EDSA仿真軟件在鉆井船電力系統短路分析中應用

侯四維,宗洪亮

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

目前鉆井船廣泛應用于海洋鉆探領域，且具有自航能力和動力定位能力 ，可快速地從一地移動至另一地，經濟性好，適用于深水和超深水領域。考慮到遠洋鉆井采油工作的進行，鉆井船電動力系統相當重要，因此在整個鉆井船設計前期，電力系統的設計成為重要的部分。

在電力系統設計時精確地推算電網中各點的短路電流，可以合理地選擇配電方式和保護裝置，以保證電力系統發生短路時，將短路破壞限制到最小。國內外關于船舶電力系統短路電流的計算方法有很多，由于計算目的的不同，計算方法也不盡相同。隨著計算機的智能化，這些方法也被計算機化，使得短路電流計算更加方便、可視化。

本文通過EDSA仿真軟件的短路電流分析功能,分析1 500米作業水深鉆井船項目實例，并給出鉆井船電力系統短路電流的分析結果。

1 EDSA概述

EDSA是由美國EDSA公司開發的先進的可視化電氣語言，是專門針對于電力系統進行計算、分析、設計、模擬以及提供各種解決方案的綜合性軟件包。該軟件擁有直觀及友好的操作界面、強大而完善的計算分析功能、開放式數據庫連接,能為電力電氣系統進行設計計算、分析、模擬及控制，并提供權威性的理論依據和詳細的數據支持，也為電氣系統改造提供優化及整改措施，使其實現電氣系統全部數據動態管理，也是電氣系統管理調度的有效手段。目前被廣泛地應用于核電站、海洋平臺、發電廠、船舶行業等要求高可靠的場合。因此更好的使用與推廣此軟件具有一定的現實意義[1]。

其中，EDSA進行仿真分析的操作步驟與人工分析的步驟大致相同。用戶通過EDSA的CAD集成環境對接線圖與各元器件參數設置修改為例，具體步驟如下：

1)制作一個項目的數據庫，根據工程初步設計各設備的選型后，在數據庫中編輯各設備的參數，如若EDSA本身數據庫有相應需要的設備，可直接調用。

2)繪圖步驟，在創建一個新的項目時，首先對主文件設定（設定的信息將影響圖紙顯示），如Networking setting中包括系統網絡的類型，系統短路容量，系統頻率，圖紙所需顯示單位等信息。再次，屬性欄設定頁面大小。之后，EDSA右側圖標欄拖拽所需的元件。最后，連接支路元件的觸頭與節點元件。

3)參數輸入步驟，在圖紙主頁，點擊不同元器件進行參數配置：如發電機，可以輸入常用的名稱、電壓、功率、功率因數、暫態電抗、次暫態電抗等；母線的系統電壓，電阻抗等參數。各元器件的參數根據所需，可隨時修改，也可直接從數據庫調用所需參數。特別說明，可以根據項目研究的目的，進行相應的參數配置，不需要的參數無需配置。

4)仿真結果顯示，分析。

5)完成。

2 短路電流分析程序

EDSA的短路電流分析程序基于ANSI/IEC/IEEE標準，能夠進行設備評估、不同短路電流計算方法分析等。并且通過報告與曲線可以清楚的知道短路電流的變化情況。

1）設備評估 。此程序以ANSI/IEEE標準，使用周波來計算設備的分斷時間，并通過計算峰值性能、分斷性能、瞬時性能等值，選擇評估設備。

2）不同短路電流計算方法分析。根據項目需求，選擇相應的短路電流計算方法，分析短路點，并顯示短路點處的短路電流，結果也以報表及短路電流時間曲線出現。

短路電流分析的基本步驟：1）利用EDSA軟件構建電力系統單線圖，并將各電氣設備參數輸入或直接從數據庫中選擇。2）選擇相應的短路電流計算方法。3）選擇需要分析的短路點。4）選擇分析的周波及結果顯示方式。5）觀察并分析結果。

3 仿真實例

本文針對1 500米作業水深鉆井船工程項目，通過EDSA軟件對其電力系統短路電流分析與仿真研究。該鉆井船主發電機選用四臺型號相同的發電機（P=2 350 kW，U=6.6 kV，x″d=0.09,x′d=0.15,xd=1),一臺備用發電機（P=1 600 kW，U=6.6 kV，x″d=0.055,x′d=0.15,xd=1）。 電力系統接線圖如圖 1 所示。

圖1 1500米作業水深鉆井船建模Fig.1 1500meterswater depth in drilling ship modeling

從圖1可知，臨近主匯流排最嚴重的短路發生在五臺發電機組與一臺電動機并聯的饋送短路電流時，據推薦的鉆井船電力系統短路電流計算方法可知，EDSA軟件中的IEC61363計算法比較適合分析此項目，計算短路電流時生成一個時間與瞬態電流值的函數曲線，這個方法可以提供更準確的短路電流，適于鉆井船電力系統的評估保護、設備選型和整定繼電器等[2-3]。

3.1 仿真分析

首先在EDSA軟件中繪出電力系統如圖1，選擇短路電流計算方法IEC61363，對鉆井船電力系統短路點進行短路電流計算。

以下列3種不同的狀態下，分析圖1電力系統的短路電流在1/2周波下的結果以及短路電流隨時間衰減的變化曲線[4]。

狀態一：主匯流排1短路，五臺發電機與一臺電動機饋送短路電流。

狀態二：主匯流排1與主匯流排2相連接的斷路器斷開，主匯流排1短路，只有兩臺型號相同的1#發電機與2#發電機饋送短路電流。

狀態三：主匯流排1與主匯流排2相連接的斷路器斷開，1#發電機出口端短路，只有其本身短路電流與另一臺發電機饋送短路電流。

其中每臺發電機饋送的短路電流交流分量、直流分量、總電流分別見公式（1）（2）（3）

電動機饋送短路電流交流分量、直流分量、總電流分別見公式（4）（5）（6）

計算得出3種狀態下短路電流值如表1所示。相對應的仿真曲線如圖2～4所示，為使短路電流仿真曲線與對應直流時間常數曲線變化比較直觀，分別設步長為2ms與16ms[5]。

其曲線中符號說明如下：Idc—短路電流直流分量

Iac—短路電流交流分量

Ienv—短路電流上包絡線

i—瞬時總電流

Im—交流分量幅值

iac—瞬時交流分量

Tdc-直流時間常

表1 短路電流有效值Tab.1 Short circuit current effective value

圖2 短路電流與直流時間常數曲線Fig.2 Short-circuit current and DC time constant

3.2 分析結果說明

由短路電流值與時間衰減的短路電流變化曲線圖可知，主匯流排短路點的短路電流主要為發電機與電動機的饋送。發電機1#、2#、3#、4#、5#出口端、電動機進口端與主匯流排1、2短路點短路電流幾乎相同，在工程上可視為等同，也表明臨近主匯流排饋電線處短路，線路阻抗可忽略不計。

根據得到的短路電流值，可進一步得出此母排處所需斷路器的容量為25 kA，即為合適的斷路器，作為保護設備，降低了短路的破壞性[6]。

圖3 短路電流與直流時間常數曲線Fig.3 Short-circuit current and DC time constant

圖4 短路電流與直流時間常數曲線Fig.4 Short-circuit currentand DC time constant

4 結論

EDSA電力系統仿真軟件根據分析項目的不同，給出不同的短路電流計算方法，對于繁瑣的電力系統，可以很方便、準確的計算出短路電流，并繪出短路電流衰減曲線。分析結果得出電力系統所需的電氣設備容量，以此選擇合適的電氣設備，保證整個電力系統在實際工程中穩定運行。因此，將該軟件廣泛的推廣與應用，對于實際工程具有一定的意義。

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