海洋石油平臺(tái)中壓電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的選擇

張 龍，何金平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引 言

GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》9.0.2 款1 條中規(guī)定：2 MW 及以上的電動(dòng)機(jī)，或電流速斷保護(hù)靈敏系數(shù)不符合要求的2 MW 以下的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)是防止中壓電動(dòng)機(jī)發(fā)生相間短路的主保護(hù)。目前，海洋石油平臺(tái)中壓電動(dòng)機(jī)通常采用的差動(dòng)保護(hù)主要有2 種方式：縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和自平衡差動(dòng)保護(hù)。與陸地所用的中壓電動(dòng)機(jī)不同，用于海洋石油平臺(tái)上的中壓電動(dòng)機(jī)一般容量不大，并且供電距離都比較短，這兩種差動(dòng)保護(hù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。相對(duì)而言，按照常規(guī)方式做縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)配置時(shí)弊大于利，因而宜優(yōu)先采用自平衡差動(dòng)保護(hù)方式。

1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

1.1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的工作原理

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)利用基爾霍夫電流定理工作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)及其供電線路正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí)，流入電動(dòng)機(jī)及供電電力電纜的電流和流出電流相等，保護(hù)裝置不動(dòng)作；當(dāng)電動(dòng)機(jī)或供電線路發(fā)生短路故障時(shí)，兩側(cè)向故障點(diǎn)提供較大的短路電流，保護(hù)裝置動(dòng)作。

1.2 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的接線方式

在中壓電動(dòng)機(jī)側(cè)和中壓開(kāi)關(guān)柜側(cè)均安裝兩組變比相同的電流互感器，分別接入電動(dòng)機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置(安裝在中壓開(kāi)關(guān)柜上)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)兩側(cè)電流進(jìn)行比較，以此來(lái)判斷保護(hù)范圍內(nèi)是否發(fā)生短路故障。

在正常或保護(hù)范圍外發(fā)生短路故障時(shí)，中壓電動(dòng)機(jī)側(cè)和中壓開(kāi)關(guān)柜側(cè)裝設(shè)的電流互感器二次側(cè)差電流為0，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作；而當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，中壓電動(dòng)機(jī)側(cè)和中壓開(kāi)關(guān)柜側(cè)裝設(shè)的電流互感器二次側(cè)差電流很大，且超過(guò)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置整定值，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置啟動(dòng)并發(fā)出跳閘信號(hào)，使本電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的斷路器跳閘，切除電動(dòng)機(jī)電源，防止電動(dòng)機(jī)或供電線路故障導(dǎo)致的事故擴(kuò)大?？v聯(lián)差動(dòng)保護(hù)接線方式詳見(jiàn)圖1。

圖1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)接線方式Fig.1 Connection of longitudinal differential protection

如圖1 所示，要實(shí)現(xiàn)中壓電動(dòng)機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，需要在中壓電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)接線盒內(nèi)安裝3 只電流互感器(TA4)，在中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝3 只電流互感器(TA3)和1 套縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置(SEL 系列微機(jī)綜合保護(hù)裝置SEL-787)。

2 自平衡差動(dòng)保護(hù)

2.1 自平衡差動(dòng)保護(hù)的工作原理

自平衡差動(dòng)保護(hù)是利用磁通平衡原理實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的一種方法。在正常情況下，由于磁通平衡，電流向量和為0，自平衡電流互感器二次側(cè)不產(chǎn)生電流，保護(hù)裝置不動(dòng)作；當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡，二次側(cè)產(chǎn)生電流，保護(hù)裝置動(dòng)作[1]。

2.2 自平衡差動(dòng)保護(hù)的接線方式

在中壓電動(dòng)機(jī)主接線盒內(nèi)安裝3 只自平衡電流互感器，中壓電動(dòng)機(jī)每相定子繞組的始端和中性點(diǎn)端的引線分別引入每只自平衡電流互感器的環(huán)形鐵芯窗口一次，自平衡電流互感器的二次側(cè)接入電動(dòng)機(jī)帶有自平衡保護(hù)功能的微機(jī)綜合保護(hù)裝置，通過(guò)微機(jī)綜合保護(hù)裝置來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部是否發(fā)生短路故障。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或起動(dòng)過(guò)程中，流入A、B、C 三相始端的電流與流入中性點(diǎn)端的電流為同一電流，對(duì)于磁平衡電流互感器而言，該電流一進(jìn)一出，互感器一次安匝為0，即一次勵(lì)磁安匝處于磁平衡，則二次側(cè)不產(chǎn)生電流，保護(hù)裝置不動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)相間短路或接地故障時(shí)，故障電流破壞了電流互感器的磁通平衡，二次側(cè)產(chǎn)生電流，當(dāng)電流達(dá)到微機(jī)綜合保護(hù)裝置的整定值時(shí)，微機(jī)綜合保護(hù)裝置啟動(dòng)并發(fā)出跳閘信號(hào)，使本電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的斷路器跳閘，切除電動(dòng)機(jī)電源，防止電動(dòng)機(jī)故障導(dǎo)致的事故擴(kuò)大。自平衡式差動(dòng)保護(hù)接線方式見(jiàn)圖2。

圖2 自平衡式差動(dòng)保護(hù)接線方式Fig.2 Connection of self-balanced differential protection

如圖2 所示，要實(shí)現(xiàn)中壓電動(dòng)機(jī)自平衡差動(dòng)保護(hù)，則需要在中壓電動(dòng)機(jī)主線盒內(nèi)安裝3 只自平衡電流互感器，在中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝1 套微機(jī)綜合保護(hù)裝置(SEL 系列微機(jī)綜合保護(hù)裝置SEL-710)。

3 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和自平衡差動(dòng)保護(hù)的對(duì)比

3.1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的所需要的2 組電流互感器，其中一組安裝在中壓電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)接線盒內(nèi)，另一組安裝在為該電動(dòng)機(jī)配電的中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部短路故障和供電線路短路故障均能起到保護(hù)作用，差動(dòng)保護(hù)范圍廣。

3.2 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)存在問(wèn)題

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)所需要的2 組電流互感器的二次側(cè)電流信號(hào)均應(yīng)通過(guò)控制電纜引至安裝在中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置上，此兩組電流互感器距離縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置的距離不一致(中壓電動(dòng)機(jī)通常安裝在生產(chǎn)區(qū)，中壓開(kāi)關(guān)柜通常安裝在配電室內(nèi))，因此很容易造成電流互感器二次負(fù)載不匹配，即電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的激磁涌流會(huì)使電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)側(cè)電流互感器勵(lì)磁過(guò)飽和而開(kāi)關(guān)柜側(cè)電流互感器勵(lì)磁未飽和，從而產(chǎn)生不平衡電流。雖然在兼顧靈敏度的情況下，可以通過(guò)提高差動(dòng)動(dòng)作電流和差動(dòng)制動(dòng)系數(shù)來(lái)躲過(guò)不平衡電流，但是中壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)中的電流暫態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜，上述解決辦法并不一定能可靠躲過(guò)啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的不平衡電流[2]。

從微機(jī)綜合保護(hù)裝置的配置上來(lái)說(shuō)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)功能通常需要配置2 套微機(jī)綜合保護(hù)裝置，1 套(SEL-787)專門(mén)用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)功能，另外1 套(SEL-751A)用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)功能，例如過(guò)負(fù)荷保護(hù)，堵轉(zhuǎn)保護(hù)等等。因此，采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)時(shí)，需要配置3 繞組的電流互感器和2 套微機(jī)綜合保護(hù)裝置，相應(yīng)電氣設(shè)備和元器件的增加也會(huì)提高工程的造價(jià)。

3.3 自平衡差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)

①自平衡差動(dòng)保護(hù)的電流互感器檢測(cè)的是電動(dòng)機(jī)定子繞組每相的不平衡電流，避免了因?yàn)閮山M電流互感器特性誤差或者電流互感器二次回路阻抗不匹配而引起的微機(jī)綜合保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

②在電動(dòng)機(jī)沒(méi)有內(nèi)部短路故障時(shí)，自平衡電流互感器的二次側(cè)不產(chǎn)生電流，所以微機(jī)綜保裝置繼電保護(hù)動(dòng)作電流的整定值可以很小，保護(hù)動(dòng)作靈敏度高。

③從微機(jī)綜合保護(hù)裝置的配置上來(lái)說(shuō)，自平衡差動(dòng)保護(hù)和電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)功能通常可以只配置1 套微機(jī)綜合保護(hù)裝置(SEL-710)，既能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的差動(dòng)保護(hù)功能，也能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)功能，如過(guò)負(fù)荷保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等。采用自平衡差動(dòng)保護(hù)時(shí)，只需要在中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)配置2 繞組的電流互感器和1 套微機(jī)綜合保護(hù)裝置，可以降低工程的造價(jià)。

3.4 自平衡差動(dòng)保護(hù)存在問(wèn)題

①自平衡差動(dòng)保護(hù)的自平衡電流互感器安裝在中壓電動(dòng)機(jī)側(cè)，只能保護(hù)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部短路故障，對(duì)于其供電線路則需要單獨(dú)設(shè)置主保護(hù)。如果裝設(shè)常規(guī)的電流速斷保護(hù)，在短路容量較小或供電線路過(guò)長(zhǎng)時(shí)，供電線路末端電流速斷保護(hù)靈敏度系數(shù)不符合繼電保護(hù)要求，可能造成供電線路末端不在保護(hù)范圍之內(nèi)，即存在死區(qū)。

②自平衡電流互感器通常安裝在中壓電動(dòng)機(jī)本體上，且為穿芯式結(jié)構(gòu)，每相定子繞組的始端和中性點(diǎn)端的引線分別引入每只自平衡電流互感器的環(huán)形鐵芯窗口，因此自平衡電流互感器應(yīng)安裝在電動(dòng)機(jī)主接線盒內(nèi)，考慮到電動(dòng)機(jī)主接線盒承擔(dān)著供電線路接線端子的職能，主接線盒的尺寸會(huì)比較大。如果電動(dòng)機(jī)的中心高比較低，主接線盒尺寸較大，其接線空間太小，則不能滿足電纜的安裝要求。

3.5 兩種差動(dòng)保護(hù)的比較

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和自平衡差動(dòng)保護(hù)的比較見(jiàn)表1。

表1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和自平衡差動(dòng)保護(hù)對(duì)比Tab.1 Comparison table for longitudinal differential protection and self-balancing differential protecion

4 海洋石油平臺(tái)中壓電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的選擇和整定

4.1 中壓電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)的選擇

對(duì)于海洋石油平臺(tái)來(lái)說(shuō)，通常中壓電動(dòng)機(jī)容量較小，供電線路短，一般經(jīng)核算后其供電線路全長(zhǎng)均在電流速斷保護(hù)范圍之內(nèi)，故應(yīng)優(yōu)先采用自平衡差動(dòng)保護(hù)。應(yīng)該注意的是，在電動(dòng)機(jī)采購(gòu)時(shí)，應(yīng)與電動(dòng)機(jī)供貨商進(jìn)行協(xié)商，確定電動(dòng)機(jī)側(cè)安裝的是自平衡電流互感器；同時(shí)，應(yīng)與中壓開(kāi)關(guān)柜和微機(jī)綜合保護(hù)裝置供貨商溝通，確定采用自平衡差動(dòng)保護(hù)。

4.2 中壓電動(dòng)機(jī)自平衡差動(dòng)保護(hù)的整定

自平衡差動(dòng)保護(hù)整定原則：自平衡差動(dòng)保護(hù)對(duì)中壓電動(dòng)機(jī)內(nèi)部(包括進(jìn)、出線接線端子)相間短路及單相接地短路具有保護(hù)作用。由于相間短路故障電流大，不能作為確定自平衡電流互感器變比和自平衡差動(dòng)保護(hù)整定值的依據(jù)[3]。海洋石油平臺(tái)6 kV 或10 kV供配電系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，單相接地短路故障電流是系統(tǒng)的總單相接地電容電流，其大小與系統(tǒng)電纜的截面和長(zhǎng)度有關(guān)。所以，自平衡電流互感器的變比應(yīng)按系統(tǒng)的總單相接地電容電流來(lái)確定，自平衡差動(dòng)保護(hù)整定值應(yīng)躲過(guò)同一系統(tǒng)中其他線路發(fā)生單相接地時(shí)流過(guò)此電動(dòng)機(jī)的電容電流來(lái)確定。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)，系統(tǒng)的單相接地電容電流按下式計(jì)算[4]：

式中：S 為電纜芯線標(biāo)稱截面，mm2；Ur為線路額定電壓，kV；l 為線路長(zhǎng)度，km；Ic為接地電容電流，A。

3～10 kV 電動(dòng)機(jī)的單相接地保護(hù)整定按下式計(jì)算：

式中：Iop為保護(hù)裝置一次動(dòng)作電流，A；Ic∑為電網(wǎng)的總單相接地電容電流，A；Krel為可靠系數(shù)；Icx為其他線路發(fā)生單相接地時(shí)流過(guò)此電動(dòng)機(jī)的電容電流，A。

5 結(jié) 語(yǔ)

自平衡差動(dòng)保護(hù)的接線簡(jiǎn)單，靈敏度高，工程造價(jià)低，避免了縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)因兩組電流互感器勵(lì)磁特性不匹配引起的保護(hù)誤動(dòng)作。尤其在海洋石油平臺(tái)上，供電線路距離較短，且電動(dòng)機(jī)容量偏小，應(yīng)優(yōu)先考慮采用自平衡差動(dòng)保護(hù)。