直流分量开断能力，但由于海上平台电力系统普遍采用发电机电压直配线供电，与发电机出口母排直接相连的断路器数量较多，采用发电机出口专用断路器数量多、成本高、占地面积大，经济型一般较差。该方式在海上电站设计中应用较少。

3）采用限流电抗器。

限流电抗器制造技术成熟，对短路电流限制效果明显，但运行损耗大、压降大，还会降低系统的稳定性，在海上平台电站设计中应用较少。

4）采用快速限流装置

快速限流器（FCL）是一种串联于电气回路中、可对故障电流包括其第一周波峰值进行有效限制的阻抗变换器件或具有限流功能的快速开断设备，动作时间一般低于10ms。使用快速限流设备可按照系统设定降低系统短路电流的幅值，且可在很大范围内自由设定所限制短路电流的幅值，配合系统的整定。由于其具有分断灵敏，动作迅速、故障率低、体积小、重量轻等特点，其大大减少了设备成本投入，减小设备占用空间。常用设计方案如图1。

5）采用发电机-变压器组

发电机变压器组单元接线是发电机直接(或经一台隔离开关、或经一台断路器及相应的隔离开关)与变压器连接成一个单元,将电能送入高一级电压电网的接线方式。采用该接线方式可显著降低发电机出口短路电流水平，并且个发电机组相互独立，单台机组故障对系统的影响较小。典型的接线方式如图2所示。该方式需增加大型变压器，且不可使用发电机电压直配线供电，提高配电电压等级，进而增加平台面积，增加项目总投资，并且使继电保护复杂化。

6）采用“一厂两站”接线方式

所谓“一厂两站”，是指将一个电站的发电机组及配电装置分为两组, 在电气上完全分开, 经更高一级的电压联接成一个系统。这对系统来说，相当于两个独立的电站，他们之间的电气距离等于由升压变压器到并列运行的高压母线的电缆之和，这样可限制发电机母线过大的短路电流。

海上大型电站通常担任着为附近井口平台供电的任务，电站所在平台用电往往只占电站装机容量的很少一部分，当采用更高一级的电压输电时，可采用此方案，并且所有发电机位于同一平台，便于统一管理及维护。典型的“一厂两站”接线方式如图3所示。

7）“异地设站，远程互联”方式

对于有两个中心平台的海上油（气）田群，可分别在两个中心平台设置主电站，通过海底电缆连接成一个系统，利用海底电缆的阻抗降低发电机母线的短路电流。典型的接线方式如图4所示。表2列出了一些典型海上大型电站采用的设计方案，从中可以看出各电站均采用了不同的限制短路电流措施，实际工程中应根据项目总体开发方案和项目特点采用适合的方案。

4 结语

增大电站装机容量、在海上油气田开发中设置大型电站是目前解决海上油气田电力负荷日益增大问题的主要措施之一，本文针对海上大型电站设计中出现的短路电流过大问题进行了理论分析，指出工程设计中对短路电流直流分量应给予足够重视，提出了几种减少系统短路电流的主接线方案，给出各方案的适用范围，同时结合国内外工程实例进行了对比说明了其有效性。