海洋平臺發(fā)電機(jī)保護(hù)研究

柏繼合，代學(xué)良，黃永豹

(海洋工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津300451)

海洋平臺發(fā)電機(jī)保護(hù)研究

柏繼合，代學(xué)良，黃永豹

(海洋工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津300451)

本文首先介紹了海洋平臺電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)故障及異常運(yùn)行方式的各類保護(hù)，隨后就電壓異常保護(hù)、過載保護(hù)和電流速斷保護(hù)在整定設(shè)置過程中需要考慮的因素和注意問題展開討論，最后以發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)繼電器SR-489為例，討論發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)裝置應(yīng)用過程中需要關(guān)注的關(guān)鍵事項(xiàng)。

海洋平臺 發(fā)電機(jī)保護(hù) SR-489

0 引言

在海上油氣田開發(fā)工程設(shè)施的電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)是最重要的電力設(shè)備，它的安全運(yùn)行對電力系統(tǒng)的正常工作，并向生產(chǎn)，生活和安全等用電設(shè)備不間斷地提供電力，保證電能質(zhì)量等方面都起著極其重要的作用。

海上油氣田開發(fā)工程設(shè)施上的電力系統(tǒng)的發(fā)電裝置分為主發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急發(fā)電機(jī)組兩種。正常情況下，海上油氣田開發(fā)工程設(shè)施上的生產(chǎn)和生活的電能均由主發(fā)電機(jī)組提供。如果由于某種原因主發(fā)電機(jī)不能工作，如發(fā)生火災(zāi)或維修時，由應(yīng)急發(fā)電機(jī)組向消防、安全、緊急逃生和生活等用電設(shè)施提供必要的電力。主發(fā)電機(jī)額定電壓等級為3.3 kV、6.3 kV或10.5 kV，應(yīng)急發(fā)電機(jī)電壓等級為0.4 kV或0.48 kV。

1 海洋平臺發(fā)電機(jī)保護(hù)介紹

在《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對電壓在3 kV以上，容量在25 MW及以下的同步發(fā)電機(jī)，對下列故障及異常運(yùn)行方式應(yīng)裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)裝置：1）定子繞組相間短路；2）定子繞組接地；3）定子繞組匝間短路；4）發(fā)電機(jī)外部短路；5）對稱過負(fù)荷保護(hù)；6）定子繞組過電壓；7）勵磁回路一點(diǎn)及二點(diǎn)接地；8）失磁保護(hù)。

在滿足《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的前提下，為了使同步發(fā)電機(jī)能根據(jù)故障和異常工作等情況，有選擇地，迅速地將其從電網(wǎng)運(yùn)行中切除或發(fā)出信號保證發(fā)電機(jī)免受損傷，減少對電網(wǎng)運(yùn)行所造成的不良后果，保證電網(wǎng)其余部分安全正常運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)上裝設(shè)完善的保護(hù)是十分必要的。海洋平臺發(fā)電機(jī)主要保護(hù)如表1所示，基于表1發(fā)電機(jī)主要保護(hù)列表，設(shè)計(jì)海洋平臺典型的發(fā)電機(jī)保護(hù)單線圖，如圖1 所示。

注：若發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地，則保護(hù)零序過流保護(hù)。若發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地，則取消零序過流保護(hù)。

2 發(fā)電機(jī)保護(hù)功能探討

本文對海洋平臺發(fā)電機(jī)各項(xiàng)保護(hù)功能不作逐一討論，僅重點(diǎn)討論和分析電壓異常保護(hù)、過載保護(hù)和電流速斷保護(hù)在整定設(shè)置過程中需要考慮的因素和注意問題。

2.1電壓異常保護(hù)

平臺發(fā)電機(jī)電壓異常保護(hù)又分為低電壓保護(hù)（27）和過電壓保護(hù)（59）兩種類型，當(dāng)發(fā)電機(jī)的調(diào)壓器或發(fā)電機(jī)外部短路故障不切除時，強(qiáng)大的短路電流可能造成電壓下降的情況。異步電動機(jī)長期處于低電壓狀態(tài)運(yùn)行，造成的過電流會使發(fā)電機(jī)發(fā)熱，加速繞組的絕緣老化及損壞，對于發(fā)電機(jī)和異步電動機(jī)的運(yùn)行都是不利的；發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷時，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的增加，發(fā)電機(jī)端的電壓有可能會升高，這樣會使照明燈損壞。

海洋平臺主發(fā)電機(jī)電壓異常保護(hù)一般設(shè)置兩段保護(hù)，電壓低于85%或高于110%額定電壓時，發(fā)出報(bào)警信號；電壓低于70%或高于120%額定電壓時跳閘；同時應(yīng)注意在應(yīng)急發(fā)電機(jī)運(yùn)行時（應(yīng)急或火災(zāi)工況），為了更好的保證平臺供電的可靠性，應(yīng)急發(fā)電機(jī)電壓異常保護(hù)僅發(fā)出報(bào)警信號，而不動作于跳閘，電壓異常報(bào)警后，現(xiàn)場人員應(yīng)迅速到現(xiàn)場第一時間排除故障以保證應(yīng)急發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

2.2 過載保護(hù)

電站在運(yùn)行時，如果出現(xiàn)發(fā)電機(jī)的容量不能滿足負(fù)載的要求或并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組的負(fù)載分配不均勻等情況，都可能造成發(fā)電機(jī)的過載，并有兩種表現(xiàn)方式：電流（視在電流）過載和功率（有功功率）過載。長期的過載電流會使發(fā)電機(jī)過熱，引起絕緣老化和損壞。長期的功率過載會導(dǎo)致原動機(jī)的壽命縮短和部件損壞。

根據(jù)IEC60034-3燃?xì)鉁u輪或蒸汽渦輪同步發(fā)電機(jī)技術(shù)規(guī)范要求發(fā)電機(jī)能夠承受的過載電流與時間關(guān)系如公式1 所表示。

其中，I為發(fā)電機(jī)定子電流，t為發(fā)電機(jī)過載時間，IEC60034-3給出t的 范圍為10～60 s，該公式對應(yīng)的曲線如圖2所示，為更直觀的說明發(fā)電機(jī)最低過載能力，表2給出具體的過載電流倍數(shù)和對應(yīng)的發(fā)電機(jī)耐受時間值。

發(fā)電機(jī)過載保護(hù)應(yīng)設(shè)置反時限保護(hù)，充分利用發(fā)電機(jī)的過載能力，同時在反時限曲線的選擇時，應(yīng)注意與發(fā)電機(jī)的過載能力曲線相配合，所選取的反時限曲線應(yīng)在發(fā)電機(jī)過載能力曲線的左下方，同時應(yīng)能躲開電力系統(tǒng)中因大電動機(jī)起動引起的發(fā)電機(jī)短暫過載，并與海洋平臺用電設(shè)備自動卸載方案相配合，當(dāng)發(fā)電機(jī)過載時，應(yīng)能自動地切除非重要的負(fù)載，從而使發(fā)電機(jī)退出過載狀態(tài)。

2.3 電流速斷保護(hù)

發(fā)電機(jī)速斷保護(hù)設(shè)置與否主要取決與同時運(yùn)行的發(fā)電機(jī)臺數(shù)，根據(jù)中國船級社編制的“海上移動平臺入級和建造規(guī)范”和“海上固定平臺入級和建造規(guī)范”的規(guī)定：每一平臺至少應(yīng)該配備兩臺發(fā)電機(jī)組作為主電源。另外，從便于機(jī)組之間的互為備用，操作，管理和維護(hù)的角度出發(fā)，最好選用相同類型，相同規(guī)格和相同容量的發(fā)電機(jī)組。遵照這些規(guī)定和設(shè)計(jì)理念，海洋平臺電站主發(fā)電機(jī)主要按照一用一備，兩用一備，或三用一備三種方案配備主發(fā)電機(jī)臺數(shù)，如圖3所示，并且發(fā)電機(jī)類型、規(guī)格和容量一般情況下都相同。圖3 中 ，假設(shè)單臺發(fā)電機(jī)對稱三相短路電流初始值為，忽略系統(tǒng)系統(tǒng)電動機(jī)等感性負(fù)荷反饋短路電流，三相對稱短路分別發(fā)生在發(fā)電機(jī)出線斷路器進(jìn)線側(cè)A處，發(fā)電機(jī)出線母排B處，饋線斷路器出線側(cè)F處。

方案一，主電站有兩臺主發(fā)電機(jī)，正常運(yùn)行時一用一備，當(dāng)三相對稱短路發(fā)生在B處時，流經(jīng)VCB1的短路電流為，當(dāng)短路點(diǎn)在A處時，無電流流經(jīng)VCB1，此時若主發(fā)電機(jī)設(shè)置短路速斷保護(hù)，為保證1.2的靈敏度系數(shù)，速斷電流定值設(shè)置為0.83，當(dāng)三相短路故障在F處發(fā)生時，流經(jīng)VCB1的短路電流為，發(fā)電機(jī)出口斷路器動作于跳閘，無法實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。

方案二，主電站有三臺主發(fā)電機(jī)，正常運(yùn)行時兩用一備，當(dāng)三相對稱短路發(fā)生在B處處時，流經(jīng)VCB1的短路電流為，當(dāng)短路點(diǎn)在A處時，流經(jīng)VCB1短路電流為另外一臺發(fā)電機(jī)輸出三相對稱短路電流，此時若主發(fā)電機(jī)設(shè)置短路速斷保護(hù)，定值為0.83，三相對稱短路故障在F處發(fā)生時，流經(jīng)VCB1短路電流為同方案一樣，無法實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，將會產(chǎn)生發(fā)電機(jī)出口斷路器的誤動作。

方案三，主電站有四臺主發(fā)電機(jī)，正常運(yùn)行時三用一備，當(dāng)三相對稱短路發(fā)生在B處時，流經(jīng)VCB1的短路電流為當(dāng)三相對稱短路發(fā)生在A處時，流經(jīng)VCB1的短路電流為其余兩臺主發(fā)電機(jī)輸出三相對稱短路電流之和2此時，主發(fā)電機(jī)設(shè)置短路速斷保護(hù)，定值設(shè)置為1.67，若短路故障在F處時，流經(jīng)VCB1短路電流為，主發(fā)電機(jī)速斷保護(hù)不會誤動作，可以實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。

由以上分析可以判斷主發(fā)電機(jī)速斷保護(hù)是否設(shè)置，主要取決于同時運(yùn)行的發(fā)電機(jī)運(yùn)行臺數(shù)，如果同時并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)臺數(shù)三臺或三臺以上，應(yīng)設(shè)置發(fā)電機(jī)速斷保護(hù)，一方面保護(hù)從發(fā)電機(jī)到出線開關(guān)之間的電纜，另外一方面及時隔離故障發(fā)電機(jī)，保證平臺電站的安全、可靠得運(yùn)行。同時需要注意得是，以上分析是基于三相對稱短路故障，在實(shí)際發(fā)電機(jī)速斷保護(hù)定值設(shè)定時，應(yīng)能切斷兩相短路故障，并保證斷路器不會產(chǎn)生誤動作。

3 發(fā)電機(jī)綜保應(yīng)用注意事項(xiàng)

海洋平臺發(fā)電機(jī)各項(xiàng)保護(hù)主要利用綜合保護(hù)繼電器實(shí)現(xiàn)，本文以常用的發(fā)電機(jī)綜保裝置SR-489為例討論發(fā)電機(jī)綜保裝置應(yīng)用時需要注意的幾個問題。

3.1 CT與FLA在電流元件定值的區(qū)別

與電流相關(guān)的各項(xiàng)保護(hù)電流基準(zhǔn)值在SR-489電流元件設(shè)置中，部分保護(hù)定值以“FLA”為基準(zhǔn)，如過流報(bào)警保護(hù)和負(fù)序過流保護(hù)；而在相過流保護(hù)，相差動保護(hù)等中均以“CT”為基準(zhǔn)。根據(jù)SR-489說明書

而SR-489根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置CT變比1600:5，默認(rèn)：CT=5 A,在相過流保護(hù)中電流動作值為4.93 A，若以CT為基準(zhǔn)，則設(shè)置為：0.99CT，若以FLA為基準(zhǔn)，則設(shè)置為：1.44FLA。因此定值設(shè)置時候要特別注意基準(zhǔn)值的不同而造成定值的區(qū)別。

3.2 電壓限制過流保護(hù)（51 V）

在SR-489中，電壓限制過流保護(hù)（51 V），中有“ENABLE VOLTAGE RESTRAINT”設(shè)定欄，可以設(shè)置“No”或“Yes”,設(shè)置“No”則過流保護(hù)與電壓無關(guān)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電流大于設(shè)定電流時，相過流保護(hù)便動作；設(shè)置“Yes”，在“VOLTAGE LOWER LIMIT”欄中輸入“60%”，啟動電流：2 CT，在某些保護(hù)裝置及《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動裝置整定計(jì)算》中，發(fā)電機(jī)端口電壓低于60%額定電壓時，發(fā)電機(jī)電流高于2 CT時，則保護(hù)動作。而在SR-489，則不同于此類理解，當(dāng)按照上述設(shè)置時，當(dāng)發(fā)電機(jī)端口電壓為60%額定電壓時，保護(hù)動作的啟動電流為0.6*2 CT=1.2 CT。

由圖4給出電流啟動倍數(shù)與發(fā)電機(jī)端口電壓的關(guān)系曲線。通過圖4可以看出：

因此在設(shè)置相過流保護(hù)中要特別加以注意，在靈敏度不滿足要求而設(shè)置的電壓閉鎖過電流保護(hù)中，因此低電壓閉鎖關(guān)系啟動電流值可以小于發(fā)電機(jī)額定電流，而在SR-489中，必須考慮限制電壓的影響，以避免因?yàn)檎ㄖ颠^小而引起發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時的誤動。

SR-489之所以采取51V保護(hù)主要是考慮到發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)電壓取自發(fā)電機(jī)機(jī)端口電壓，當(dāng)線路或者發(fā)電機(jī)出口發(fā)生短路時，發(fā)電機(jī)端口電壓下降，導(dǎo)致勵磁電壓降低，勵磁電流降低，進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端口電壓降低，因此電流在短路故障時可能不升反降。因此有必要采用電壓限制過流保護(hù)。

3.3 失磁保護(hù)中阻抗圓與電壓啟動的邏輯關(guān)系

在《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理》一書中，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)中阻抗元件同勵磁電壓元件及機(jī)端電壓元件的邏輯圖如圖5所表示。

3.4 出口繼電器設(shè)置

SR-489 有六個輸出繼電器，其中五個常規(guī)繼電器在發(fā)電機(jī)故障時輸出信號，而外部無故障時不輸出信號；另外一個服務(wù)繼電器僅在SR-489綜保裝置自身故障（設(shè)置錯誤、硬件故障或控制電源失電）時輸出信號。五個常規(guī)輸出繼電器中，R1和R5在正常情況下默認(rèn)為： R1輸出跳閘信號觸發(fā)斷路器動作，R5輸出報(bào)警信號；而R2、R3和R4為輔助繼電器，其功能由用戶自行定義。

根據(jù)GB14285《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，按照故障和異常運(yùn)行方式性質(zhì)的不同，機(jī)組熱力系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件，各保護(hù)裝置將分別動作于：1）停機(jī)：斷開發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)變壓器組斷路器、滅磁、關(guān)閉原動機(jī)主氣門或?qū)~，斷開廠用分支斷路器；2）解列滅磁：斷開發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)變壓器組斷路器和廠用分支斷路器、滅磁，原動機(jī)帥負(fù)荷；3）解列：斷開發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)變壓器組斷路器，原動機(jī)甩負(fù)荷；4）降低勵磁；5）減出力；6）縮小故障范圍（例如斷開母聯(lián)或分段斷路器）；7）程序跳閘：對于汽輪發(fā)電機(jī)先關(guān)主汽門，待逆功率繼電器后再斷開發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)變壓器組斷路器并滅磁; 8）信號：發(fā)出聲光信號。

根據(jù)海洋平臺電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，依據(jù)GB14285并結(jié)合發(fā)電機(jī)運(yùn)行需求及故障處理方式，表3給出發(fā)電機(jī)故障及異常運(yùn)行狀態(tài)的動作形式。

在某項(xiàng)目現(xiàn)場調(diào)試過程中，一臺主發(fā)電機(jī)運(yùn)行時啟動一臺功率較大海水提升泵，主發(fā)電機(jī)低頻報(bào)警，隨后原動機(jī)跳閘,動作結(jié)果與表3不符，通過查看綜保裝置SR-489設(shè)置時，低頻設(shè)置為49.5 Hz，4 s報(bào)警，出口繼電器設(shè)置為R5、R2，通過此判斷判斷出口繼電器設(shè)置需進(jìn)一步調(diào)整。結(jié)合表3 ，表4給出經(jīng)過修改后的SR-489各種保護(hù)的出口繼電器設(shè)置列表。因此SR489設(shè)定時必須按要求指定報(bào)警和分閘的輸出繼電器，不能出錯。否則該報(bào)警的卻引起了分閘解列，該分閘解列的卻報(bào)警而不解列，不是引起誤動作就是拒動，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能正常工作或損壞。

4 結(jié)論

發(fā)電機(jī)作為海洋平臺電力系統(tǒng)最重要的電力設(shè)備，其安全、可靠地運(yùn)行，對維持平臺正常生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障和異常工作等情況時，必須有選擇地，迅速得從海洋平臺電力系統(tǒng)中切除或發(fā)出信號，而這些功能的實(shí)現(xiàn)需要以完善的保護(hù)為基礎(chǔ)，在發(fā)電機(jī)各項(xiàng)保護(hù)整定設(shè)置過程中需要結(jié)合海洋平臺電力系統(tǒng)實(shí)際狀況，遵從相應(yīng)得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求；同時在發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)繼電器應(yīng)用過程中，應(yīng)以詳細(xì)的綜保說明資料為準(zhǔn)，具體問題具體分析，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)各項(xiàng)保護(hù)的正確設(shè)置和功能的完全實(shí)現(xiàn)。

[1] 賀家李, 宋從矩. 電力系統(tǒng)繼保護(hù)原理[M]. 北京:中國電力出版社, 2002.

[2] 編寫組. 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2007.

[3] GB14285/DL 400-91繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S]. 能源部科技司，北京.

[4] GB 50062-92電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research on the Protection of a Generator for Offshore Platform

Bai Jihe, Dai Xueliang, Huang Yongbao
(Offshore Oil Engineering CO., LTD, Tianjing 300451, China)

This paper introduces types of the protection of generator in fault and abnormal operation for offshore platform power system, and the factors and attentions during relay setting of abnormal voltage protection, overload protection and current instantaneous-tripping protection are discussed. taking the multifunctional protection relay SR-489 for generator as an example, it discusses the key issues when multifunctional protection relay for generator is used.

offshore platform; generator protection; SR-489

TM346

A

1003-4862（2013）11-0010-05

2013-01-13

柏繼合(1981-)，男，碩士，工程師。研究方向：海洋平臺電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。