中压与高压断路器选用指南

中压与高压断路器选用指南

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1.0在选用断路器时要注意下列参数 （1）绝缘电压等级

1000V以下低压为690V 10KV以下中压为7.2KV

10KV以上高压（适用于海洋石油，并以ABB断路器为例）

12KV，17.5KV，24KV（32KV，42KV，55KV）（括号中为分级估计值） 级间差 1.46 （2）额定电压

电力系统的供电电压等级（海洋石油选用） 50赫 级差 60赫 级差

3.3KV，6.3KV，10.5KV，15.2KV，22KV，35KV

1.91

1.67

1.45

1.45

1.59

1.37 1.33 1.31 1.31

4.16KV，13.8KV，38.5KV

3.32

2.79

（3）能承受电压

28KV，38KV，50KV

对应于相应电压等级的过电压倍数

28=2.33, 1238=2.17, 17.550=2.08 24

断路器能承受的电压应能承受其所在系统的大多数机率可能出现的过电压。 今以三相中性点不接地系统为例，对可能出现的操作和故障引起的过电压，以出现振荡的理论分析，得出其最高过电压为相电压的7.5倍，从多次的在系统中试验得出其过电压值有百分之八十左右的过电压值均在5倍相电压值以下，其中也有不足百分之一的情况，过电压值会达到8倍相电压，以前海洋石油电气设计要求对三相不接地系统的电气设备施以7.5倍相电压，今从降低投资出发考虑到真正出现7.5倍过电压的机率不高，因此目前已改为要求试验电压为5倍相电压。

断路器能承受的过电压要求，是与断路器所在系统的接地情况有关。 （4）不同接地系统的过电压

三相中性点直接接地系统3~3.5U 三相中性点低电阻接地系统3.5~4 U

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三相中性点高电阻接地系统4~4.5 U 三相中性点消弧线圈接地系统4.5~5 U

三相中性点不接地系统4.5~5 U 架空线最高可达7.5 U 其中U为系统的相电压 （5）脉冲试验电压

电压等级 脉冲电压

12KV 75KV 28KV

17.5KV 95KV 38KV 2.5

24KV 125KV 50KV 2.5

能承受电压

脉冲电压/承受电压 2.68 （6）海拔高度

如果断路器所在位置高于海拔1000M，则应对能承受电压值和脉冲电压值的要求进行修正。

根据IEC 60071-2 修正系数Ka=em(H-1000)/ 8150

式中H是断路器所在海拔高度（米）

m是有关于工频承受电压和常压下脉冲电压相与相间承受电压，m=1，如海拔2000米，则

Ka=em(H-1000)/ 8150= e1(2000-1000)/ 8150= e1000/ 8150= e0.1227=1.13

此断路器的承受电压和脉冲电压的承受能力可修正为应增大1.13倍。 如断路器为12KV，承受电压28KV，脉冲电压75KV，在海拔2000米时， 承受电压为28x1.13=31.6KV 脉冲电压为75x1.13=84.7KV （7）频率

50~60赫 （8）额定电流

630A，（800A，1000A），1250A，1600A，2000A，2500A，3150A，3600A，4000A

级差1.27

1.25 1.25 1.28 1.25 1.25 1.26 1.14 1.11

ABB无括号中电流等级

此值应等于或大于通过断路器的实际电流值

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（9）断开电流

这是指断路器能切断短路电流的能力

（10KA），12.5KA, 16KA, 25KA, 31.5KA, 40KA, 50KA 其级差 1.25

1.28

1.56

1.26

1.27 1.25

断开电流应大于此断路器在断开时的短路电流有效值。 （10）热稳定电流

断路器产品要求持续3秒钟通过断开电流的情况下，所有导电部分均应能保证正常工作，且其温度不超过允许值。

ABB断路器的3秒热稳定电流为：16KA, 25KA, 31.5KA, 40KA, 50KA 其中额定电流630A，断开电流31.5KA，断路器只允许持续时间1秒。 （11）接通电流

这是指断路器在电路已短路的情况下合闸，允许通过的最大短路电流值，此电流值是短路电流的交流分量和直流分量在半个周波时的总和值。 （12）接通电流与断开电流的比值

根据IEC 60947-2标准对断路器的要求为 断开电流 4.5KA

这是指断路器在脱扣线圈动作后至断路器主触头分开的所需时延的时间。 一般断路器的打开时间大多为50ms，也有的以电源的周波数表示，一般为3T。实际这断开时间与电源的频率没有关系的。因为50赫的周期T=20 ms，而60赫则T=16.67ms，3T的时延，50赫为60 ms，而60赫为50 ms。

今以ABB断路器为例，其打开时间为45 ms。 （14）电弧断开时间

ABB SF6断路器的电弧切断时间为10~15 ms

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接通电流/断开电流 1.5 1.7 2.0 2.1 2.2

短路点功率因数cos? 0.7 0.5 0.3 0.25 0.2

一般厂商未列出此数据 （15）断路器断开电流总时延

以ABB SF6断路器为例，为 45+（10~15）=55~60 ms

一般断路器的时延可以以50~60 ms计算。 （16）闭合时间

ABB 断路器为80 ms 一般厂商未列出此数据

此数据对海洋石油电站而言，主要是在发电机并车操作时需要加以考虑的并车发电机在同步操作时所应采取的提前量。 （17）重量

此值是计算配电盘重量时要加以考虑的内容。 （18）尺寸

此值对于配电盘的尺寸有较大的影响。

（19）真空断路器的真空度和六氟化硫在SF6断路器中的气体压力

ABB的SF6断路器中，SF6的压力为380Pa，此值是给以后维修时检验的指标。

（20）运行环境温度

-5oC ~ +40oC

此指标是对配电盘间的环境要求。 （21）操作通断次数

此指标是指断路器一个大修周期的操作寿命，它的次数多少是海洋石油电站在油田的生产年限内考虑负荷是否能适用的问题。

一般断路器的寿命为 1~2万次通断操作。

例如一台泵，每天约需开和停各10次，海洋油田生产寿命为15年，此泵每年需开停365x10=3650次，15年则为54750次，如此泵电动机由断路器控制，则其2万次的操作寿命远为不够。对于此泵供电选用断路器有些不合适，应选用接触器控制，因为接触器的操作寿命约为10万~20万次。 （22）海拔高度

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一般断路器的海拔高度以1000米为标准，如海拔超过1000米，则对其能承受电压和脉冲电压值要加以修正，对海洋石油而言，此指标不重要，因为海洋石油设施均在海拔1000米以下。 （23）防护等级

ABB 断路器为IP2x

一般断路器均安装在配电盘内，防护等级主要是取决于配电盘的防护等级，可以是IP2x或IP3x，对断路器的防护等级要求不是主要的。 （24）断路器断开特殊负荷的能力

今以ABB HD4 SF6断路器为例 断路器额定电流（A） 断开空载变压器（A） 630 10 1250 1600 2000 2500 3150 3600 4000 10 31.5 630 630 630 10 31.5 10 31.5 10 31.5 10 31.5 10 31.5 10 31.5 断开空载电缆或线路（A） 31.5 断开容性电流（A） 400 1000 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 断开补偿性电抗电流（A） 630 断开电动机额定电流（A） 630 注：以上是考虑了在所有断开情况时的最大过电压不超过此断路器额定值的2.5倍。

由以上分析知，断路器在限于上表中电流值下断开， 最大过电压<2.5x断路器额定电压（线电压）<2.5x3额定相电压

<4.33额定相电压

以上过电压值基本可满足于中性点直接接地，中性点低阻接地的要求，同时基本满足中性点高阻接地的要求，因为高阻接地系统的过电压为系统相电压的4~4.5倍。

由于所选断路器的额定电压通常是高于系统的额定电压，因此上述的特殊负荷的断开电流值有可能也能满足于中性点是消弧线圈接地或中性点不接地系统。

例如电力系统电压为13.8KV，中性点不接地，其过电压值大多数为（4.5~5）倍相电压，即（4.5~5）x

13.83=(35.85~39.84)KV。如此系统选用ABB的17.5KV

额定电压的断路器，其能承受电压为38KV，其能承受电压还可能满足在13.8KV

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的不接地系统中使用。（最高过电压值39.84KV，超过断路器的能承受电压38KV） （25）短路点的短路功率因数

此项内容不列入断路器的产品目录的参数中，但对于选用断路器还是很重要的。

断路器产品的出厂检验，在检验断路器的断开电流能力时，常以IEC标准进行。如一个断路器的断开能力为50KA，检验时断路器通以IEC标准50KA的短路功率因数为0.2的50KA电流，然后使其跳闸，检查断路器能否切断此电流。 但在实际使用中，短路点的短路功率因数可能小于0.2之值，此时断路器的实际切断电流的能力就要降低，其真正原因在于功率因数降低，代表电路中的电阻分量下降，电抗分量上升的结果。这正好表明此电路中的短路电流衰减变慢，电流衰减缓慢，切断电流就困难，断路器的切断电流能力下降。

断路器的实际切断能力可由下列步骤计算求得 1. 计算断路器所在电路在短路时的功率因数； 2. 短路时的电抗电阻值取自短路后

T时的值（实际应取在断路器断开时的值）； 23. 根据短路cos?值在n’~cos?曲线（见图一）上查得n’值； 4. 根据断路器的接通电流和断开电流值求得其比值n

n=

接通电流

断开电流nx断开电流 n'5. 实际断开电流=

例如：ABB断路器额定电流630A，额定电压17.5KV

接通电流63KA，断开电流25KA 如短路点功率因数0.05 查n’~cos?曲线，得n’=2.65 实际断开电流=

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63/252.52x25?x25?23.77KA 2.652.63图一、n’~cos?曲线

2.92.82.72.62.52.42.32.2n'2.121.91.81.71.61.51.400.10.20.30.40.50.60.70.80.91cos

（26）断路器验收试验电压

断路器在验收时都要进行高电压试验，其试验电压为交流工頻有效值，加高压试验电压持续时间为1分钟，其试验电压值以断路器所在系统的接地情况而定。试验电压值一般均应等于或稍高于此接地系统可能出现的大多数机率的过电压值，对于海洋石油常用的接地系统的试验电压为：

中性点直接接地系统 中性点低阻接地系统 中性点高阻接地系统

3.5U 4U 4.5U

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中性点不接地系统 其中U为系统的相电压

5U

试验电压应施加于每个断开的动静触头以及它们与外壳（接地）之间，共有9个加压试验值。 （27）断路器的合闸系统

断路器的合闸系统中使断路器合闸的驱动力是合闸弹簧，但使弹簧处于拉紧状态的则是一个弹簧储能电动机。控制弹簧做合闸操作的则是控制电磁铁。

电动机和磁铁的电源可以是任选的，一般有 直流：24V，48V，110V，120V等； 交流：24V，110V，120V，208V，220V等。 电源设备

直流：蓄电池，交流变直流整流器

交流：由汇流排或发电机经电压互感器提供110V或120V交流，也可以由UPS提供110V或120V交流。

对选用断路器合闸电源应考虑的方面： 1．供电的可靠性 2．日常维护的要求 3．误操作预防效果 4．投资费用的高低 有关供电可靠性的分析

提到供电可靠性，首先是考虑合闸电源用蓄电池供电。其理由是不论断路器

所在系统的交流是否有电或无电，由蓄电池供电的合闸系统总是有电的，对断路器合闸操作用蓄电池供电具有相当高的可靠性，从这观点出发陆上的变电站不少都备有蓄电池和蓄电池充电系统，作断路器的操作电源。

近代技术的发展，不断电电源UPS已广泛应用，从供电可靠性看，UPS也

具有很高的可靠性，因此UPS电源被用作断路器的合闸电源也被广泛采用，如目前我国南海的海洋油田电站，多数为英美设计，它们的断路器的合闸电源多数选用UPS供电，UPS电源都是交流。

电源电压的高与低，它也会影响可靠性，低电压如24V，其优点是电压低，

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对操作人员受电击危害少。但在海洋油田也有不利的方面，其原因是海洋大气的腐蚀性大，低压电源的电路中有多处接线端子，在这些端子上出现腐蚀产生铜绿，就会造成导电不良，使用电端电压降低而不能工作。对海洋石油电站，电源电压以110V左右为佳。

直流在控制触头断开时易产生电弧，其灭弧要比交流困难，从这方面考虑海

洋石油断路器合闸电源，多采用交流。

有关日常维护的分析

对于蓄电池的使用，需要日常维护的工作量相对要多一些，为此目前合闸电

源多不用蓄电池作电源，但在采用UPS供电方案时，UPS也是有蓄电池的，但由于断路器的合闸电源容量不大，其容量只是UPS容量中的一小部分，可以不把此部分作重点考虑。

有关投资费用的分析

如果对合闸电源配置专用的UPS，则其投资费用无疑是最高的，但如果对于

一个已有30~50KVA UPS容量的海洋石油电站，则容量约在1KVA以下的合闸电源系统，采用UPS作为电源，其影响投资费用的增加并不一定是大的。

专用的蓄电池作电源方案的投资费用也是较高的。

采用汇流排电源或发电机电源经电压互感器供电的费用是最低的。因为电压

互感器是系统中必需的设备，合闸电源由其供电，仅需增大一些互感器的KVA容量而已。

有关误操作预防的分析

这是一个操作安全上要特别注意的问题。 例如

图二

汇流排

汇流排上三台发电机G1、G2、G3，G2、G3并联运行，G1为备用，此时

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K1断开，K2、K3断路器闭合，如果断路器的合闸电源由蓄电池、UPS、以及汇流排上的互感器供电，这些电源都是存在的，当人误按断路器K1的合闸按钮后，K1就会闭合，而此时发电机G1是备用，原动机并未驱动，它处于静止状态。当K1闭合后，就有电流送入发电机，而此时同步发电机不会起动旋转，其电枢中无感应电势产生。因此此时流入发电机的电流很大，此误操作会导致G1发电机烧坏。渤海的某一油田电站就曾因为这样的一次误操作将一台处于备用状态下的发电机烧毁。

从这一误操作事故，海洋石油设计者得出一个结论，断路器的合闸电源应取自自身的电源。

图三

合闸合闸电磁铁 由上图知，欲使断路器K闭合，其必要条件是发电机G已发电至正常电压，

这样才能由电压互感器供电至合闸电路，使断路器合闸。如果此时发电机未运行并发电，就是误按合闸按钮，断路器因为没有合闸电源，所以K不可能闭合，这样合闸电源的设计可以避免由于误操作而引起的危害设备的事故。对于有反送电危害的设备，也可以根据此办法设计，以避免误操作会造成人员和设备的危害。

对于电压互感器PT的电路，要特别对汇流排上的短路容量，即短路后电源

T）的短路电流值予以注意。电压互感器的熔断器的短路容量2的半个周波时（即

要满足要求外，对联接于熔断器高压边的电缆也要加以特别的注意。

例如系统的三相短路电流的交流分量的有效值为IK，则在发电机直联系统

中，二相短路时，其短路电流值可达三相短路电流值的1.2~1.6倍，一般可取1.5倍计算。

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即选择电压互感器的熔断器时，虽然熔断器的额定电流一般为1~2A，但其

短路容量为1.5IK，往往需要数十千安的容量，对于这点往往会被忽视，要特别注意。否则在大短路电流作用下，熔断器会爆裂或切不断短路的事故发生。

对于熔断器高压侧电缆，其最小截面积应根据下列公式计算 A=

1.5IKt 145其中A

IK t

145 1.5

— 电缆最小截面积（mm2） — 短路电流的交流分量有效值（A） — 短路电流允许持续时间（秒）

— 常数，适用于工作温度为85oC，最高允许温度为250oC的电缆 — 为二相短路时，短路电流值比三相短路增大1.5倍估计

一般熔断器在流过数十千安短路电流时，约能在20ms内熔断并熄灭电弧。

为安全起见，可以20~40ms作为短路电流的持续时间，则电缆的最小截面积应为

21.5IK0.02~0.04IK1.5(0.02~0.04)IK2.25(0.02~0.04)A===

145145145 =

IK0.045~0.09IK(0.141~0.3)==（0.97~2.07）IK x10-3≈1~2 IK mm2(IK以

145145KA表示)

对于由蓄电池、UPS及汇流排互感器作合闸电源的系统，为防止误操作出现，

对合闸电路中应加以连锁控制。检查上述这些供电电源有无联锁，对断路器的合闸电路是很重要的。不恰当或没有联锁，在出现误操作时会出现设备损坏和人身伤害事故。

例如在下列的供电系统中

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图四

正常情况时，发电机G1和G2，变压器T1和T2均并联运行，如T2变压器10.5KV

进线处出现故障，需要修理，正常操作程序为：

1. 断开高压真空断路器VCB4 → 断开低压空气断路器ACB2 → 对变压器T2进

线端进行放电 → 对T2进线端的A、B、C三线接地，使形成三相短接接地 →人员进入进行维修。

2. 断开ACB2 →断开VCB4 →对T2进线端对地放电 → 对T2进线端三相接地

→ 人员进入进行维修。

从以上两种操作程序比较，第一种程序是正确的，而第二种操作程序存在不合理，其理由是先断开ACB2后，变压器T2是空载运行，此时再断开VCB4时，VCB4切断的是变压器的空载电流，如果变压器的容量较大，其相对的空载电流也大，此时切断VCB4就会产生较高的过电压，会引起系统中各电气设备的绝缘受损。

以上原因可以参见前面的ABB断路器对切断特殊负荷的说明，当各种额定电流等级的断路器（630A~4000A），允许切断空载变压器的电流为10A，这样才能保证切断时产生的过电压不超过断路器额定电压值的2.5倍。

现在再进一步讨论误操作的问题。

如果在维修时，有人误按ACB2的合闸按钮，ACB2就会合闸，400V的汇流

排就会将400V的电压送入变压器T2，而T2就会变出10.5KV电压送至维修点，如果维修处已三相接地，此时就会出现三相短路故障，ACB2的合闸操作就是一

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个在已短路的情况下合闸。例如400V汇流排的短路电流值为65KA，则ACB2合闸时的电流可能达1.82?65KA=165.5KA，它必然会对系统造成巨大的冲击，会引起系统跳闸停电事故。如果维修点没有进行三相接地联接，此时10.5KV电压送至维修点，则必然会使维修人员受电击而造成伤亡事故。由此可以看出对高压设备的维修工作，为了防止维修人员的伤亡事故发生，对维修处电路的三相接地是非常重要的。

为了防止误操作对并联运行的变压器的高压与低压侧的断路器加以联锁保护是非常重要的，其联锁保护在单线图上以如下方式表示：

图五高压汇流排低压汇流排

它们的联锁程序一般为

VCB断开 →联锁使ACB随之断开

这种联锁方式是VCB断开后，其辅助触头使ACB的跳闸电路接通，使其跳

闸。也可以使ACB的欠电压继电器电路断开，使欠电压保护动作使ACB跳闸，但欠电压动作一般都设定有时延1~10秒。

如果在ACB跳闸后，再按合闸按钮，由于合闸电源如由蓄电池、UPS或汇

流排上的电压互感器供电，则电源存在，合闸按钮闭合就能使ACB合闸，此时就还会产生上述的事故。

因此从联锁看，它是存在，但到底是如何联锁，必须要对配电盘的联锁控制

进行检查，联锁方法必须是在VCB断开时，同时使ACB跳闸电路动作使ACB跳闸，同时还必须使ACB合闸电路断开，使其不能再合闸。对这种联接的安全性

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检查是比较麻烦的。因为它涉及配电盘的控制系统的电路。

如果ACB的合闸电源取自其进线端的电压互感器，当VCB跳闸后，变压器无电输出，ACB的合闸电源无电，它因此也没有可能再合闸，这样可以防止误操作的发生。比较上述结果，我曾提出断路器的合闸电源取其自身的进线电源，这方案一直在海洋石油中应用。 （28）断路器的跳闸系统

为了尽快的控制事故的发生，断路器的切断是非常重要的，也就是断路器的

跳闸脱扣系统是很重要的。它应具有非常重要的可靠性，其供电电源如合闸电源分为：

直流：24V，48V，110V，120V 交流：24V，110V，120V 以上是可以任选的。

目前断路器的跳闸电源陆上变电站有用蓄电池的，也有用UPS的，对海洋石油电站，现在基本都是采用UPS110V或120V电源。 2.0断路器选用合理性校核

今以南海某平台电力系统为例来对所选用的断路器进行校核。 2.1供电系统

图六

?海缆(3- 15 -

2.2系统分析

电源供电电压15.2KV 平台受电电压13.8KV 15.2KV接地系统分析

12500KVA变压器15.2KV侧额定电流 IN=

125003?15.2=474.8A

8800=76.52 115接地变压器变比为

接地电阻折算至高压侧为0.015?76.522=87.83Ω 接地电流 IG=

152003?87.83=99.92A

接地电流占额定电流百分值

99.92?100%=21.04% 474.8低电阻接地系统的接地电流占额定电流百分值范围为25%~100%，由此可以得出此系统基本是低阻接地范围，但因其接地电流值较小，它有些偏向于高阻接地。

以低阻接地考虑，此系统可能出现的因操作或故障引起的过电压约为4倍系统的相电压，即

4?

15.23

=35.1KV

2.3断路器额定电压选择校核

电源电压为15.2KV

已选用断路器ABB SF6 17.5KV电压等级 从额定电压校核：合格 2.4以过电压值校核

从系统可能出现的过电压为35.1KV

ABB SF6 17.5KV断路器能承受的电压为38KV 由此从过电压校核选用合格

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2.5以额定电流校核

断路器K1和K2中的电流是12500KVA变压器15.2KV侧的额定电流，其值为474.8A。

而选用的断路器K1和K2均为1250A，是选大了。

校核结果，K1、K2没有必要选用1250A，而选用630A等级已能满足要求，显然选用1250A使投资费用增大，是没有必要的。

对于5000KVA变压器,其额定电流为 IN=

50003?15.2=189.9A

选用K3断路器630A满足要求，因高中压断路器的最小电流等级为630A，所以不能再选小等级。

对于600KW电动机，其额定电流为 IN=

6003?13.8?0.85?0.85=34.7A

设电动机的效率和功率因数均为0.85

选用K4断路器630A等级，满足要求，也是由于断路器的最小电流等级为630A。

从电动机的额定电流仅为断路器额定电流的

34.7=0.055看，此电流仅是断路630器额定电流的5.5%。由此看出此电动机选用15.2KV供电，在电压等级上选择并不很合适。

2.6从断路器能切断特殊负荷校核 ? 切断600KW电动机

K4为ABB的17.5KV，630A断路器能切断电动机额定电流为630A，今电动机额定电流为34.7A。

校核合格

? 切断5000KVA空载变压器能力的校核

变压器额定电流 IN=

50003?13.8=209.2A

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一般变压器的空载电流约为额定电流值的(3~7)% 空载电流为

(3~7)%?209.2=6.28~14.64A（13.8KV额定电压时）

今变压器的供电电压为15.2KV，它比变压器额定电压13.8KV要高，约为

15.2?100%=110.145% 13.8从变压器的磁化曲线（见图七）查得：

图七

变压器磁化曲线1201101009080E.B. p60504030201000102030405060708090100110120130140ID%

当电压由100%增至110%时，变压器的励磁空载电流有可能会增至130%以上。

在电压为15.2KV时,13.8KV 5000KVA变压器的空载电流 I0=1.3?(6.28~14.64)=8.16~19.03A

所选用的断路器允许断开空载变压器的电流为10A，而此台变压器的空载电流已有可能超过此值。

- 18 -

校核结果，K3断路器很大可能在切断空载变压器电流上不合格至于K2断路器。如果汇流排上还有其他变压器，则变压器空载电流总值会远大于10A，校核结果不合格。

由断路器切断特殊负荷的备注中说明，如果切断的特殊负荷的电流均在所列范围内，则切断电路时产生的操作过电压均不会超过2.5倍断路器的额定电压。

所选断路器额定电压17.5KV

切断10A以下空载变压器，过电压不会超过2.5?17.5=43.75KV。今断路器K2 、K3要切断空载变压器的电流超过10A，其出现的过电压会超过43.75KV。

由此经过校核这两个断路器应选用电压等级为24KV，它们能承受的过电压等级可达50KV。

? 切断海底电缆空载电容电流的校核

海底电缆为15.28.8KV (3?400),长10公里

由电缆参数查得，电容C=0.64μF/KM 电缆电容

C=0.64?10=6.4μF 电缆容抗 XC=

11==497.36? ?62?fc2??50?6.4?10海底电缆每相的电容电流 IC=

152003?497.36=17.65A

选用K1断路器允许切断空载电缆线路的电流为31.5A，大于17.65A海缆的电容电流值。

校核结果：选用合格。 2.7短路热稳定性校核

由单线图知汇流排所注短路电流值为20KA 1sec 今选用的断路器的热稳定能力为25KA 3 sec 校核结果合格 2.8断开能力的校核

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系统要求能断开20KA的短路电流 今所选断路器的断开能力为25KA

校核合格（未经实际短路时功率因数值影响的校核） 2.9短路功率因数的估算

此平台由FPSO上的电站供电，电站装有5台9600KVA 6.3KV的发电机。 平台13.8KV高压汇流排短路时功率因数计算 设发电机的参数为 Xd’=0.24

Ra=0.018

发电机额定电流 IN=

96003?6.3=879.8A

发电机的负载阻抗 Z=

63003?879.8=4.13?

发电机的瞬变阻抗 Xd’=0.24 ?4.13=0.991? 发电机内阻

Ra=0.018?4.13=0.074? 5台发电机并联后

0.991=j0.1982? 50.074R==0.0149?

5X=

6.3KV，12500KVA变压器的额定电流 15.2IN=

125003?6.3=1145.57A

变压器负载阻抗 Z=

63003?1145.57=3.1752?

变压器内阻抗

X=0.075?3.1752= j0.2381?

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海底电缆(3?400), 10KM 电缆阻抗

r+jx=10?(0.069+j0.105)=0.69+j1.05?

6.36.3Kv变压器变比为=0.414

15.215.2将15.2KV侧海缆的阻抗折算至6.3KV侧

Z=0.4142(0.69+ j1.05)=0.171(0.69+ j1.05)=0.118+ j0.18 短路时总阻抗

Z=0.0149+ j0.1982+ j0.2381+0.118+ j0.18=0.1329+ j0.6163 tg?=

0.6163=4.6373

0.1329?=77.83o cos?=0.2108

由n’~ cos?曲线查得，n’=2.18，它比n=值不用修正。

选用K2、K3、K4断路器的断开电流为25KA，大于短路电流值20KA。校核合格。

断路器K1处的短路功率因数（不计入海缆阻抗） Z=0.0419+ j0.1982+ j0.2381=0.0149+ j0.4363 tg?=

0.4363=29.28

0.0149接通电流63==2.52小，断开电流

断开电流25?=88.0439o cos?=0.03413

由n’~ cos?曲线查得，n’=2.64

如K1断路器接通电流为63KA，断开电流为25KA，则K1实际断开能力为

6325?25?23.86KA 2.64如果K1处短路电流小于23.86KA，则校核合格。如短路电流值大于23.86KA， 则应将断路器K1更换为31.5KA或40KA等级。 2.10接通电流值校核

接通电流是以短路电流在短路后

T时间时的短路电流的最大值来校核。 2- 21 -

短路电流的最大值是由短路电流的交流分量和直流分量二部分组成。IM=2IACeT?2TD''+2IACe

T?2

TDC

=2IAC(eT?2TD''+eT?2TDC)

其中IAC是短路电流的交流分量的有效值 TD’’是发电机的超瞬变时间常数 TDC是发电机的直流衰减时间常数 如果TD’’及TDC值很大，则

e

T?2TD''=1

e

T?2

TDC

=1

IM=22IAC （此情况说明短路电流不衰减）

在考虑短路电流要衰减的情况下，通常短路电流最大值为： IM=K2IAC=1.82IAC

实际系数K值与发电机的超瞬变时间常数TD’’及发电机的直流衰减时间常数TDC有关。一般发电机容量大，则其时间常数值大，反之发电机容量小，其时间常数小。

如这个系统的FPSO上的发电机约为10000KVA，其TD’’=85ms，一般TDC值是TD’’值的1~2倍左右。 以此发电机计算 IM=2IAC（e=1.832IAC

对于3000~4000KW发电机，其TD’’值约为35 ms，TDC值约为70ms，则 IM=2IAC（e?1035T?2TD''+e

T?2

TDC

）=2IAC（e?1085+e?10170）=2IAC（0.889+0.941）

+e?1070）=2IAC（0.7515+0.8669）=2IAC?1.6184

=1.61842IAC

所以短路电流最大值计算时，可以下式计算 IM=（1.5~1.9）2IAC

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船级社检验时常以IM=1.82IAC来计算。

对本断路器所在汇流排短路电流为20KA，其短路电流的最大值 IM=1.82?20=50.9KA

所选断路器的接通电流能力为63KA 校核结果：合格 2.11校核结果 选用断路器 断路器额定电压（KV） 供电电压（KV） 系统过电压（KV） 断路器能承受电压（KV） 断路器能承受空载变压器电流（A） 空载变压器电流（A） 断路器能承受切断空载变压器过电压（KV） 切断空载变压器过电压（KV） 断路器切断电动机电流（A） 切断电动机电流（A） 断路器切断空载电缆电流（A） 空载电缆电流（A） 断路器额定电流（A） 额定负荷电流（A） 断路器断开能力（KA） 断路器实际断开能力（KA） 4?K1 17.5 15.2 15.22K2 17.5 15.2 35.1 38 10 >(8.16~19.03) <43.75 K3 17.5 15.2 35.1 38 10 (8.16~19.03) <43.75 K4 17.5 15.2 35.1 38 10 / <43.75 =35.1 38 10 / <43.75 / 630 / 31.5 17.65 1250 474.8 25 23.86 >43.75 630 / 31.5 / 1250 474.8 25 25 >43.75 630 / 31.5 / 630 189.9 25 25 / 630 34.5 31.5 / 630 34.7 25 25 - 23 -

短路电流交流有效值（KA） 短路功率因数 断路器接通能力（KA） 短路电流最大值（KA） 20? 0.034 63 50.9? 20? 0.21 63 50.9? 1250A偏大 20? 0.21 63 50.9? 切断空载变压器过电压超值 可选用24KV 630A 20? 0.21 63 50.9? 校核结果 1250A偏大 切断空载变压器过电压超值 合格 建议 可选用17.5KV 630A 可选用24KV 630A / 注：短路电流值后面有问号，表示系统的原计算值有错误。 3.0测验题

如下图所示为FPSO上的一个电站系统单线图设计，FPSO上共有5台9600KVA发电机，电压为6.3KV，中性点不接地系统。

FPSO上共有主变压器5台，其中3150KVA3台，2500KVA2台，它们都是6.3KV/0.4KV，中性点不接地。

FPSO上有应急发电机1台，400V，1600KW，中性点不接地。FPSO上另有2台12500KVA，6.3KV/15.2KV变压器，它们输出15.2KV，经海底电缆间4-2及5-1两个平台供电，变压器15.2KV侧是中性点低阻接地。

请完成下列内容任务

? 校核各中压与高压断路器共23个，原设计选择是否合理？有无改进之处？ ? 校核13个低压断路器ACB选用是否合理？有无改进之处？ ? 原设计未列出断开电流与接通电流，请注出之。 ? 汇流排选择是否合理？有无改进之处？ ? 汇流排分段是否合理？是否要修改？ ? 供电方案是否合理？有无修正之处？

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图八

中线不接地绝缘等级中线不接地中线不接地中线不接地中线不接地1ΩΩ中线不接地中线不接地中线不接地中线不接地114.0 对FPSO电站系统的分析与讨论 4.1 各设备的额定电流计算 ① 9600KVA，6.3KV发电机

额定电流 I =

96003?6.3 = 879.8A

② 1600KW，400V应急发电机 PF = 0.8 额定电流 I =

16003?0.8?0.4 = 2886.8A

③ 12500KVA，6.3KV变压器

15.2 6.3KV侧 I =

125003?6.3 = 1145.6A

15.2KV侧 I = ④ 3150KVA，6.3125003?15.2 = 474.8A

0.4KV变压器

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6.3KV 侧 I =

31503?6.331503?0.4 = 288.7A

400V 侧 I = ⑤ 2500KVA，6.3 = 4546.8A

0.4KV变压器

25003?6.3 6.3KV 侧 I = = 229.1A

400V 侧 I =

25003?0.4 = 3608.5A

4.2 以负荷电流值选择断路器的额定电流等级 ① 9600KVA，6.3KV发电机 VCB1~5 可选1000A等级

如ABB厂商的等级为630A，1250A，1600A，2000A，2500A，3150A，4000A 它参加竞标时，可以以1250A等级参加，但与其他有1000A等级的同样竞标，价格不作调整，为此设计选用应以1000A为准。 ② 1600KW，400V应急发电机 ACB 8 应选用3000 ~ 3200A等级 ③ 12500KVA，6.3KV变压器

15.21. 以单台变压器负荷考虑

15.2KV 侧 额定电流为474.8A，可选630A断路器 6.3KV 侧 额定电流为1145.6A，可选1250A断路器 2. 以一台变压器故障，另一台变压器超载运行考虑 一般变压器设计的正常负荷率为80%

变压器选用时考虑（海洋石油对变压器的要求） 变压器的绝缘材料的温度等级选用F级（150℃） 变压器正常运行的温度等级设定为B级（120℃） 这种变压器如使其运行于F级温度时，即变压器可以超载

使其温度由120℃升至150℃，此时变压器仍可正常运行于其设计值。从一 般设计分析，温升上度30℃，变压器约可以增加负荷30%左右。

- 26 -

变压器订货时，要求变压器装有强迫通风的冷却风机。

变压器在F级温度运行时，其输出容量可比B级温升时增加30%，但此时仍 是自然冷却，不用强迫通风，因此这种变压器在风扇开动进行强迫通风时，要求 通风量可使变压器再增加（20 ~30）%的输出容量。 从以上对变压器的设计要求，可以得出如下概念

一台以F级温度设计的变压器，其温升是指比环境温度高出的温度 以温升达F级（150℃-40℃=110℃），自然通风冷却，其出力为100% 开通风机使其强迫散热，仍保持F级温升（110℃），此时变压器应能有（120 ~130）%的输出容量，即它可超载（20 ~30）%。

变压器在自然冷却的情况下，运行于B级温升时（120℃-40℃=80℃），此时 变压器容量应为1 = 0.769

1.3 可更明白的说明如下：

例如一台变压器是以F级运行温升设计，其绝缘材料是F级，其容量为 2080KVA

如果把此变压器运行于B级温升，则其容量应隆至76.9%，即2080 ? 0.769 = 1600KVA

即这台F级绝缘的变压器，运行于F级温升时，容量为2080KVA， 运行于B 级温升时，容量为1600KVA，此变压器的铬牌上的容量应为1600KVA （即此变压 器在1600KVA输出时，其发热温度不会超过B级120℃）

将此1600KVA B级运行温度为120℃的变压器超载至1.3倍后为2080KVA， 此时变压器的温度达F级（150℃），若再使此变压器进行强迫通风冷却，并再增 加（20 ~ 30）%的负荷，至2500 ~2700KVA，而此时变压器的温度仍是F级（150 ℃）

明白了上述说明后，再来讨论

海洋石油对变压器厂商的要求是：变压器是F级绝缘，B级温升，装有风机， 风机开动时可使容量再增加（20 ~ 30）% 其详细的概念如下：

A） 在变压器厂商铬牌运行时，温度不会超过B级（120℃）

B） 变压器应能在铬牌值容量的基数上，超载30%，可使变压器温度升至F

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级（150℃），此时变压器在自然冷却条件下应能持续正常运行 C） 开动风机，强迫冷却散热，此时变压器还可再超载（20 ~ 30）%持续运

行而变压器温度仍不会超过F级（150℃） 12500KVA变压器供电图

图九

由图知，不论VCB21是闭合还是断开，二台12500KVA变压器都是并联运行

一般变压器的负荷率约为0.7 ~ 0.8

今变压器负荷率以0.8计算，每台变压器的负荷为 12500 ? 0.8 = 10000KVA

如果一台变压器因故障，退出运行，则另一台变压器会承担全部负荷20000KVA

一台仍在运行的变压器的负荷率为

20000 ? 100% = 160% 12500 即一台变压器故障后，另一台变压器会超载60%

此时仍运行的变压器，允许温度升至F级（150℃），其出力可增加30%，达 12500 ? 1.3 = 16250KVA

此时再起动风机，进行强迫通风冷却，使变压器容量再可增大（20 ~ 30）%，即 16250 ? （1.2 ~ 1.3）= 19500 ~ 21125KVA

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实际负荷为20000KVA，即强迫通风要求变压器增加容量至

20000 ? 100% = 123%，即约增23% 16250 由计算得出变压器在一台有故障时，另一台承担全部负荷时的容量为20000KVA，其电流为 6.3KV 侧 I =

200003?6.3 = 1832.9A

VCB7, VCB10可选2000A 15.2KV 侧I =

200003?15.2 = 759.7A

VCB19, VCB20可选800A VCB21，电流为

759.7 = 379.85A, 选630A 2 VCB22，VCB23，可选取630A

以上对变压器的F级绝缘B级温升并装有风机的要求是以前我对海洋石油变压器产品所规定的要求，选用这种要求后，二台并联运行的变压器都可以不需要再设备用变压器。 ④ 3150KVA， 6.30.4 KV变压器

1. 以单台变压器负荷考虑 6.3KV 侧 额定电流为288.7A 断路器VCB9，11，12可选630A 400V 侧 额定电流为4546.8A 断路器可选5000A 2. 以一台变压器故障考虑

一台变压器故障后，以另一台变压器承担全部负荷计算 设变压器的正常负荷时的负荷率为0.8

一台变压器承担原二台变压器负荷时，其负荷率为1.6 分析方法同4.2 ③ 2 6.3KV侧 I =

1.6?31503?6.3 = 461.9A

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VCB9, VCB11, VCB12可选630A 400V 侧 I =

1.6?31503?0.4 = 7274.8A

ACB1, ACB2, ACB3应选8000A, 但低压断路器目前最大电流等级为5000A,所以只能选5000A

从ACB1 ~ 3考虑, 当出现一台变压器故障时, 另一台变压器承担负荷时, 只能使400V侧电流由4546.8A增至5000A, 变压器的负荷率仅能增至1.0996

即另一台变压器仅能多承担10%的负荷, 由于不清楚这三台3150KVA变压器的实际负荷, 今作如下分析: 第一种情况:

实际运行时二台3150KVA变压器已满足要求, 另一台3150KVA变压器是作为备用的. 这种情况不用考虑一台变压器故障时则要另一台变压器增加负荷的可行性, 只要以单一变压器的额定电流来选择断路器就可. 第二种情况:

正常运行时需要3台3150KVA变压器, 则在一台故障时没有备用是不合适的, 应再增加一台备用3150KVA变压器，或者把故障变压器的负荷转移到另二台运行变压器上，但每台变压器仅能超载10%，其余负荷应卸载。 ACB1, ACB2, ACB3选用5000A ⑤ 2500KVA, 6.31. 正常运行

6.3KV侧额定电流229.1A 断路器VCB17，18选用630A 400V侧额定电流3608.5A 断路器ACB11，12选4000A 2. 一台故障, 另一台承担负荷时 以负荷增至1.6倍计算

6.3KV侧电流I=1.6?229.1=366.6A VCB17, VCB18断路器可选630A

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5000 =

4546.80.4KV变压器

400V侧电流I=1.6?3608.5=5773.6A ACB11, ACB12最大可选5000A 另一台变压器能承担的负荷为

5000=1.386 3608.5 即一台变压器故障后，另一台变压器本应能承担全部负荷，它可以超载持续运行于160%，但由于其输出断路器最大电流容量为5000A，限制此变压器的超载，其超载限于138.6%，不足部分应卸载减少其运行负荷

这种设计是变压器允许过载60%，而受ACB限制而只能过载38.6%，其中有（160-138.6）%=21.4%负荷必须卸载 实际此系统可设计成

图十

6.3KV侧电流I=

16003?6.3=146.6A

一台变压器故障，另一台变压器承担全部负荷时，其负荷率约为1.6，此时电流为I=1.6?146.6=234.6A VCB1~3可选630A 400V 侧额定电流I=

16003?0.4=2309.5A

超载至1.6倍时，I=1.6?2309.5=3695.1A ACB1~3可选用4000A

4.3 联络断路器和汇流排额定电流的选择 ① VCB6 电流 1．第一种情况

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图十一

全部负荷都在MB汇流排上，发电机G1，G2均向MB供电流过VCB6电流是G1，G2的额定电流I=2?2．第二种情况

汇流排MA上发电机不运行，而MA上负荷都超载

图十二

96003?6.3=1759.6A

最严重情况

MB汇流排上三台发电机发电，且其12500KVA，3150KVAT 2500KVA变压器都故障，除供本汇流排上的1台3150KVA变压器外，其余容量都由VCB6送至MA汇流排。

设发电机负荷率为1.0 3台发电机电流为3?96003?6.3=2639.4A

1台3150KVA变压器在0.8负荷率时电流为 0.8?31503?6.3=230.9A

- 32 -

经VCB6至MA的电流 2639.4- 230.9 = 2408.5A 由以上分析知流过VCB6电流 MA → MB 1759.6A MB → MA 2408.5A VCB6断路器可选2500A MA和MB汇流排可选2500A

② VCB21和VCB19，VCB20，VCB22，VCB23电流

图十三

当一台12500KVA T2故障，由另一台T1承担全部负荷，此时担负荷的T1变压器要超载至1.6倍，电流为I = 1.6?125003?15.2=759.7A

此电流流过VCB19然后分别一路经VCB22，另一路径VCB21和VCB23流至负 荷

流径VCB21，VCB23和VCB22的电流为

759.7=379.8A 2 极端情况，T2故障同时VCB22电路也出故障，此时全部负荷电流都要经过VCB19，VCB21和VCB23，其电流为759.7A，但这种故障同时出现的可能性极小，可以不用考虑

因此断路器电流可作如下选择 VCB19，VCB20 选用800A

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VCB21，VCB22，VCB23 选用630A ③ ACB4，ACB5，ACB6，ACB7电流

在一台变压器故障，由另一台变压器向故障变压器负荷供电时其负荷电流最 大为变压器的额定电流 （ 实际是额定电流值的80%，这是考虑正常变压器的负 荷率为0.8 ）

3150KVA变压器400V侧电流I=

31503?0.4?0.8=3637.4A

实际由于ACB1，ACB2，ACB3最大电流限于5000A，可能提供至故障变压器的 电流值为5000 - 3637.4 = 1362.6A ACB4，ACB5断路器可选3200A或2500A 由于应急发电机电流为I=

16003?0.4?0.8=2886.6A

所以正常时由3150KVA变压器供至应急汇流排的电流不会超过2886.6A ACB6,ACB7断路器可以选用3200A ④ ACB9和ACB10电流

当由2500KVA变压器400V侧汇流排向应急汇流排供电时, 其负荷电流不会超 过2886.6A

ACB9和ACB10断路器可选3200A ⑤ VCB16电流

VCB16最大电流情况是比流过VCB14，15的电流小一些 VCB16选用1000A

⑥ VCB8，VCB13，VCB14和VCB15电流 由于负荷不详，取原设计值

VCB8，VCB13，VCB14和VCB15选用1250A ⑦ 2500KVA变压器6.3KV侧汇流排

由于流过VCB8，VCB13，VCB14和VCB15的负荷不详, 其汇流排额定电流可选 取原状设计值1250A

⑧ 2500KVA变压器400V侧汇流排电流

由于ACB11和ACB12的最大电流为5000A, 则汇流排电流可作如下考虑

- 34 -

1. 负荷全部集中于汇流排一侧 汇流排电流5000A

2. 负荷分布在汇流排两侧, ACB11和ACB12电流供至汇流排中间, 由于电流流 向汇流排两侧 (正确设计应如此), 则汇流排电流为2500A, 考虑负荷不一定均匀分配, 则可以取汇流排电流为3200A ⑨ ACB13电流

联络开关ACB13正常是断开的,只有一台变压器故障, 而需由另一台变压器 供电时,才需闭合ACB13, 此时ACB13中电流为

1. 在故障变压器的汇流排上的负荷为变压器容量的80%, 电流为 I=0.8?25003?0.4=2886.8A

2. 在故障变压器汇流排上负荷为变压器全容量值,电流 I=

25003?0.4=3608.5A

这种情况是不太可能的, 负荷设计不可能使变压器运行于100%的负荷率 由此ACB13可选3200A

⑩ 3150KVA变压器400V侧汇流排电流 400V侧电流I=

31503?0.4=4546.8A

1. 负荷都在汇流排一侧: 则汇流排中电流为4546.8A在另一台变压器故障时, 要这台变压器承担供电时400V侧电流是5000A (由于ACB限制), 则汇流排电流为5000A

2. 负荷分布在汇流排两侧(正确设计应如此)

则汇流排电流为2500A, 考虑负荷分配不均匀性, 可选汇流排电流3200A或4000A

4.4 断路器和汇流排选用参数表

- 35 -

设备 VCB1 VCB2 VCB3 VCB4 VCB5 VCB6 VCB7 负荷额定电流(A) 879.8 879.8 879.8 879.8 879.8 2408.5 1145.6 原选定电流等级(A) 1250 1250 1250 1250 1250 3200 1600 考虑允许超载时电流(A) / / / / / / 1832.9 应选用电流等级 1000 1000 1000 1000 1000 2500 2000 备注 正常闭合 设计能超载60% 因原负荷值不详,取原设计值 仅能超载10% 设计线超载60% 仅能超载10% 仅能超载10% 因原负荷值不详,取原设计值 因原负荷值不详,取原设计值 因原负荷值不详,取原设计值 仅能超载38.6% VCB8 (229.1) 1250 / 1250 VCB9 VCB10 VCB11 VCB12 288.7 1145.6 288.7 288.7 630 1600 630 630 461.9 1832.9 461.9 461.9 630 2000 630 630 VCB13 (229.1) 1250 / 1250 VCB14 (229.1) 1250 / 1250 VCB15 (229.1) 1250 / 1250 VCB16 VCB17 / 229.1 1250 1250 / 366.6 1000 630 - 36 -

VCB18 VCB19 VCB20 VCB21 VCB22 VCB23 ACB1 ACB2 ACB3 ACB4 ACB5 ACB6 ACB7 ACB8 ACB9 ACB10 ACB11 ACB12 ACB13 MA MB 3150KVA变压器 400V汇流排 2500KVA变压器 400V汇流排 229.1 474.8 474.8 / 474.8 474.8 4546.8 4546.8 4546.8 / / 2886.8 2886.8 2886.8 2886.8 2886.8 3608.5 3608.5 / 1250 1250 1250 1250 1250 1250 5000 5000 5000 5000 5000 4000 4000 5000 4000 4000 5000 5000 5000 3200 3200 366.6 759.7 759.7 379.85 / / 5000 5000 5000 1362.6 1362.6 / / 1.1?2886.8=3175.5 / / 5000 5000 2886.8 630 800 800 630 630 630 5000 5000 5000 3200或2500 3200或2500 3200 3200 3200 3200 3200 5000 5000 3200 2500 2500 3200或2500 仅能超载38.6% 以超载60%计算 以超载60%计算 正常断开 正常断开 正常断开 正常闭合 正常闭合 正常断开 正常断开 正常断开 正常断开 5000 5000 2886.8 3200 - 37 -

3150KVA变压器 6.3KVA汇流排 1250 1000 4.5断路器电压等级的选择 ① 电压等级的常规选择

系统电压等级，发电机系统为6.3KV，海底电缆供电为15.2KV 断路器电压等级常规选择 6.3KV 选用绝缘等级7.2KV 15.2KV 选用绝缘等级17.5KV ② 从接地系统过电压考虑

中线不接地系统 多数出现过电压为5U，最高可达7.5U 中线低阻接地系统 多数出现过电压为4U 其中U为系统的相电压

6.3KV为发电机中性点不接地系统 其过电压值为5?6.33 = 18.2KV

15.2KV为供海底电缆变压器供电电压

图十四Ω

变压器15.2KV侧额定电流I= 接地变压器变比K=

125003?15.2=474.8A

8800=76.52 115 接地电阻折算至高压侧电阻

- 38 -

R = k2r = 76.522 x 0.015 = 87.83Ω 接地电流IG =

152003?87.83 = 99.92A

低阻接地电流范围为（ 25 ~ 100 ）%额定电流 此接地电流为变压器额定电流的百分值

99.92?100%=21.04% 474.8 由接地电流为21.04%知，此接地系统近于低阻接地系统，但其电流值偏小 可以确认此系统的过电压以4U计即 4 ?

15.23 = 35.1KV

③ 断路器的能承受电压等级 以ABB断路器为例 绝缘电压等级U1（KV） 能承受电压U2 （KV） U2/ U1 U2/ U1P，U1P为U1相压 12 28 2.333 4.04 17.5 38 2.17 3.758 24 50 2.08 3.6 估计7.2KV绝缘等级的断路器的能承受电压以（ 2.3 ~ 2.5 ）倍计为 （ 2.3 ~ 2.5 ）? 7.2 = 16.6 ~ 18KV ④ 从过电压与断路器的能承受电压考虑 6.3KV系统 断路器应选12KV等级 因其过电压 （ 5 ~ 7.5 ）U = ( 5 ~ 7.5 ) 均在其能承通电压28KV以内

15.2KV系统 断路器可选17.5KV等级 因其过电压4U=4

15.236.33 = 18.2 ~ 27.3KV

=35.1KV 在其能承受电压38KV之内

⑤ 从切断变压器的空载电流引起的过电压考虑

上面1.0（24）表中列出了ABB断路器切断空载变压器电流为10A，否则在断 路器切断电流时会出现超过断路器额定电压2.5倍的过电压

- 39 -

1. 12500KVA, 6.3KV变压器，6.3KV侧

15.2 额定电流IN=

125003?6.3=1145.6A

设变压器空载电流约为额定电流的0.15 ~ 1%

空载电流Io=( 0.0015~0.002 )?1145.6=1.72 ~ 11.5A 2. 3150KVA, 6.3额定电流IN=

0.4 KV变压器，6.3KV侧

=288.7A

31503?6.3设变压器空载电流为(0.2~1)%额定电流 空载电流Io=(0.002~0.01) ?288.7=0.58~2.89A 3. 2500KVA, 6.3额定电流IN=

0.4 KV变压器，6.3KV侧 =229.1A

25003?6.3空载电流Io=(0.002~0.01) ?229.1=0.45~2.29A

由以上计算得出，变压器的空载电流一般不会超过10A，当断路器切断超过10A以上的空载变压器电路时都会产生过高的过电压。

从ABB断路器的说明是变压器的空载电流在10A以下切断时，可以考虑其

出现的过电压不会超过其额定电压的2.5倍（线电压）。

如以相电压作标准，则为 2.5UL=2.53U=4.33U

ABB断路器的能承受电压与相电压的比值由4.3?中知为4.04，3.76和3.6倍，基本是适用于直接接地过电压为3.5U和低阻接地过电压为4U之间。断路器的适用性是基本以直接接地考虑的。

切断的空载变压器电流超过10A，其过电压值就会比正常操作值（3.5~4）U高出4.33U-(3.5~4)U=(0.83~0.33)U。

如果切断空载变压器的电流值大于10A，则其过电压就会比正常出现的过电压值要高（0.5~1）U。

6.3KV系统是中性点不接地系统,其可能出现的过电压值为5U。

- 40 -

如果12500KVA变压器的空载电流超过10A，则切断空载变压器时，其过电压

值要增加（0.5~1）U，则过电压为

5U+（0.5~1）U=（5.5~6）U=（5.5~6）

6.33=20~21.8KV

由以上过电压值应选用能承受电压为28KV的断路器,其绝缘电压等级为

12KV。

?从切断空载海底电缆的电容电流值引起的过电压考虑

ABB断路器列出了断路器切断空载线路或电缆的电流为31.5A。 由单线图知

经断路器VCB22通过（3?400）长10KM海底电缆供电至4-2平台 经断路器VCB23通过（3?400）长10KM海底电缆供电至5-1平台 由于海缆都由FPSO上的旋转滑环供电，二条海底电缆是并联在一起的，要

切断海缆的电源，必需切断VCB22和VCB23。它们跳闸可以有先后，但最后一个断路器跳闸时就是切断二条并联的海底电缆的电流。海底电缆的电容量为

C=0.64?F/KM

总电容C=2?10?0.64=12.8?F 容抗XC=

11==248.68? ?62?fc2??50?12.8?10电容电流IC=

152003?248.68=35.29A

此值超过断路器的切断空载电缆31.5A的电流限值，即超过此值后，其过电压值会超出系统的平均过电压值。

其过电压值要增加（0.5~1)U

以过电压值增加0.5U考虑,其过电压要在原低阻接地4U基础上再加0.5U (4+0.5)U=4.5?15.23=39.5KV

此过电压值超过17.5KV等级能承受电压38KV

应选电压等级高一级的24KV断路器,其能承受电压等级为50KV。 ⑦断路器电压等级选择表

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断路器 系统额定原断路器原断路器系统过电应选断路断路器能承受电压（KV） 28 电压（KV） 电压（KV） 能承受电压（KV） 9600KVA发电机 VCB1~5 联络断路器 VCB6 3150KVA变压器 VCB9，11，12 2500KVA变压器 VCB8，13 12500KVA变压器 6.3 VCB7，10 VCB14，15 联络断路器 VCB16 VCB19，20 联络断路器 VCB21 VCB22，23 低压断路器 ACB1~13 15.2 0.4 17.5 0.69 38 以2U+1000计算 压（KV） 器电压（KV） 12 6.3 7.2 16.6~18 18.2 6.3 7.2 16.6~18 18.2 12 28 6.3 7.2 16.6~18 18.2 12 28 6.3 7.2 16.6~18 18.2 12 28 7.2 16.6~18 18.2 12 28 6.3 6.3 7.2 7.2 16.6~18 18.2 16.6~18 18.2 12 12 28 28 15.2 15.2 17.5 17.5 38 38 39.5 39.5 24 24 50 50 39.5 1.15 24 0.69 50 2.4 2.4 4.6系统短路电流估算 ?发电机短路电流

发电机参数

9600KVA，6.3KV，Xd”=0.178，Xd’=0.23，Xd=1.75，Td”=85ms，Td’=540ms，TDC=165 ms

- 42 -

发电机额定电流IN=

96003?6.363003?880=880A

发电机负载阻抗Z==4.133?

发电机超瞬变电抗Xd”=0.178?4.133=0.7357? 发电机瞬变电抗Xd’=0.23?4.133=0.9506? 发电机电抗Xd=1.75?4.133=7.23? 发电机超瞬变电流I”=

63003?0.735763003?0.950663003?7.23=4.944KA

发电机瞬变电流I’==3.826KA

发电机稳态电流I==0.503KA

发电机短路电流交流分量 以中国船检计算公式 IAC=( I”- I’)e?t/TD'' +( I’-I) e?t/TD'+I

设短路后至断路器跳闸所需时间以过流继电器动作最快15ms，中间继电器15ms和ABB断路器动作60ms计算

t=15+15+60=90ms IAC=(4.944-3.826)e=1.118e?1.0588?90/85 +(3.826-0.503) e?0.1667?90/540+0.503

+3.323e+0.503

=1.118?0.3469+3.332?0.8465+0.503 =0.3878+2.8129+0.503=3.7037KA

5台发电机并联运行 IAC=5?3.7037=18.52KA

?电动机的短路电流估计

由于不清楚电动机负荷详细值，以船检和IEC的估计，电动机负荷可取运行

发电机负荷量的60%。

- 43 -

4台发电机运行总容量 4?9600=38400KVA 电动机容量为 38400?0.6=23040KVA

设电动机的短路电流衰减瞬变时间常数TM’=21ms 电动机起动电流为其额定电流值的7倍 I=

230403?6.30?7=14.781KA

短路时电动机的反馈电流由电势产生,电动机的电势约为额定电压的91% 电动机反馈的电流在短路后至断路器断开总时延为90ms时的电流值为 IM=14.781?0.91e?90/21=14.781?0.91?0.0138=0.185KA

?断路器断开时的6.3KV汇流排的短路电流(三相短路电流)

I=IAC+IM=18.52+0.185=18.71KA

?二相短路电流值(短路后90ms)

6.3KV汇流排短路是发电机直联系统短路,一般二相短路电流是三相短路电

流值的1.5倍。

IK（2）=1.5 IK（3）

因此二相短路后至断路器跳闸,需时延90ms时的短路电流值为 1.5?18.71=28.06KA

T时的三相短路电流 2?短路后

发电机

?

IAC=( I”- I’)e

T2

?TD''

+( I’-I) eT2TD'+I

?10/540=(4.944-3.826)e?10/85+(3.826-0.503) e+0.503

=1.118?0.889+3.323?0.982+0.503 =0.994+3.263+0.503=4.76KA

5台发电机并联时电流 IAC=5?4.76=23.8KA

- 44 -

电动机短路电流

?IM=14.781?0.91?e三相短路电流

T2Tm'=14.781?0.91e?1021=14.781?0.91?0.621=8.353KA

I=23.8+8.353=32.153KA

4.7系统短路功率因数计算

此计算的目的是校验在短路后90ms断路器断开时的功率因数值,此时电动机

反馈电流已衰减至很小,短路电流主要是发电机提供,而且此时发电机电抗已是Xd’。

设发电机内阻ra=0.018

Ra=0.018?发电机负载阻抗值=0.018?4.133=0.0744? 参见4.6? tg?=

Xd’=0.9506?

Xd'0.9506==12.7769 Ra0.0744?=85.5248° cos?=0.078

查n’~cos?曲线，得n’=2.55

4.8断路器断开电流的选择

由4.6节短路电流估算知

T时 2三相短路电流IK（3）=32.153KA

二相短路电流IK（2）=1.5?32.153=48.229KA 一般以

T时的短路电流选择断路器的断开电流 2则应选断开电流50KA等级

实际断路器切断电流是在短路后90ms 此时短路电流为

三相短路电流IK（3）=18.71KA 二相短路电流IK（2）=28.06KA 断路器的切断电流可选40KA等级

- 45 -

4.9断路器的接通电流

根据IEC标准, 断路器的接通电流与断开电流的比值是与断开电流值的范围

有关。

由1.0(12)知

断开电流在20~50KA范围,其则接通电流为2.1?40=84KA

但目前有些中高压断路器厂商的产品，往往其比值可达2.5 则接通电流为2.5?40=100KA

到底实际接通电流值是多少，应根据产品目录所列确定。 4.10断开电流值的校核

接通电流断开电流实际断开电流=?断开电流

n'接通电流=2.1

断开电流根据

接通电流的二种比值，可得出

断开电流8440?40=32.94KA 2.55 实际断开电流A=

10040?40=39.21KA 实际断开电流B=

2.55以上两种40KA切断能力的断路器都能切断28.06KA的短路电流.

4.11接通电流的校核

短路后

T时的短路电流 2三相短路电流IM（3）=1.82 IK=1.82?32.153=81.85KA 二相短路电流IM（2）=1.5?81.85=122.77 KA 由以上短路电流值

对于以三相短路电流来选断路器的断开和接通电流

选用接通电流为84KA,断开电流为40KA 或 接通电流为100KA,断开电流为40KA

的二种断路器都合格.

- 46 -

对于以二相短路电流来选择,则接通电流都不满足要求,因此应选用接通电

125=50KA 2.5流为125KA的断路器,其断开电流为4.12对接通短路电流的考虑

上节4.11中的二相短路电流最大值IM（2）=122.77KA是5台发电机并联时的

值。

实际正常只有4台发电机运行，5台发电机并联只是在并联换机时存在，在

换机时不会操作其他负荷，因此不会出现在电路已短路情况下合闸的可能。

为此接通电流只在4台发电机运行情况下，短路电流值可减去一台发电机的

短路电流

T时（参见4.6?） 2IK（3）=32.153-4.76=27.393 接通电流

IM（3）=1.82 IK（3）=1.82?27.393=69.73KA IM（2）=1.5?69.73=104.6KA

4.13断路器选择

系统电压断路器发电机断路器VCB1~5联络断路器VCB612500KVA变压器VCB7，103150KVA变压器VCB9,11,12VCB8,13,14,152500KVA变压器VCB17,18联络断路器VCB16VCB19，20联络断路器VCB21VCB22，2390时短系统过电压额定电流 断路路电流断开电流断路器电流断路器电压器承受电压时最大短路电流接通电流总负荷不详或24或- 47 -

注（1）（ ）中值以一台变压器故障，由另一台承担负荷在超载情况下的电

流值。

其中12500KVA变压器以超载60%计算

3150 KVA变压器以超载10%计算 2500 KVA变压器以超载38.6%计算

3150 KVA和2500 KVA变压器由于400V侧ACB最大为5000A,它限制了变压器超载能力.

注（2）发电机断路器的短路电流计算时,可以减去本台发电机的短路电流.

图十五

如图在发电机1处短路 IK= IG1+IG2+IG3+IM1+IM2 流过VCB1的短路电流 IK1= IG2+IG3+IM1+IM2

比IK少了一个发电机短路电流IG1 由短路电流计算知短路90ms时 IK=18.71KA IG=3.7037KA

IK1（3）=18.71-3.7037=15KA

二相短路电流IK1（2）=1.5?15=22.5KA

注（3）考虑功率因数后，是实际断路器的断开能力值。

- 48 -

注（4）单线图中12500KVA变压器15.2KV側的短路电流为20KA,实际以变压器计算。

图十六

额定电流IN=

125003?15.2=474.8A

474.8三相短路电流IK=IN==6.33KA

Z0.075计入电动机反馈电流，由于经过10KM海缆，其值不会增加很多，再计入发电机阻抗，电流还要减少。因此估计此短路电流不会超过10KA。

由于经过变压器后，二相短路电流均小于三相短路电流值，因此可以三相短路电流值为选断路器断开电流的依据。 注（5）接通电流是以断开电流乘以1.82得出

10?1.82=25.5KA

4.14汇流排选择合理性

单线图中汇流排电流选得有些大 MA和MB可由3200A改为2500A 15.2KV汇流排可由1250A改为500A

2500KVA变压器6.3KV侧汇流排由1250A改为1000A，其400V侧由5000A可

改为3200A

3150 KVA变压器400V侧汇流排可由5000A改为3200A或4000A 应急发电机汇流排可由4000A改为3200A

4.15汇流排分段分析

- 49 -

图十七

MA

发电机容量2?9600=19200KVA 负荷

12500+3150+2500=18150KVA

18150=0.9453 19200负荷率

MB

发电机容量3?9600=28800KVA 负荷

12500+3150+3150+2500=21300KVA

21300=0.7396 28800负荷率

如果修改成如下

图十八 MA

负荷 12500+2250+2500=17250KVA

17250=0.8984

2?9600负荷率 负荷

MB

12500+3?2250+2500=21750KVA

21750=0.7553

3?9600- 50 -

负荷率

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