海上油气田开发工程仪电讯系统设计指南第二章(第4~7节)

第四篇海上油气田开发工程仪电讯设计
第二章电力系统设计
（第四节~第七节）
第四节电力系统单线图的设计
第五节主发电机组的选型
第六节应急发电机组的选型
第七节电力变压器的选择
电力系统单线图的设计
一. 概述
在第三节供电方案的设计中介绍了电力网方案的设计，它主要介绍的是电力网的方案和电力网结构形式的设计。

电力系统单线图的设计，主要包括两部分的内容，一是电力系统总单线图的设计，也就是电力网方案的设计，它能清楚地反映出整个油田电力系统的结构形式；二是发电机及各个配电系统的单线图的设计。

由此可见，电力系统单线图的设计是电力系统设计最重要的工作之一。

根据电力网络的连接顺序，电力系统的单线图分为：一次系统和二次系统。

根据供电电源，电压等级和用途的不同以及负载的性质又分为：正常电力系统，应急电力系统，中压配电系统，400V配电系统，照明系统，电伴热系统，不间断电源（UPS）系统和导航系统等。

正常电力系统是指：由主发电机通过主配电盘供电的网络，它包括了中压配电系统，400V配电系统，照明系统，电伴热系统，不间断电源（UPS）系统和导航系统等。

在正常情况下，这些系统的用电设备都是由主配电盘供电，或由主配电盘通过降压（或升压）变压器，区域配电盘或分配电盘，然后再供给各个系统的不同负载。

通常把主发电机到主配电盘，然后再由主配电盘直接供电给负载，或区域配电盘或分配电盘，它们之间是通过电缆连接成的系统或网络称为一次系统或一次网络。

把由区域配电盘或分配电盘到负载和分配电盘通过电缆连接成的系统或网络称为二次网络。

当主电站由于某种原因不能供电时，应急发电机将通过应急配电盘向应急状况下的用电设备提供电源，并通过电缆将这个系统连接成一个完整的网络。

这个系统称之为应急电力系统或应急电网。

电力系统单线图的主要形式可分为：
1.电力系统的总单线图——是由各种主要电气设备，其中包括：主发电机，主配电盘（主发电机保护装置的开关柜），高/中压配电盘，电力变压器，400V配电盘，应急发电机，应急配电盘，大容量的高/中压电气设备，海底电缆和井口平台的配电系统等，它们按一定的顺序连接成一个完整的有机体，它们是电能的产生，接受，分配，输送和使用的总电路图。

从这张图上可以看到整个油田电力网的结构形式，发电机的容量和数量，供电方式，供电的范围和电力系统内主要电气设备（主发电机，应急发电机，电力变压器，不同电压等级的配电系统，海底电缆和大容量的电动机等）的参数，其中包括：设备的编号和名称，额定电压，额定功率，功率因数，频率，中性点接地方式，短路电流容量，配电盘内汇流排的额定电流，海底电缆的截面积，变压器的变比和初级/次级绕组的形式等；以及它们之间相互连接的方式。

2.电力系统单线图——主要是指分系统绘制的单线图；它包括：主发电机保护系统的单线图，高/中压配电系统单线图，400V配电系统单线图，应急配电系统单线图，照明系统单线图，电伴热系统单线图，不间断电源（UPS）系统单线图和导航系统单线图等。

它的主要作用是：确定这些系统内的电气设备的控制方式，保护方式，保护元器件的整定值和电缆
的型式和规格；以及这个系统与其它系统和用电设备之间的连接方式。

二. 电力系统总单线图的绘制要求
1.电力总单线图的设计
当海上油气田开发工程设施上的主发电机组，应急发电机组，电力变压器和供电方案确定之后就可以着手绘制电力系统的总单线图。

图4-2-4-1电力系统总单线图
图4-2-4-1海上油气田开发工程设施的电力系统的总单线图，它是海上油气田开发工程设计中常见的典型图纸，本节将以这张总单线图为基础介绍电力系统总单线图的绘制方法及要点，其主要内容如下：
1)在进行电力系统总单线图的绘制时，选用的制图标准和图例符号应满足“海洋石油工程制图标准”的要求。

这个标准是中海石油研究中心开发设计院总结了海洋石油工程设计多年的经验，对国家，国际和的电力及石油行业的有关制图标准和图例符号进行了筛选和统一，并重点参考了海洋石油总公司对外合作和自营油气田生产平台的设计图纸和资料编制而成的行业标准；
2)电力系统的总单线图应该能全面地反映出整个海上油气田电力系统的结构形式，并将电力系统内重要的电气设备（其中包括：主发电机、主配电盘（主发电机保护装置的开关柜）、中压配电盘、电力变压器、400V配电盘、应急发电机、应急配电盘、大容量的中压电气设备、海底电缆和井口平台的配电盘等）以及它们之间的相互关系和连接方式完整地体
现在这张总单线图上；
3)电力系统内主要电气设备的基本参数应清楚地绘制在图纸上，其中包括：
主发电机和应急发电机——设备编号，原动机的型式，额定功率，额定电压，功率因数，相位数，频率和中性点的接地方式等。

在条件具备的情况下，最好能在图纸上注明主发电机的瞬态电抗和超瞬态电抗等方面的数据，作为电力系统计算和分析的基础数据；
主配电盘（和中压配电盘）——配电盘的编号，各分断汇流排的编号，额定电压，额定电流，短路容量及承受的时间，相位及线数，频率，真空断路器和真空接触器的编号以及它们的框架电流值等；
电力变压器——设备编号，电压变比，额定容量和原/次级绕组的连接方式和中性点的接地方式等；
400V配电盘——配电盘的编号，各分断汇流排的编号，额定电压，额定电流，短路容量及承受的时间，相位及线数，频率，空气断路器的编号以及它们的框架电流值等；
照明（电伴热）变压器——设备编号和名称，电压变比，原/次级绕组的连接方式和额定容量（如果能确定的话）等；
隔离开关（如果使用的话）——设备编号和开关容量等；
用电设备（主要是指：由主配电盘直接供电的电动机）——设备编号，名称和额定功率等；
海底电缆——电缆的截面积和长度。

4)为便于区分不同电压等级和不同系统的配电盘内的开关，元件和相互之间的关系，同一配电盘内的所有开关，汇流排和其它元器件均应绘制在一个封闭的虚线框内；
5)整个海上油气田电力系统内，不同海上结构物，比如：中心平台，浮式储油轮和每个井口平台等的所有电气设备和相互之间的关系和连接都应该绘制在一个封闭的双点划线的虚线框内，并在双点划线的虚线框内标注海上结构物的名称或编号；
6)在电力系统总单线图中，中压配电系统内的真空断路器和真空接触器都应该分别从左向右，从上往下按顺序编号；400V配电系统内的自动空气开关的编号也应该是从左向右，从上往下按顺序编号；电力变压器的编号也是按上面的原则进行编号；
7)电力系统的主电网和应急电网内电气设备之间的连接是通过电缆，电力变压器和各种配电盘来完成的。

在进行电气连接设计时需要考虑的要点有：
（1）当主电站是由两台以上的发电机组组成时，应将主配电盘至少分成2个独立的分段，每1分段至少由1台发电机供电，分段汇流排之间的连接是通过母联开关实现的。

这种供电方式的主要优点是：同时运行的发电机组可以通过母联开关的连接并联运行，也可以单独运行。

如果汇流排的一侧出现一般性的故障或者需要进行常规检查和测试的时候，可以断开母联开关，通过连接到另一侧的汇流排上的发电机组继续为油田的用电设备供电；当某路馈线发生短路故障时，由于母联开关的迅速跳开，切断了另一侧汇流排上供给的短路电流，因而馈线上的短路电流就可以相应减少；
（2）为了便于操作，防止应急发电机组过载，主发电机组的辅助用电设备，如：起动电机，原动机控制盘，预润滑油泵和风机等用电设备的电源，通常是连接到一个单独的汇流排或配电盘。

因为在主发电机尚未运行之前，需要应急发电机组向主发电机组的上述用电设备提供电源。

（3）电力系统内重要的电气联锁方式应使用图例和文字予以说明。

这些重要的电气联锁包括：
①当中压配电系统的母联开关打开时，400V配电系统的母联开关不允许合闸；或者400V配电系统的两段母排上的三台自动空气开关（一台400V汇流排上的母联开关和两台电力变压器次级侧的开关）只允许其中的两个自动空气开关合闸；
②当电力变压器初级侧的真空断路器断开时，这台电力变压器次级侧的自动空气开关必须断开。

其目的是：防止400V侧的应急发电机，备用发电机组或其它形式的电源通过电力变压器向主配电系统反送电；
③在正常情况下，应急发电机的进线开关与母联开关（连接应急配电系统和正常400V配电系统）不允许同时合闸；
④根据主发电机的额定容量，核实主发电机真空断路器的框架电流值和整定电流值。

根据电力变压器的额定容量，核实电力变压器初级绕组的真空断路器的框架电流值和整定电流值。

根据电力变压器的额定容量，核实电力变压器次级绕组的自动空气断路器的框架电流值和整定电流值。

根据应急发电机的额定容量核实应急发电机的自动空气断路器的框架电流值和整定电流值。

2.不同设计阶段对电力系统总单线图的要求及深度
不同设计阶段对电力系统总单线图的要求和深度是不同的，下面将按不同的设计阶段分别介绍对电力系统总单线图的要求：
1)预可行性研究阶段：主要工作是根据海上油田开发的不同工程方案进行技术方案和经济的可行性分析工作。

这个阶段将对电力系统的供电方案提出设想，供电方案最重要的工作之一就是绘制电力系统的总单线图。

因为是方案的设想和对比阶段，电力系统总单线图上的主要设备的基础数据尚未确定，因此在绘制电力系统总单线图时，除了主/应急发电机的容量，电压和中性点的接地方式；电力变压器的容量，电压变比和接地方式；各配电系统的电压，各井口平台的供/配电方式和主要连接形式等，一定要在图纸上绘制外，其它方面的具体内容，可以根据工程设计的深度灵活掌握。

在预可行性研究阶段，不同的工程开发方案可能会采用几种不同的电站方案和供电方案。

因此，有可能需要为每个不同的电站方案和供电方案分别绘制电力系统的总单线图；
2)可行性研究阶段：这个阶段供电方案，电力网的结构形式，电压等级和频率，已初步确定。

在初步确定的上述内容的基础上对预可行性研究阶段绘制的总单线图进行修改和完善，这个阶段的电力系统总单线图应尽可能将电力系统内的电力网的结构形式以及主要设备（主发电机，应急发电机，电力变压器和海底电缆的等）的数量和规格反映在图纸上。

其它
设备的具体参数，可以根据设计的深入逐步完善；
3)概念设计阶段：在对供电方案进行进一步的细化设计，分析和计算的基础上。

确定出电力系统的电站型式；电站的单机容量和总装机容量；电力系统的基本参数，其中包括：线制，电压等级和频率；供电方案和电力网的结构形式。

因此这个阶段绘制的电力系统的总单线图的主要电气设备的技术数据应该比较完整，可以按上面“电力系统总单线图的设计”中的要求绘制图纸；
4)基本设计阶段：供电方案，电力网的结构形式和主要电气设备（主发电机，应急发电机，电力变压器和海底电缆）的参数都已确定；电力系统的计算和分析的主要工作也已完成；主要的电气设备开始进行招投标工作。

因此这个阶段绘制的电力系统总单线图应该严格按照“电力系统总单线图的设计”中介绍的要求绘制图纸；
5)详细设计阶段：电力系统主要的电气设备（主发电机，应急发电机，电力变压器，中/低压配电盘，照明/电伴热变压器和海底电缆等）都已经订完货。

这个阶段的电力系统总单线上所有主要电气设备的技术参数应根据厂家提供的最终数据进行修改，补充和完善。

三. 电力系统单线图的绘制要求
电力系统单线图的设计又分为中压配电系统单线图，400V配电系统单线图，应急配电系统单线图，照明系统单线图，电伴热系统单线图，不间断电源（UPS）系统单线图和导航系统单线图等。

本节将分别介绍中压配电系统单线图和400V配电系统单线图；不间断电源（UPS）系统单线图，导航系统单线图，照明系统单线图和电伴热系统单线图的设计将分别在第五篇的第七，八，九和十章进行介绍。

在进行电力系统的单线图和其它图纸的绘制时，选用的制图标准和图例符号都应该满足“海洋石油工程制图标准”的要求。

这个标准是中海石油研究中心开发设计院总结了海洋石油工程设计多年的经验，对国家，国际和的电力及石油行业的有关制图标准和图例符号进行了筛选和统一，并重点参考了海洋石油总公司对外合作和自营油气田生产平台的设计图纸和资料编制而成的行业标准。

1.中压配电系统（主发电机的保护及控制系统）单线图的设计
中压配电系统的单线图又分为主发电机的保护及控制系统的单线图和中压配电系统的单线图两大类。

1)主发电机的保护及控制系统的单线图
这是基本设计阶段需要绘制的图纸，它的作用是：
（1）确定主发电机所需的最基本的电气保护装置；
（2）确定主发电机的最基本的电气参数的测量和控制的要求；
（3）为中压配电盘的招投标和定货提供技术和供货范围的基本依据；
图4-2-4-2 主发电机的保护及控制系统的单线图图4-2-4-2是春晓项目的主发电机的保护及控制系统的单线图是海上油气田开发工程设计中常见的典型图纸，本节将以这张单线图为基础介绍主发电机的保护及控制系统的设计方法及要点，其主要内容如下：
（1）主发电机组的编号，名称（主要是指原动机的驱动形式），电压，相，频率，功率，功率因数和中性点的接线方式；
（2）中压配电盘的编号；空间加热器的电压，相和频率；UPS电源的电压，相和频率；每台主发电机和母联开关柜内都应该设置单独的接地开关；
（3）汇流排的编号，额定电压，相，线，频率，额定电流，短路容量及承受的时间等；中性点不接地系统的每个分段汇流排上都应该安装接地故障监测装置（EFM），当系统发生单相接地故障时应该发出音响报警信号；
（4）主发电机的主开关的编号，框架电流值和整定电流值；主发电机的主开关应该是抽拉式的；表示主开关的状态的闭合（红色），断开（绿色）和跳闸（琥珀色）指示灯的颜色；
（5）分段汇流排上的母联开关（断路器）的编号，框架电流值和整定电流值。

通常情况下母联开关的整定电流值与框架电流值是相同的；
（6）主发电机的保护，测量和控制系统——主发电机的保护主要是由真空（或六氟化硫）断路器（主发电机使用3.3kV以上的电压）或自动空气断路器（主发电机使用1000V以下的电压）通过各种保护继电器来实现的。

根据规范要求主发电机的最低保护是：
应采用能同时分断所有极或相的断路器作发电机的过载和短路保护，其过载保护应
与发电机的热容量相适应，并满足下列要求：
a.过载小于10%；建议：设置一个带延时的音响报警器，其最大整定值应为发电机额定电流的1.1倍，延时时间不超过15分钟；
b.过载10%~50%之间，经少于2分钟的延时后，断路器应及时分断；
c.建议：整定在发电机额定电流的125%~135%，延时15~30秒后，断路器分断；
d.过电流大于50%，但小于发电机的稳态短路电流，根据系统选择性保护所要求的短暂态延时后，断路器应分断；
e.发电机断路器的延时脱扣器，建议：按如下规定进行整定：始动值为发电机额定电流的200%~250%，延时时间：直流最长为0.2秒，交流最长为0.6秒；
f.有三台及三台以上发电机并联连接的情况下，还应设有瞬时脱扣器，并应整定在稍大于需要保护的发电机的最大的短路电流值时，断路器应瞬时分断。

并联运行的交流发电机应设有延时3~10秒钟延时动作的逆功率保护。

并联运行的发电机的逆功率保护（逆电流）值按原动机的类型可整定为：
a.原动机为柴油机时，逆功率保护的整定值是发电机的额定功率（或电流）的
8%~15%；
b.原动机为燃气轮机时，逆功率保护的整定值是发电机的额定功率（或电流）的
2%~6%；
当供电电压下降至额定电压的50%时，逆功率或逆电流保护不应失效，但其动作值可以有所改变。

③并联运行的发电机应设有欠电压保护并能满足如下要求：
a.当发电机不发电时, 断路器应能瞬时动作；
b.当电压低至额定电压的70%~35%时，断路器应能通过系统选择性保护的延时后动作。

④作为发电机保护的保护电器应符合如下要求：
a.在发电机转速显著下降的情况下仍能保持有效；
b.当过载保护电器动作后，发电机应能立即恢复供电。

除了上面规定的这些基本的保护外，海上油气田开发工程设施上的主发电机还设置了以下的保护：
∙大于800kW以上的发电机应设置差动保护；编号为87的继电器；
∙过电压保护；编号为59的继电器；
∙失磁保护；编号为40的继电器。

若选用的是多功能保护继电器的话，除了上面提到的数字为87，59和40的保护继电器以外，还需要增加：
∙过载保护，编号为51的继电器，
∙长延时保护，编号为51的继电器，
∙欠电压保护，编号为27的继电器，
∙逆功率保护，编号为67或46的继电器。

随着电子，通讯和自动化技术的发展，主发电机的继电器保护装置从使用若干个只有单一保护功能的继电器，发展到了只需一个包括各种功能的多功能保护继电器就可以实现所有保护功能的装置。

因此在绘制图纸时，如果选择的是多功能保护继电器的话，那么只需将具有保护功能的继电器用虚线框起来，它们之间的连接方式可以不绘制。

如果选择的是只有单一保护功能的继电器的话，那么还需要根据保护继电器的类型，既：电流型（差动，过载，短路和长延时保护），电压型（欠电压，过电压，频率和失磁保护）和综合型（逆功率保护），分别进行电气连接的绘制工作。

无论是采用多功能保护继电器，还是采用只有单一保护功能的各种继电器都需要通过中间继电器（86）将故障信号传送到主发电机的主开关，促使其跳闸，并完成对主发电机保护的功能。

电力系统继电保护的目的，继电保护的内容，继电保护装置的设置，选型和组合方式等将在第四篇的第四章中进行详细介绍。

（7）主发电机开关柜上需要设置的信号测量元件主要有：电压表，电流表，有功功率表，无功功率表，频率表和功率因数表和它们的转换开关等；将主发电机的电压和电流信号进行转换的装置有：电压互感器和电流互感器；电压互感器次级绕组的电压一般选用的是110V，电压互器应同时在初级侧和次级侧设熔断器作保护；电流互感器次级绕组的电流通常选用的是5A；
（8）主发电机的控制信号主要有：主开关（真空或六氟化硫断路器，或自动空气断路器）的遥控闭合和断开，紧急关断和分级卸载等。

如果主发电机组开关盘上要进行发电机组之间的并联运行操作的话，那么应该在图纸上绘制出主发电机组并联操作所需的同步继电器，同步指示灯以及与主发电机开关之间的相互连接线。

（9）主发电机组的励磁系统的方式及基本要求。

海上油气田开发工程设施上的主发电机组通常使用的是无刷励磁；基本要求是：主发电机的空间加热器及使用的电压（220V，交流单相），测量主发电机组定子绕组温度（RTD）的探头；
（10）原动机（燃气轮机或双燃料柴油机）的控制盘上的测量，控制与调节信号有：
①显示主发电机电气参数的电压表，电流表，有功功率表，无功功率表，频率表和功率因数表；测量主发电机定子绕组温度的温度继电器49；
②调节主发电机励磁的旋钮；
③调节原动机速度升和降的按钮；
④可以进行主发电机并联操作的同步继电器，同步指示灯以及与主发电机开关之间的相互连接线；
（11）凡是在同一配电盘或控制盘内的元器件应使用双点划线框起来；
（12）主发电机与中压配电盘相连接的电缆的编号，根数，规格和型号。

如果主发电机与中压配电盘的连接使用两根以上的电缆的话，那么每根电缆应该有单独的编号。

电缆的编号和选型等方面的工作是主发电机定货后，详细设计阶段需要做的工作；
（13）中压配电盘上主发电机组的差动保护继电器与主发电机组上的电流互感器之间的电缆的编号，规格和型号的标识工作是主发电机定货后，详细设计阶段需要做的工作；
（14）主发电机组定货以后（详细设计阶段需要做的工作），核实主发电机的主开关的框架电流值和整定电流值是否与主发电机的容量相匹配。

这张图上的主发电机组的输出功率，主开关的框架电流值是否与电力系统总单线图保持一致；
（15）如果一张图纸中不能绘制本配电系统内的所有内容的话，那么可以使用两张或更多张图纸完成，图纸中应清楚地注明这个配电系统图纸的页数和共有的页数，参考图纸名称及编号。

2)中压配电系统（电动机和馈线回路）单线图
这一节将介绍中压配电系统的电动机和馈线回路单线图的设计。

下面将根据图4-2-4-3春晓项目的图纸介绍这部分设计的主要内容：
图4-2-4-3中压配电系统单线图
（1）中压配电盘的编号；空间加热器的电压，相和频率；UPS电源的电压，相和频率；中压配电盘内的每个开关柜内都应该设置单独的接地开关；
（2）各分断汇流排的编号，额定电压，相，线，频率，额定电流，短路容量及耐受的时间等；中性点不接地系统的每个分段汇流排上都应该安装接地故障监测装置（EFM），当系统发生单相接地故障时应该发出音响报警信号；对中压配电盘内的控制电源的要求：∙空间加热器的电源220V，交流，单相，50Hz，
∙UPS电源110V，交流，单相，50Hz等；
（3）为平台400V配电系统供电的动力变压器初级侧的真空断路器的编号，框架电流值和整定电流值；变压器中性点的接地方式；变压器的主保护有：。