海油平台电力系统短路电流直流分量分析

安晓龙

(海洋石油工程股份有限公司，天津　300451)



海油平台电力系统短路电流直流分量分析

安晓龙

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

首先介绍了海油平台电力系统短路电流直流分量的影响，通过案例计算分析了短路电流直流分量的与系统运行方式的关联及特点，然后结合海洋平台的实际情况，介绍分析了短路电流直流分量过高的应对的应对措施，为今后项目提供一定的参考。

海油平台；短路电流直流分量；直流时间常数

1　引言

随着海洋石油、天然气开发的快速发展，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。中压系统短路容量增大的同时，断路器开断时短路电流的直流分量含量也增高，将导致分断困难，给电力系统带来安全隐患。

2　直流分量的影响

在实际系统中发生短路时，短路电流中出现直流分量，其大小与短路发生瞬间的电压相位有关，与三相合闸的不同期性有关。短路电流中的直流分量随发生短路瞬间的电压相位变化而各不相同。发生短路的瞬间有随机性，因而短路电流中的直流分量的起始值是变化的。

直流分量衰减时间常数的大小决定于系统回路中的等值电感与电阻。对近代电力系统而言，机组容量增大，联络变压器常采用自耦式(容量也很大)，这使等值的L/R值上升，时间常数变长。

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表现在以下两个方面[2]：

(1)直流分量的时间常数越长，短路电流大半波峰值增大，灭弧过程中电弧释放的能量也增大，加重了断路器开断的负担。该现象一般在短路电流较大的回路上出现，短路电流交流分量越接近断路器的额定开断电流，其影响越大。短路电流直流分量衰减的时间常数对断路器的造价和安全运行有很大的影响。

(2)直流分量的存在还可能造成短路电流过零点漂移，在短路电流小的回路上，理论计算表明，直流分量的存在可能造成短路电流过零点漂移，严重时可能导致灭弧时间延长，甚至不能灭弧。

3　直流分量特点分析

以某海油平台电力系统为例(系统图见下图)，利用EDSA软件进行了建模，并采用IEC 61363算法进行计算。

计算分以下四种工况：

工况1：4台原油发电机全部投入运行，负荷按最大允许负荷投入。工况2：4台原油发电机全部投入运行，负荷不投入。

图1　某平台电力系统图

工况3：2台原油发电机投入运行，负荷不投入。

工况4：1台原油发电机投入运行，负荷不投入。

每种工况下，分别计算了初始值、1/2周波、2周波、3周波、5周波、30周波等不同时刻的中压母线处短路电流。各工况下分别计算Iac为短路电流交流分量有效值，Idc为短路电流直流分量绝对值，Ienv为短路电流包络线值，Dc%为短路电流直流分量百分比。

根据计算结果，绘制分析图形如下。

图2　直流分量百分比随时间衰减图

图3　直流分量绝对值随时间衰减图

根据计算结果和图形，分析可以得出如下结论：

(1)短路电流直流分量受负荷影响较小；

(2)发电机组参数相同的情况下，运行台数对直流时间常数影响较小，即对相同时刻的短路电流直流分量百分比和及短路电流直流分量衰减速度影响较小；

(3)短路电流直流分量绝对值受发电机组运行台数和容量影响，且基本成正比。

4　直流分量过高应对措施

4.1应对措施

随着短路电流直流分量绝对值大幅增长，常规的中压配电盘及中压断路器短路容量有限，在断路器开断时刻短路电流直流分量仍很大，造成相对于中压系统断路器额定分断容量的直流分量百分比增高，分断困难。

为解决此问题，可选择合适短路电流分断设备有效切断故障，避免故障的扩大，加强电力系统稳定性，主要有以下几种设备：普通断路器、发电机出口专业断路器、快速限流器、真空接触器熔断器组合。也可以考虑选用发电机变压器组或限流电抗器等方案限制中压母排的短路水平。本文着重介绍普通断路器、发电机出口专业断路器、快速限流器。

(1)普通真空断路器

“真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。真空断路器是3～10kV，50Hz三相交流系统中的户内配电装置，可供工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用，特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所，断路器可配置在中置柜、双层柜、固定柜中作为控制和保护高压电气设备用。海油平台常用普通真空断路器的额定短路开断能力在25～50kA，直流分量百分比40%～55%。

(2)发电机出口专用断路器

发电机出口专用断路器是针对发电机出口直流分量高的特点，专门研制的一种新型断路器，可开断的短路电流直流分量较高。

(3)快速限流器

快速限流装置检测装置实时检测电流的瞬时值和电流的变化率(电流上升陡度)，当两者都达到了整定值时，快速限流装置动作，动作时间不大于1ms，其幅值应被限制到小于预期短路电流峰值的10%以下。国外某厂商的快速限流装置额定短路开断电流可达210kA。

4.2对比分析

表1　不同断路器与快速限流器对比表

选用普通真空断路器直流分量分断能力满足要求则可选择普通真空断路器；如不满足可采用发电机出口专用真空断路器或采用快速限流器+普通真空断路器。

采用发电机出口专用断路器方案时，所有与发电机出口母排直接相连的开关均需使用发电机出口专用断路器。

采用快速限流器+普通真空断路器方案时，一台或两台发电机进线开关使用快速限流器，其他与发电机出口母排直接相连的开关使用普通真空断路器。

5　结论

随着海洋石油、天然气开发的快速发展，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，确定电力系统方案时需关注短路电流直流分量，根据电力系统的结构和短路计算的结果，综合整体技术性能、经济性、设备布置空间等各方面判断采用何种短路分断设备。

[1]GB/T 21066-2007 / IEC31636-1：1998,船舶和移动式及固定式近海设施的电气装置三相交流短路电流计算方法[S].

[2]林集明，顾霓鸿，项祖涛.特高压系统中的短路电流直流分量与零点漂移[J].电网技术.2006,30(24)

[3]GB/T 14824-2008,高压交流发电机断路器[S].

[4]GB 1984-2003,高压交流断路器[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

安晓龙(1984-)，男，硕士研究生，工程师，海洋石油工程股份有限公司设计公司，主要从事海油平台电气设计。