海洋工程项目电气系统短路电流计算分析

卢雪松

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)



海洋工程项目电气系统短路电流计算分析

卢雪松

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

为保证海洋平台重要电气设施能够承受短路冲击，确保海洋平台的安全生产，以基础研究为主，建立海洋石油平台电力系统数学模型，论述海洋平台短路电流计算方法，在EDSA软件里对短路电流计算校核，发现所采用的忽略计算可以满足电气设备选型及保护要求。其理论分析可为海洋石油工程设计人员提供参考。

电力系统；短路电流计算； EDSA软件

0 引言

从海洋平台电力系统的实际运行情况看，大多数故障是由于短路所引起的，短路电流产生的热量和机械应力可能会造成电气设备的损坏，引发火灾，中断海洋石油平台的生产工作，危及财产和人身安全。为确保海上油气田的正常生产和生活，设计人员需要对电力系统的短路故障有深刻的认识，在海洋工程电力系统设计中，各项参数基本确定以后，必须对电力系统中各点的短路电流进行计算和核实，用于校核所选电气设备的热稳定性和电动力稳定性，所选用保护电器的短路接通能力和短路分断能力，并为电力系统保护设计提供必要的数据。目前各船级社要求提交送审的图纸和资料中都有短路电流计算书[1]。

1 海洋工程短路电流计算方法和步骤

1.1 计算方法

目前，电力系统短路电流的计算方法很多，如国际电工委员会制定的IEC 61363计算方法，国家标准(GB 3321)短路电流计算方法和国家军用标准(GJB 173)短路电流计算方法等。这些方法都离不开电机的基本理论，理论计算精度和运算的难易程度不同。

国家标准(GB 3321)短路电流计算方法以IEC 61363法为基础，二者的相同之处是：(1) 计算短路后1/2周期发电机短路电流时，均考虑了交流分量的衰减，即计及时间常数的影响；(2) 在计算馈电线端短路时，均考虑了线路阻抗对时间常数的影响，即对时间常数进行了必要的修正；(3) 均考虑了负载时短路电流的增加。

与IEC 61363计算方法比较，GB 3321补充了不同型号、不同规格的发电机并联运行在汇流排短路时用等效发电机计算发电机提供的短路电流和短路功率因数的计算方法[2]。

海上油气田开发工程设施上的电力系统的短路电流计算最常用的方法是船舶电力系统断路器额定短路容量的估算方法IEC 61363和三相交流系统的短路电流计算法IEC 60909。在我国与这两个标准相对应的国家标准分别是船舶交流电力系统的短路计算法GB/T 21066-2007 和三相交流系统短路电流计算法GB/T 15544-1995。IEC 61363和IEC 60909标准中对于短路计算的侧重点不同：IEC 61363 标准利用电机的初始阻抗和时间常数来实时地计算短路电流，并显示其暂态值，为电力系统的保护设备尺寸计算和继电保护配合提供了精确的短路电流估算；IEC 60909 和相关标准则是根据短路电流的最大、最小值和离发电机的距离对短路电流进行分类的。

由于海上油气田开发工程设施上的电力系统主要以发电机作为主电源，不是无穷大电网，所以在进行短路电流计算时要考虑发电机阻抗的影响，在这方面与船舶电力系统一致，因此在计算时可以选用船舶电力系统的短路电流计算方法，即IEC 61363标准中推荐的做法。但是，海上油气田开发工程设施中电力系统发电机组容量大、机组多、供电范围广，而且电压等级也远远大于船舶电力系统，因此海上油气田工程设施电力系统的短路电流计算通常采用IEC 61363和IEC 60909两个标准推荐的方法同时进行计算，参考两个不同标准计算的结果并为配电装置选型[3]。

1.2 海洋工程短路电流计算步骤

(1) 绘制整个海上油气田电力系统的总单线图。绘制的内容包括与短路电流计算有关的电力网的主结构图和主要设备的详细描述，如：并联运行的主发电机组的台数、电站供电的范围、电力变压器的容量、井口平台的数量及用电量、海底电缆的长度和截面积等。

(2) 选择短路点。短路点的选择应根据短路电流计算的目的确定。需要特别注意的是，设置主电站的海上油气田开发工程设施上的400 V汇流排和远离主汇流排馈电线端短路点的选择要有代表性，所有的短路点都应在总单线图上清楚地注明。

(3)根据所选择的短路计算点绘出等效电路图，并计算短路电路中各主要元件的阻抗。

(4)根据等效电路图及相关参数进行短路电流计算。一般先计算主发电机出线端的短路电流，再计算等效电动机的短路电流。

2 海洋工程短路电流计算实例

2.1 短路电流计算实例(以JZ25-1S为例)

本文以JZ 25-1S项目为例进行短路计算分析。JZ 25-1S项目包含3个井口平台、1个中心平台，其中：井口平台A与中心平台通过栈桥连接，井口平台B与中心平台通过海底电缆连接。平台电站及用电负荷如下：4台12 430 kW(15 539 kVA)的透平主发电机，中心平台 6.3 kV中压盘与井口平台B的10.5 kV中压盘之间通过2台4 000 kVA的变压器连接，中心平台中低压盘通过2台3 150 kVA变压器连接，中压盘上接有注水泵、原油输送泵、燃气压缩机和消防泵等大容量电机以及钻井模块等大容量设备，在低压盘上接有各种小容量电机和用电设备。

本次计算主要分析中心平台中压盘和井口平台中压盘的短路电流，由于中心平台中压母排通过常闭真空断路器连接，故两母排短路电流相同，因此选取短路故障点分别在中心平台与井口平台B的中压母排上。由于海上平台电力系统属于有限容量系统，不能忽略发电机阻抗，且需要考虑大电动机回馈电流，因此化简电路图中忽略不产生回馈电流的馈电设备，本次计算忽略低压盘诸多小容量电动机。

根据已知各设备参数进行阻抗标幺值计算，选取发电机容量为基准容量，则各设备标幺值如下：

(1) 发电机。已知3台发电机型号相同，且次暂态电抗值为0.15，计算得发电机的次暂态电抗标幺值XG=0.15。由于3台发电机型号相同，因此可以合并等效为1台容量为15 539 kVA的发电机，其次暂态电抗标幺值为XGTG=0.15/4=0.038。

(2) 变压器。已知变压器T-001，T-002均为4 000 kVA，阻抗电压为7%的变压器，计算得转换后的变压器电抗标幺值为XT1=XT2=0.23。由于2台变压器并列运行，可将2台变压器电抗标幺值等效简化为1个值XTH=0.11。

(3) 电动机。CEPK中压盘电动机有2台注水泵，功率均为820 kW，次暂态电抗值为0.16，电抗标幺值X4101=2.67。同理，4台原油输出泵均为850 kW，次暂态电抗值为0.16，电抗标幺值X2001=2.56。1台570 kW消防泵的次暂态电抗值为0.15，等效后次暂态电抗标幺值X6001=3.61。WHPB中压盘上挂有2台475 kW，次暂态电抗值为0.15的注水泵，其次暂态电抗标幺值X4101=4.32。此外，还挂有2台360 kW，次暂态电抗值为0.15的燃气压缩机，计算其次暂态电抗标幺值X2601=5.69。中心平台到井口平台B电缆的长度为6.6 km，单位长度电抗为0.1 Ω，求得线路电抗标幺值为XI=0.093。计算各母排短路电流，需要根据各短路点简化等效电路图，如图1所示。

图1 等效电路图

计算系统总电抗标幺值，中心平台6.3 kV母排总电抗标幺值为

X6.3 kV=XGTG//X2001A//X2001B//X2001C//X2001D//X4101A//X4101B//X6001//

((XT001//XT002+XL)//X4101C//X2601A//X2601B//X4101D))=0.033

井口平台10.5kV母排总电抗标幺值计算为

X10.5 kV=(XGTG//X2001A//X2001B//X2001C//X2001D//X4101A//X4101B//X6001+

(XT001//XT002+XL))//(X4101C//X2601A//X2601B//X4101D))=0.159

系统基准容量Sd=15 539，取峰值系数为中高压K1=1.8，于是系统次暂态三相短路电流周期分量有效值I″和非对称短路峰值ip为

2.2 短路电流计算实例

随着计算机技术的发展，电力系统的短路电流计算大多采用计算机完成。使用电力系统计算软件进行电力系统设计和分析的主要优点是：(1) 采用通用数据库的手段，将全部计算和分析由一个单一系统的模块完成，可大大减轻数据重复录入的繁琐工作，避免发生数据录入错误；(2) 在数据录入过程中，编辑器可以随时检测各类数据是否符合电力系统的设计要求，如有错误能及时发出警告并提示错误信息，提高了电力系统计算和分析的准确性，节省了大量的时间和资金。目前，国内外权威认证机构认可的以及国内外著名的工程设计公司最常使用的电力系统设计与分析的计算软件[4]是EDSA软件和ETAP软件。

采用这类软件进行短路计算和分析的主要步骤：(1) 绘制电力系统单线图；(2) 输入主要电气设备(主发电机、电力变压器和电气设备的动力电缆等)的技术参数；(3) 选择计算方法：ANSI，IEC 61363或IEC 60909；(4)获取计算结果。

以2.1节分析的JZ25-1S平台为例，使用EDSA软件进行短路分析。首先绘制电力系统单线图，输入所有电气设备的技术参数。其次，选择计算方法，一般来说，海上平台为有限容量系统，比较适用IEC 61363标准。分别使用IEC 61363和IEC 60909计算各母排短路电流结果，并与手动计算结果比较，见表1。

表1 软件和手工计算结果对比

从表1可以看出：IEC 61363，IEC 60909和手工计算结果均在同一数量级上，结果稍有差异，但设备选型在同一档次上。

3 结论

随着海洋油气田规模的不断扩大，主电站的装机容量和电压等级逐步加大和提高，海底电缆的不断加长，给短路电流的计算精度和复杂度带来很多负面影响。

本文针对JZ25-1S的中压盘进行了短路电流的估算，其中忽略了低压盘众多电动机的通过变压器反馈到中压盘的短路电流，从与EDSA软件计算结果比对分析中可以发现，本文所采用的忽略计算可以满足电气设备选型及保护的要求，可以作为今后校核软件短路电流计算结果的一种辅助方法。

[1] 船舶设计实用手册[M].北京：国防工业出版社，1997.

[2] 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：GB/T 21066-2007[S].国家标准局，2007.

[3] 三相交流系统短路电流计算：GB/T 15544-1995[S].国家标准局，1995.

[4] 电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

Calculation and Analysis of Short Circuit Current in Electrical System
of Marine Engineering Project

LU Xuesong

(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tian Jin 300451,China)

It is a very important issue to offshore engineering staff that how to insure electrical facilities successfully with stand short-circuit electrical shock and ensure the safety of offshore production.The priority is given to basic research,the mathematical model of electrical system of marine engineering project is built,the method of calculating short-circuit current of offshore platforms is discussed，and the short-circuit current calculation is verified in the EDSA software.It can be found that the ignored calculation can meet the requirements of electrical equipment selection and qrotection.Theoretical analysis of these provide a useful reference for designing staffs working on the offshore oil engineering.

power system； short circuit calculation； EDSA software

2017-01-12

卢雪松 (1982-)，男，工程师

1001-4500(2017)03-0058-04

TE58

A