海上油气田开发工程仪电讯系统设计指南第二章(第14~15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
（第十四节~第十五节）
第十四节配电装置选型的原则和要求
第十五节电缆的种类，特性与选择配电装置及其选型
第十四节配电装置选型的原则和要求
一. 配电装置的简单介绍
1.作用
海上油气田开发工程设施上的配电装置的主要作用是：接受发电机组或电力变压器提供的电能，并将电能分配给用电设备。

配电装置主要是由各种断路器、操作按钮和开关、继电保护装置、测量和监测仪表等元器件组成。

根据海上油气田开发工程设施上的配电装置的特殊性，有些配电装置，例如：主配电盘、应急配电盘、中/高压配电盘和低压配电盘等还具有对电源装置、配电设施和用电设备等进行保护、测量和控制等功能。

配电装置的主要功能可以归纳为：
1）电力系统正常运行时，电气设备接通和断开电源的手动或自动操作；
2）测量和显示运行中的电气设备的各种技术参数，例如：发电机、电力变压器、电动机和其它用电设备的电压、电流、频率、功率、功率因数和绝缘电阻等，以及各种电气设备运行状态的显示；
3）对电力系统的某些电气设备的技术参数进行调整，例如：电压、频率（发电机的转速）、有功功率和无功功率的调整、发电机组手动/自动并车的调整工作、以及开关装置整定值的调整工作；
4）电力系统发生故障或运行不正常时，配电装置内的继电保护装置动作，将故障和运行不正常的电路切断，并发出声光报警信号。

2.分类
海上油气田开发工程设施上使用的配电装置很多，根据不同的配电系统和用途可以分为：1）主配电盘——主配电盘主要是由主发电机的开关柜和中压配电盘组成。

海上油气田开发工程设施上的主发电机的容量都比较大，通常，选用的是3.3kV以上，10.5kV以下的电压，因此主配电盘也可以称为中压配电设备。

它的主要作用是：用来控制和监测主发电机的工作，并将主发电机产生的电能，通过主电网或直接向中压用电设备供电；
2）中/高压配电盘——电压大于10.5kV以上的配电盘，它的主要作用是为海上油气田各井口平台提供必要的电能。

中/高压配电盘主要是由升压变压器的付边断路器和各井口平台的馈线开关组成；
3）应急配电盘——应急配电盘主要是由应急发电机的开关柜和400V应急配电盘组成。

它的主要作用是：用来控制和监测应急发电机的工作，并将应急发电机产生的电能，通过应急电网或直接向用电设备供电；
4）400V配电盘——400V配电盘主要是由电力变压器付边侧的断路器和400V配电/电动机起动装置组成。

它的主要作用是：用来控制和监测电力变压器和400V配电系统的工作，并向400V电网和用电设备供电；
5）230V配电盘——230V配电盘的作用主要是为海上油气田上的照明系统和电伴热系统提供必要的电能。

230V配电盘主要是由400V电力变压器付边侧断路器和230V配电柜组成；
6）分配电箱——通常分为：400V电力分配电箱和230V照明分配电箱。

它们的主要作用是：向配电系统的最后支路供电，并设置过载和短路保护装置。

3.组成
海上油气田开发工程设施上的配电装置根据电压等级主要分为两大类：电压低于1000V
的配电装置称为低压配电装置；电压大于1000V，小于10.5kV的配电装置称为中压配电装置；电压大于10.5kV的配电装置称为高压配电装置。

配电装置主要是由：断路器、接触器、继电器、继电保护装置、电压互感器、电流互感器、测量仪表、信号灯、转换开关、汇流排、导线和其它的一些辅助元器件组成。

4.设计范围和内容
电力系统单线图是海上油气田开发工程设施电力系统设计的主要工作之一。

在进行电力系统单线图的绘制和填写各种数据时，需要根据电气设备的容量，确认配电装置内开关型式，框架电流值和整定电流值是否满足电气设备正常运行和发生故障时的保护要求。

单线图上还应该绘制出发电机，电力变压器和电动机的最低保护要求，而这些开关装置和保护装置都是配电装置内的主要元器件的一部分。

本节将主要介绍配电装置的设计和选型要求，主要包括：配电装置的结构设计和电气设计。

另外还将介绍配电装置内一些主要元器件，既：断路器、隔离开关和负荷开关等的设计和选型方面的要求。

有关发电机、电力变压器和电动机等电气设备的继电保护将在第四章中详细介绍。

二. 配电装置的结构设计
配电装置的结构设计主要是指：配电盘的防护等级、安装方式、结构的框架和操作面板的基本要求。

1.防护等级
配电装置的防护等级主要是根据其安装的场所来决定。

根据规范的要求，安装在舱室内的配电装置的顶部的最低防护等级不应低于IP22；两侧的防护等级不应低于IP2X。

当配电装置的额定电压大于500V时，背面的防护等级不应低于IP2X的要求。

配电装置应尽可能避免安装在易受较大水和机械损伤的处所，如：机泵舱，封闭的燃油分油机和滑油分油机室，如果安装在上述舱室内，其防护等级应不低于IP44。

安装在室外或露天甲板上的配电装置的防护等级应不低于IP55或IP56。

2.安装方式
在一般情况下，中/高压配电盘、应急配电盘、400V配电盘、照明配电盘、电伴热配电盘和不间断电源(UPS)等体积较大的配电装置，采用的是立式安装的方式。

配电盘下面设有底座，可直接安装在甲板上。

通常，配电盘的板前设计成封闭式，板后为开启式的结构。

海上油气田开发工程设施上的空间一般都比较紧张，因此，在满足有关规范的要求下，可以采用板前接线或板后接线的方式。

对于采用板前接线方式的配电盘，应有后盖板，可以靠墙壁安装，也可以采用将配电盘背靠背的安装方式。

对于板后安装的配电盘，后面可以是开启式或装有防护门，但必须安装具有水平的绝缘扶手。

动力/照明分配电箱，导航系统控制盘以及电机起动器等体积较小的配电装置一般都采用壁式安装的形式。

3.配电装置的结构和操作面板的基本要求
在设计和选型时，应注意以下几个方面：
1)配电装置的骨架（框架）及箱体应有足够的强度，在振动和冲击的情况下，不能发生有害的变形。

其外壳一般采用厚1.2毫米及以上的优质碳素结构的钢板制成；
2)配电装置上使用的结构附件，应尽可能地采用标准件；
3)配电装置使用的紧固件，应使用耐腐蚀材料或经防腐处理的碳素钢制成。

作导电用
的紧固件，最好采用铜质材料；
4)配电装置应在保证电气性能和满足使用要求的前提下，具有最小的尺寸和重量；
5)仪表、指示灯和小型开关等通常装于面板上，面板可以做成可摇出的形式，仪表和指示灯的布置应便于观看。

为了便于操作，经常操作的手柄应伸出面板；
6)配电装置内电气元器件的布置，应便于调整、检修和拆换；
7)可活动的门（包括可活动的上面板）应设有止动器，其绞链应设在正规面板的左侧，以利于右手进行维修；
8)大型配电装置，如：中/高压配电盘、400V配电盘和应急配电盘等，其板前应设有坚固的绝缘扶手；
9)配电装置应设有固定的或可卸式的吊装件，吊装件应有足够的强度；
10)一般情况下，电缆应从底部进入配电装置。

若电缆非从顶部进入时，电缆的入口处应采取防止水滴进入装置内的措施，例如：防水密封板、围板或填料函等；
11)配电装置内使用的绝缘材料应具有耐久性、滞燃性和不吸水性。

加工的酚醛树脂等绝缘材料，应在干燥的条件下进行防湿处理。

三. 配电装置的电气设计
配电装置的电气设计应注意以下几点：
1.电气元器件和装置的额定电压、额定电流、额定频率、短路强度、分断能力以及使用寿命等参数应适合其指定的用途；
2.各电气装置保护参数的设置和整定应与被保护用电设备的电性能和热特性相协调，并应满足系统保护的要求；
3.配电板内的电气元器件和装置，均应牢固地安装在构架或面板上，并应设有防送动措施，便于操作和检修；
4.额定电压大于500V系统用的接线端子与较低电压的接线端子应明显地隔开，并有醒目的标记；
5.额定电压不同的熔断器，应尽量分开安装。

当熔断器的额定电压高于500V，而熔断器座允许插入较低额定电压的熔断器，则应设置专门的警告牌；
6.安装在配电板上的仪表、开关、指示灯、按钮操作手柄和手轮等，应有明显的、耐久的铭牌，并标明其用途和操作位置；
7.标明每个电路用途、过载保护电器的额定值或其相应整定值的铭排应该是耐久标志，并安装在该保护电器所在的位置附近；
8.汇流排及其连接件应为铜制的，一般采用导电率为97%以上的铜材；汇流排的连接处应作防止腐蚀和氧化的处理。

汇流排的最高允许温升为450C，汇流排连接处的温升不得高于表4-2-14-1的规定；
表4-2-14-1汇流排连接处允许的温升
9.汇流排和裸线的颜色应该满足有关规范和规则的要求。

例如，我国国家的标准和中国
船检（CCS）的要求如下：
对直流汇流排和裸线的极性颜色规定为：
●正极——红色
●负极——蓝色
●接地线——绿色和黄色间隔
对交流汇流排和裸线的极性颜色规定为：
●第一相——绿色
●第二相——黄色
●第三相——褐色和紫色
●接地线——绿色和黄色间隔
●中性线——浅蓝色
10.汇流排在配电板内的排列，应符合有关规范和规则的规定。

例如，我国国家的标准和中国船检（CCS）的要求，应满足表4-2-14-2的规定：
表4-2-14-2汇流排在配电板内的排列
2. 汇流排在配电板内安排的相互位置是从配电盘面板正视方向的排列。

11.配电盘中所用测量仪表的精度等级，应根据仪表的用途决定，一般选用1.5级仪表，但不应低于2.5级。

测量仪表的量程和刻度应符合上述要求：
●电压表的上量限应大致为线路额定电压的120%；
●电流表的上量限应大致为线路中额定电流的130%；
●频率表应具有 10%额定频率的刻度；
●供并联运行的直流发电机使用的电流表应指示出15%逆功率；
●供并联运行的交流发电机使用的电流表应指示出15%逆功率；
●在电压表，电流表及功率表的刻度上应有表示其额定值的明显标志。

12.配电装置的内部配线应采用最高允许温度不低于750C及相应电压等级的船用多股铜芯绞合线。

导线应敷设在用滞燃材料制成的走线槽中，或用夹板固定；
13.配电装置内的绝缘导线最小截面积一般不应小于1mm2（低电位的电子电路除外）；
14.电压互感器和电流互感器的次级绕组应单独可靠接地，接地处应有耐久的接地标志。

保护接地不能与工作接地共用接地线和接地螺钉；
15.万能转换开关的操作顺序应设计成：
●相序——从左至右：A相，B相，C相或AB，BC，CA；
●转速——顺时针加速，逆时针减速；
●大小——顺时针递增，逆时针递减。

四. 导体和电器设备选择的一般规定
导体和电器设备的选择与校验是配电装置选型的主要工作之一，在进行这项工作时应根据工程的特点，按照有关标准和规范的规定来完成。

配电装置内的各种元器件与配电系统内的电气设备的作用不一样，但选择的条件在许多方面却是相同的。

表4-2-14-3列出了导体和电器选择与校验的项目。

从表4-2-14-3可以看出，为保证电器设备的可靠运行，各种设备均应按正常工作条件的额定电压和额定电流来选择，并按短路条件来校验电器设备的动稳定和热稳定。

表4-2-14-3导体和电器的选择与校验项目
2.封闭电器的选择与校验项目与断路器的相同。

1.按正常工作电压和电流选择
1)电压
一般电缆和电器设备的额定电压U e应不低于设备安装地点配电系统的工作电压（或额定电压U g。

2)电流
导体和电器的额定电流是指在额定环境温度下长期允许通过的电流，以I e或I ux表示，该电流应不小于设备安装回路的最大持续工作电流I g.max，即：
I e或I ux≥I g.max（公式4-2-14-1）
各种电器设备可能的最大持续工作电流一般按表4-2-14-4取值。

如：电力变压器在电压降低5%时，出力保持不变，那么它通过的电流将增加5%，即I g.max = 1.05I e。

表4-2-14-4各回路持续工作电流I g.max
当导体和电器安装地点的环境温度θ不同于额定环境温度θ0时，其长期允许电流I ux （或I e ）应按正常发热条件予以修正。

对裸导体：
I ux θ = I ux 0θθθθ--ux ux = K θ * I ux
（公式4-2-14-2）
式中： K θ —— 修正系数； θ0 —— 导体额定环境温度，一般为250C ，电器设备为400C ； I ux θ —— 环境温度为θ时的允许电流；
θux —— 导体或电器设备正常发热允许的最高温度见表4-2-14-3。

表4-2-14-3 电力网在正常和短路时的导体所允许的最高温度
ux θdmax —— 短路最高允许温度。

根据规范要求，电器设备的额定环境温度θ0 = 400C 。

（但不高于600C ）。

当电器使用的环境温度θ高于400C 时，环境温度每增高10C ，建议减少允许电流1.8%I e ；当使用的环境温度低于400C 时，每降低10C ，建议允许电流增加0.5% I e ，但最大过负荷不能超过20% 的I e 。

2. 按短路条件校验 1)
热稳定
短路电流通过时，导体和电器各部件的温度不应超过短路发热时所允许的最高温度值，应满足以下公式的要求：
I 2∝t j ≤ I 2t t
（公式4-2-14-3）
式中： I ∝ —— 设备安装地点稳态三相短路电流（kA ）；
t j——短路电流假想时间（又称发热等值时间）（s），t j = t + 0.05；
I t——t秒内允许通过的短路电流值或t秒热稳定电流（kA）；
t ——厂家给出的热稳定计算时间，一般为4秒，5秒，1秒等。

2)动稳定
动稳定（电动力稳定）是指导体和电器所承受的短路电流机械效应的能力。

满足动稳定的条件是：
i eh≤ i dw（公式4-2-14-4）
式中：i eh——设备安装地点的短路电流冲击值（kA）；
i dw——设备允许通过的电流峰值（kA）。

对于下列情况可以不校验动稳定或热稳定：
(1)用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故不校验热稳定；
(2)电压互感器及其所在回路的裸导体和电器可不校验动稳定，热稳定，因为短路电流很小；
(3)电缆一般均有足够的机械强度，可以不校验动稳定。

3.按环境条件校验
导体和电器均按额定的环境条件设计，当使用的环境条件与之不同时应予以修正。

对于环境温度θ不同于额定环境温度θ0时的修正方法前面已介绍，这里不再重复。

一般电器按海拔高度低于1000米设计，如安装地点的海拔高度高于1000米时，应选用适用于该海拔高度的电器，其外绝缘的冲击和工频试验电压应符合高压电力设备绝缘试验电压的有关规定。

五. 开关电器
开关电器是配电装置中最重要的电器设备之一。

电压小于1000V以下的开关电器称为低压开关电器；电压大于1000V，小于10.5kV的开关电器称为中压开关电器；电压大于10.5kV 电压的开关电器一般称为高压开关电器。

由于中压开关电器设备和高压开关电器设备的类型和工作原理基本上是一致，因此在介绍开关电器设备时，为了便于说明，凡是低于1000V的开关电器设备统称为低压开关电器设备；电压大于1000V电压的开关电器设备将统称为高压开关电器设备。

1.高压开关电器设备
高压开关电器设备又分为：高压断路器、高压隔离开关、高压负荷开关、高压熔断器、高压接触器和高压接地开关。

下面将对这几种开关电器的作用和主要的技术参数分别予以介绍。

1)高压断路器
高压断路器的主要任务是：在正常运行时接通和断开负荷电流；发生短路故障或严重过负载时，借助于继电保护装置的作用能自动，迅速地切断故障电流，从而防止事故的扩大和蔓延。

高压断路器主要用于主发电机，电力变压器和馈电回路等操作不是很频繁的电气回路。

(1)高压断路器的主要技术参数
①额定电压U r
额定电压U r是保证断路器正常工作时所能耐受的电压值。

铭牌上所标的电压指的是线电压的有效值；
②额定电流U r（V）
额定电流I e 是断路器可以长期承受载的电流有效值。

断路器长期处于额定电流状态下工作时，它各部分的温升不应该超过规范和标准所制定的范围。

断路器的额定电流等级通常为：630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3200、4000、5000、6300A ；
③
额定短路开断电流I rb （kA ）
在规定条件下，开关能正常开断的最大短路电流的有效值。

它表示了断路器能够切断短路电流的能力；
④
额定短路闭合电流I rm （kA ）
在规定条件下，开关能正常闭合的最大短路峰值电流。

在设计时通常认为额定短路闭合电流是额定短路开断电流的2.5倍；
⑤ 开断时间t b (s 或ms) 从开关接到分闸命令起至各极中的电弧最终熄灭为止的一段时间； ⑥ 闭合时间t s (s 或ms)
从开关接到合闸命令起至某一极中首先流过电流瞬间为止的一段时间。

⑦
额定短路开断容量S rb （kVA ）
由于断路器的开断能力不仅与切断电流有关，而且与切断电流时的线路的电压有关。

因此采用综合参数，即：额定断流容量来表示断路器的开断能力。

额定断流容量等于额定电压与额定开断电流的乘积，它的关系式如下：
S r = S rb
e
U U （公式4-2-14-5）
式中： S r —— 电压U 时的断流容量。

⑧
热稳定电流I t
热稳定电流I t 表示断路器能承受短路电流热效应的能力。

通常以电流有效值表示。

当短路电流很大时，短时间内所产生的大量热量（其值于通过电流平方成正比）来不及向外散发，全部用来加热断路器，使其温度迅速上升，严重时会使断路器触头焊住，损坏断路器。

因此断路器的铭牌规定了一定时间，如：1、4、5、10秒的热电流。

例如I 4即表示短路电流通过4秒的热稳定电流。

其物理意义是：当热稳定电流I t 通过断路器时，在规定的t 秒内，断路器各部分的温度不能超过规范所规定的短时允许的发热温度，保证断路器不被损坏。

⑨
动稳定电流I p
动稳定电流I p 表示断路器能承受短路电流电动力作用的能力。

通常用短路电流峰值表示。

其物理意义是：当断路器在闭合状态时，应能承受最大电流的峰值，以及最大电流峰值所造成的电动力的作用，不会发生任何机械损坏。

该最大电流峰值称为动稳定电流I p ，也称为极限通过电流。

(2) 高压断路器的种类及工作原理 根据高压断路器灭弧介质的种类及作用原理，大体可分为下列几种：
①
油断路器
油断路器是用绝缘油作为灭弧介质。

油有三个作用：一是作为灭弧介质；二是在断路器跳闸时作为动，静触头间的绝缘介质；三是作为带电导体对地（对外壳）的绝缘介质。

油断路器已用了100余年，起到了它应有的历史作用，尽管它制造简单，价格低廉和运行经验丰富，但由于用油不安全，易爆易燃，单元断口电压低，技术性能受到限制等原因，海上油气田开发工程设施上的配电装置不使用这种形式的断路器，它的结构和工作原理等就不再详细
介绍了。

②空气断路器
空气断路器是采用压缩空气作为灭弧介质，因此也可以称作为压缩空气断路器。

断路器中的压缩空气起三个作用，一是强烈地吹灭弧，使电弧冷却而熄灭；二是作为动，静触头间的绝缘介质；三是作为分，合闸操作时的动力。

这种型式的断路器的优点是：灭弧能力强，分断时间短，动作快，断流容量大；但是制造复杂，价格比较昂贵；主要适合于超高压电网和高寒地区使用。

③六氟化硫（SF6）断路器
六氟化硫（SF6）断路器是采用灭弧和绝缘性能的气体SF6作为灭弧介质，SF6气体在电弧作用下分解为低氟化合物，大量吸收电弧能量，使电弧迅速冷却而熄灭。

由于SF6气体的价格较贵及排放引起的环境污染，断路器在操作过程中，不能将SF6气体排向大气，整个断路器的SF6气体应在一个全密封的装置中。

SF6断路器具有许多优点：断口电压高，开断能力强，允许连续开断短路电流的次数多，可作频繁操作；而且动作快，性能好，体积小，维护少。

在额定电压为72.5kV及以上的高压及超高压的电力系统中，SF6断路器已成为主导产品；在12~40.5kV的中高压配电领域中也得到较多的应用。

在维修SF6断路器时需要特别注意的是：SF6气体本身无毒，但在高温作用下会产生氟化氢等有强列腐蚀性的剧毒物，检修是应注意防毒；另外，SF6断路器不适合于在高寒地区使用。

④真空断路器
真空断路器是利用稀薄的空气（真空度102mm汞柱以下）的高绝缘强度来熄灭电弧。

因为在稀薄空气中，中性原子很少，较难产生电弧而且不能稳定燃烧。

真空断路器主要用于40.5kV以下的中高压供配电系统。

它的优点是：动作快，体积小，寿命长，适用于频繁操作的场所。

海上油田开发工程设施上的中压配电装置中使用最多的是真空断路器。

2)高压隔离开关
高压隔离开关没有灭弧装置，因而不能接通和切断电流。

其主要用途是：
(1)隔离高压电源，用隔离开关把检修的电气设备与带电部分可靠地断开，使其有一个明显的断开点，确保检修，操作人员的安全。

(2)接通和断开较小的电流。

如：空载变压器，电容电流不超过5A的空载线路等。

在海上油气田开发工程设施的配电系统中，常用于井口平台电源的进线端，主要目的是为了节省工程投资的费用。

(3)高压负荷开关
高压负荷开关是指能够闭合，承载以及断开在正常条件（包括规定的过载操作条件）下的电流，也能在一定时间内承载规定的异常电路条件（例如短路电流）下的电流的机械开关器件。

它能闭合，但不能开断短路电流。

在大多数情况下，负荷开关与高压熔断器串联使用，借助熔断器切除短路电流。

负荷开关的开断能力在技术上的要求比高压断路器低，因而结构简单，价格便宜，用途十分广泛。

在海上油气田开发工程设施的配电系统中，常用于井口平台电源的进线端。

高压负荷开关与高压熔断器配合使用后，还可以在海底电缆发生短路故障时，采取及时的保护措施。

3)高压熔断器
高压熔断器是电力系统中过载和短路故障的保护设备。

它的主要作用是：当电流超过给定值的一定时间内，通过熔化一个或几个特殊设计及配合的元件来切断电路的器件。

既：当。