基于ETAP的海洋平台末端设备短路预估的研究

杨露露，张兴权，朱坤军

应用研究

基于ETAP的海洋平台末端设备短路预估的研究

杨露露，张兴权，朱坤军

（招商局重工江苏有限公司技术中心，江苏南通 226116）

发生短路过电流电气故障时，为了能对电气末端设备进行保护，需要预估电气末端设备汇流排的短路电流。应用ETAP(电力电气分析、电能管理综合分析软件系统)通过不同电缆长度预估出上游短路电流贡献值，通过电机短路电流快速计算法预估出下游短路电流贡献值，汇总获得电气末端设备汇流排的短路电流。预估出的短路电流为电气末端设备选用合适的保护电器和汇流排等提供了依据。本预估方法适用于船舶及海洋平台等孤岛式电网具有一定的通用性及经济性。

ETAP 电气末端设备 短路电流计算

0 引言

海洋平台电站是孤岛式的电力系统，是决定海洋平台安全及性能的关键因素，同时需要考虑经济性和可靠性。

随着大型海洋平台的发展，电网系统中的汇流排也随之增加，受电力分析软件如ETAP对汇流排计算数量的限制，电气终端设备的汇流排的短路值无法逐一计算。

本文通过某FPSO项目的电气终端汇流排的短路值估算，介绍了ETAP软件和相关船级社短路计算理论相结合快速估算出电气终端设备的汇流排短路值的方法，探讨了短路值的快速估算在海洋平台等孤岛电网中的应用。FPSO表示浮式液化天然气生产储卸装置

1 电气末端设备短路电流预估

1.1 电气末端设备汇流排短路的预估方法

常规送审船级社应计算下列各处的短路电流[1]：

1）主发电机及应急发电机输出端

2）主配电板、应急配电板

3）分配电板的汇流排及变压器次级侧。

另外，根据电力系统保护的设计及开关整定需要，有时还应进行馈电线末端短路电流的计算。

短路发生在电气末端设备汇流排时，其短路电流分别来自于故障母排上游的等效馈送短路电流和下游负载如电机端贡献的短路电流。其上游短路电流贡献值可以通过ETAP计算得到，下游马达短路电流贡献值通过电动机短路电流快速计算法算得，在忽略短路电流相位角的情况下，上下游短路电流贡献值之和为电气末端设备汇流排上的短路电流值。

1.2 上游等效馈送短路电流贡献值的预估方法

1）上游短路电流贡献值取决于主汇流排至末端设备汇流排的电缆阻抗[1]，它与电缆阻抗成反比。

而电缆阻抗与电缆截面成反比，与电缆长度成正比，与短路时的电缆导体温度正比。电缆的长度、截面及短路时导体温度三者共同决定了电缆阻抗的大小。通过设定不同的电缆截面与电缆长度由ETAP计算出上游短路电流贡献值。

2）从进行短路电流计算的目的出发，往往仅考虑短路电流的最高值。

该FPSO项目电制为11 kV/690 V/230 V 60 Hz。其最大工况为上层模块电网与船体部分电网进行负载转移时,电网配置说明如下：

上层模块的两台36.25 MW燃气轮机发电机（饱和态次暂态短路阻抗为19%），分别为带有母联开关且合闸的两段上层模块的11 kV配电板供电；

两段上层模块的11 kV配电板分别给带有母联开关且合闸的两段船体部分的11 kV配电板供电；

两台2690 kW燃油发电机（饱和态次暂态短路阻抗为8.8%），分别给带有母联开关且合闸的两段船体部分的11 kV配电板供电；

两段船体部分的11 kV配电板分别通过4500 kVA变压器（短路阻抗10%）为带有母联开关且合闸的两段船体部分的690 V配电板供电；若干高低压马达在线。

通过电缆样本[2]查得电缆基础数据数，电缆电阻值Rc(90℃）、电缆电抗值Xc(60 Hz）、额定载流量见表1，电缆导体最大额定导体温度为90℃，最大短路短时耐受温度为250℃。

额定可用载流量考虑50℃的空气温度矫正系数0.94和超过6根的捆扎矫正系数0.85[3]，见表1，如3x120 mm²的可用额定载流量为237A*0.85*0.94=189.4 A。

表1 电缆阻抗参数

3）按照1.2.2的工况和数据建立ETAP模型，见图1，短路计算设置如下：

短路时的电缆导体温度170℃，取中位数导体最大额定导体温度和最大短路短时耐受温度的中位数；

电缆容差为10%；

短路计算标准为IEC，执行标准为IEC61363-1；

计算出该FPSO最大工况下各配电板母排的短路值，其中690V配电板的短路值为75 kA(=/2）。以690V配电板下游设备作为电气末端设备为例。在此基础上，设置不同电缆截面和长度通过ETAP软件计算出电气末端设备汇流排的短路值i见表2。

式中表示以短路发生时刻为起点的持续时间，表示周期。

1.3 下游马达贡献短路电流的预估方法

该FPSO项目所用均为异步电动机，短路预估方法[1]如下：

假设短路时，投入系统运行的所有异步电动机所产生的短路电流等于它们的起动电流（通常为额定电流的4至7倍）。

在计算电动机短路电流时，忽略短路发生前电动机负载电流的影响，由此引起的计算误差可以忽略不计。

根据异步电动机的特征参数为基础，计算出在主汇流排附近短路情况下，电动机所馈送的短路电流为：

大电动机：I=4.00I（当=/2 时，小电动机群：I=3.2IrM（当=/2 时）。

式中：I表示异步电动机的对称短路电流（方均根值），I表示异步电动机额定电流（方均根值）

为了计算方便将异步电动机的对称短路电流统一按照异步电动机额定电流的4倍计算，考虑到电机的额定电流不会超过表1中电缆可用额定载流，如3x120 mm²的可用额定电流为0.1894 kA，对应马达最大的额定电流最大为189.4 A,按照短路电流预估方法预估出该条件下的短路电流贡献值为0.1894 kA*4=0.758 kA,用此方法推算出各电缆下的电动机的短路电流最大贡献值i,见表3。

图1 ETAP模型

表2 由ETAP计算出不同电缆截面和长度的上游短路电流iup（kA)

表3 按照短路电流预估方法预估idn（kA)

1.4 末端设备汇流排短路的预估结果

综合表2和表3得到电气末端设备汇流排短路值i的预估结果，如10米的3X120 mm²电缆预估的末端短路为58.452 kA+0.758 kA=59.21 kA，见表4。

表4 电气末端设备汇流排短路值iend的预估结果（kA)

2 电气末端设备短路电流预估的应用

通过预估的电气末端短路电流可以有如下等应用：

1）确定电气末端设备的进线开关的选型，按照该FPSO项目使用的ABB开关样本查得开关的额定分断能力见表5，按照额定分断能力选择开关，如截面为3X120 mm²长度为50米的电缆对应的短路值为28.129 kA选择的开关为Tmax T4H。

表5 开关的额定分断能力(kA)

式中Ics表示开关额定分断能力，Icu表示开关极限分断能力。

2）确定电气末端设备母排的短时耐受值，如3X120mm² 50 m长电缆所供电的电气末端设备母排的短时耐受值可以选择30 kA/1 s；

3）确定是否需要提供弧闪保护，该FPSO项目要求超过50 kA的电气设备需要提供额外的弧闪保护。

3 结论

受制于电力分析软件对母排数量计算的限制和缺乏计算的快捷方法，对于电气末端设备保护电器的合理选型一直是电气设计的薄弱环节，保护电器选型偏大会造成成本浪费，偏小则会带来安全隐患。本文介绍的短路电流预估法较为快捷且适用于船舶和海洋工程的配电板下所带的所有电气设备汇流排的短路电流预估，如非电动机类负载不需要考虑电动机的短路贡献。

[1] 中国船级社. 海上浮式装置入级规范. CCS[S]. 2020.

[2] 中天科技. 中天科技装备电缆[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

杨露露（1984-），男，工程师。研究方向：船舶电气。E-mail: kingyll@163.com