基于ETAP的海洋平臺(tái)末端設(shè)備短路預(yù)估的研究

楊露露，張興權(quán)，朱坤軍

應(yīng)用研究

基于ETAP的海洋平臺(tái)末端設(shè)備短路預(yù)估的研究

楊露露，張興權(quán)，朱坤軍

（招商局重工江蘇有限公司技術(shù)中心，江蘇南通 226116）

發(fā)生短路過電流電氣故障時(shí)，為了能對(duì)電氣末端設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，需要預(yù)估電氣末端設(shè)備匯流排的短路電流。應(yīng)用ETAP(電力電氣分析、電能管理綜合分析軟件系統(tǒng))通過不同電纜長(zhǎng)度預(yù)估出上游短路電流貢獻(xiàn)值，通過電機(jī)短路電流快速計(jì)算法預(yù)估出下游短路電流貢獻(xiàn)值，匯總獲得電氣末端設(shè)備匯流排的短路電流。預(yù)估出的短路電流為電氣末端設(shè)備選用合適的保護(hù)電器和匯流排等提供了依據(jù)。本預(yù)估方法適用于船舶及海洋平臺(tái)等孤島式電網(wǎng)具有一定的通用性及經(jīng)濟(jì)性。

ETAP 電氣末端設(shè)備 短路電流計(jì)算

0 引言

海洋平臺(tái)電站是孤島式的電力系統(tǒng)，是決定海洋平臺(tái)安全及性能的關(guān)鍵因素，同時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

隨著大型海洋平臺(tái)的發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)中的匯流排也隨之增加，受電力分析軟件如ETAP對(duì)匯流排計(jì)算數(shù)量的限制，電氣終端設(shè)備的匯流排的短路值無法逐一計(jì)算。

本文通過某FPSO項(xiàng)目的電氣終端匯流排的短路值估算，介紹了ETAP軟件和相關(guān)船級(jí)社短路計(jì)算理論相結(jié)合快速估算出電氣終端設(shè)備的匯流排短路值的方法，探討了短路值的快速估算在海洋平臺(tái)等孤島電網(wǎng)中的應(yīng)用。FPSO表示浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置

1 電氣末端設(shè)備短路電流預(yù)估

1.1 電氣末端設(shè)備匯流排短路的預(yù)估方法

常規(guī)送審船級(jí)社應(yīng)計(jì)算下列各處的短路電流[1]：

1）主發(fā)電機(jī)及應(yīng)急發(fā)電機(jī)輸出端

2）主配電板、應(yīng)急配電板

3）分配電板的匯流排及變壓器次級(jí)側(cè)。

另外，根據(jù)電力系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)及開關(guān)整定需要，有時(shí)還應(yīng)進(jìn)行饋電線末端短路電流的計(jì)算。

短路發(fā)生在電氣末端設(shè)備匯流排時(shí)，其短路電流分別來自于故障母排上游的等效饋送短路電流和下游負(fù)載如電機(jī)端貢獻(xiàn)的短路電流。其上游短路電流貢獻(xiàn)值可以通過ETAP計(jì)算得到，下游馬達(dá)短路電流貢獻(xiàn)值通過電動(dòng)機(jī)短路電流快速計(jì)算法算得，在忽略短路電流相位角的情況下，上下游短路電流貢獻(xiàn)值之和為電氣末端設(shè)備匯流排上的短路電流值。

1.2 上游等效饋送短路電流貢獻(xiàn)值的預(yù)估方法

1）上游短路電流貢獻(xiàn)值取決于主匯流排至末端設(shè)備匯流排的電纜阻抗[1]，它與電纜阻抗成反比。

而電纜阻抗與電纜截面成反比，與電纜長(zhǎng)度成正比，與短路時(shí)的電纜導(dǎo)體溫度正比。電纜的長(zhǎng)度、截面及短路時(shí)導(dǎo)體溫度三者共同決定了電纜阻抗的大小。通過設(shè)定不同的電纜截面與電纜長(zhǎng)度由ETAP計(jì)算出上游短路電流貢獻(xiàn)值。

2）從進(jìn)行短路電流計(jì)算的目的出發(fā)，往往僅考慮短路電流的最高值。

該FPSO項(xiàng)目電制為11 kV/690 V/230 V 60 Hz。其最大工況為上層模塊電網(wǎng)與船體部分電網(wǎng)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移時(shí),電網(wǎng)配置說明如下：

上層模塊的兩臺(tái)36.25 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)（飽和態(tài)次暫態(tài)短路阻抗為19%），分別為帶有母聯(lián)開關(guān)且合閘的兩段上層模塊的11 kV配電板供電；

兩段上層模塊的11 kV配電板分別給帶有母聯(lián)開關(guān)且合閘的兩段船體部分的11 kV配電板供電；

兩臺(tái)2690 kW燃油發(fā)電機(jī)（飽和態(tài)次暫態(tài)短路阻抗為8.8%），分別給帶有母聯(lián)開關(guān)且合閘的兩段船體部分的11 kV配電板供電；

兩段船體部分的11 kV配電板分別通過4500 kVA變壓器（短路阻抗10%）為帶有母聯(lián)開關(guān)且合閘的兩段船體部分的690 V配電板供電；若干高低壓馬達(dá)在線。

通過電纜樣本[2]查得電纜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)，電纜電阻值Rc(90℃）、電纜電抗值Xc(60 Hz）、額定載流量見表1，電纜導(dǎo)體最大額定導(dǎo)體溫度為90℃，最大短路短時(shí)耐受溫度為250℃。

額定可用載流量考慮50℃的空氣溫度矯正系數(shù)0.94和超過6根的捆扎矯正系數(shù)0.85[3]，見表1，如3x120 mm2的可用額定載流量為237A*0.85*0.94=189.4 A。

表1 電纜阻抗參數(shù)

3）按照1.2.2的工況和數(shù)據(jù)建立ETAP模型，見圖1，短路計(jì)算設(shè)置如下：

短路時(shí)的電纜導(dǎo)體溫度170℃，取中位數(shù)導(dǎo)體最大額定導(dǎo)體溫度和最大短路短時(shí)耐受溫度的中位數(shù)；

電纜容差為10%；

短路計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為IEC，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為IEC61363-1；

計(jì)算出該FPSO最大工況下各配電板母排的短路值，其中690V配電板的短路值為75 kA(=/2）。以690V配電板下游設(shè)備作為電氣末端設(shè)備為例。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置不同電纜截面和長(zhǎng)度通過ETAP軟件計(jì)算出電氣末端設(shè)備匯流排的短路值i見表2。

式中表示以短路發(fā)生時(shí)刻為起點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間，表示周期。

1.3 下游馬達(dá)貢獻(xiàn)短路電流的預(yù)估方法

該FPSO項(xiàng)目所用均為異步電動(dòng)機(jī)，短路預(yù)估方法[1]如下：

假設(shè)短路時(shí)，投入系統(tǒng)運(yùn)行的所有異步電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的短路電流等于它們的起動(dòng)電流（通常為額定電流的4至7倍）。

在計(jì)算電動(dòng)機(jī)短路電流時(shí)，忽略短路發(fā)生前電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流的影響，由此引起的計(jì)算誤差可以忽略不計(jì)。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的特征參數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出在主匯流排附近短路情況下，電動(dòng)機(jī)所饋送的短路電流為：

大電動(dòng)機(jī)：I=4.00I（當(dāng)=/2 時(shí)，小電動(dòng)機(jī)群：I=3.2IrM（當(dāng)=/2 時(shí)）。

式中：I表示異步電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱短路電流（方均根值），I表示異步電動(dòng)機(jī)額定電流（方均根值）

為了計(jì)算方便將異步電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱短路電流統(tǒng)一按照異步電動(dòng)機(jī)額定電流的4倍計(jì)算，考慮到電機(jī)的額定電流不會(huì)超過表1中電纜可用額定載流，如3x120 mm2的可用額定電流為0.1894 kA，對(duì)應(yīng)馬達(dá)最大的額定電流最大為189.4 A,按照短路電流預(yù)估方法預(yù)估出該條件下的短路電流貢獻(xiàn)值為0.1894 kA*4=0.758 kA,用此方法推算出各電纜下的電動(dòng)機(jī)的短路電流最大貢獻(xiàn)值i,見表3。

圖1 ETAP模型

表2 由ETAP計(jì)算出不同電纜截面和長(zhǎng)度的上游短路電流iup（kA)

表3 按照短路電流預(yù)估方法預(yù)估idn（kA)

1.4 末端設(shè)備匯流排短路的預(yù)估結(jié)果

綜合表2和表3得到電氣末端設(shè)備匯流排短路值i的預(yù)估結(jié)果，如10米的3X120 mm2電纜預(yù)估的末端短路為58.452 kA+0.758 kA=59.21 kA，見表4。

表4 電氣末端設(shè)備匯流排短路值iend的預(yù)估結(jié)果（kA)

2 電氣末端設(shè)備短路電流預(yù)估的應(yīng)用

通過預(yù)估的電氣末端短路電流可以有如下等應(yīng)用：

1）確定電氣末端設(shè)備的進(jìn)線開關(guān)的選型，按照該FPSO項(xiàng)目使用的ABB開關(guān)樣本查得開關(guān)的額定分?jǐn)嗄芰σ姳?，按照額定分?jǐn)嗄芰x擇開關(guān)，如截面為3X120 mm2長(zhǎng)度為50米的電纜對(duì)應(yīng)的短路值為28.129 kA選擇的開關(guān)為Tmax T4H。

表5 開關(guān)的額定分?jǐn)嗄芰?kA)

式中Ics表示開關(guān)額定分?jǐn)嗄芰?，Icu表示開關(guān)極限分?jǐn)嗄芰Α?/p>

2）確定電氣末端設(shè)備母排的短時(shí)耐受值，如3X120mm2 50 m長(zhǎng)電纜所供電的電氣末端設(shè)備母排的短時(shí)耐受值可以選擇30 kA/1 s；

3）確定是否需要提供弧閃保護(hù)，該FPSO項(xiàng)目要求超過50 kA的電氣設(shè)備需要提供額外的弧閃保護(hù)。

3 結(jié)論

受制于電力分析軟件對(duì)母排數(shù)量計(jì)算的限制和缺乏計(jì)算的快捷方法，對(duì)于電氣末端設(shè)備保護(hù)電器的合理選型一直是電氣設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，保護(hù)電器選型偏大會(huì)造成成本浪費(fèi)，偏小則會(huì)帶來安全隱患。本文介紹的短路電流預(yù)估法較為快捷且適用于船舶和海洋工程的配電板下所帶的所有電氣設(shè)備匯流排的短路電流預(yù)估，如非電動(dòng)機(jī)類負(fù)載不需要考慮電動(dòng)機(jī)的短路貢獻(xiàn)。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范. CCS[S]. 2020.

[2] 中天科技. 中天科技裝備電纜[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

楊露露（1984-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail: kingyll@163.com