陳 潔，郭 偉，吳海濤

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海上平臺燃氣輪發(fā)電機繼電保護方案配置

陳 潔，郭 偉，吳海濤

（中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東深圳518067）

深海油氣開采平臺離陸岸較遠，平臺所在位置海水較深，不便于進行平臺之間電力組網(wǎng)，各個平臺作為獨立電站，采用單端電源供電，穩(wěn)定性較為薄弱。合理的繼電整定配置，可以有效的對燃氣輪發(fā)電機進行保護，并能提高平臺電力系統(tǒng)運行的安全性、可靠性。本文結(jié)合南海某天然氣平臺，簡要介紹該平臺電力系統(tǒng)組成，探討了該平臺燃氣輪發(fā)電機繼電保護配置方案，對多功能綜合保護繼電器保護功能進行了測試。

海上平臺 燃氣輪發(fā)電機 繼電保護 整定配置

0引言

隨著海上石油勘探技術(shù)的不斷完善，海上油氣開采已從淺海轉(zhuǎn)移至深海，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，從最近十幾年來全球大型油氣田的發(fā)現(xiàn)情況看，深海中發(fā)現(xiàn)的儲量大概占全球油氣總儲量的40%，深海已成為全實際油氣田儲量接替的主要區(qū)域。

通常深海平臺距離陸岸較遠，所在位置海水較深，平臺之間不易通過海底電纜建立電力組網(wǎng)，這就對各平臺電力系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定可靠性要求，平臺自身設(shè)置的發(fā)電機在運行中繼電保護尤為重要?，F(xiàn)以南海某海上平臺為例，該平臺位于中國南海北部海域珠江口盆地，水深約195m，距珠海東南約256km，主要開采天然氣，本文對該平臺燃氣輪發(fā)電機所采用的綜合保護繼電器MiCOM P343進行分析。

1平臺發(fā)電機保護繼電器簡介

平臺上設(shè)置兩臺透平Solar T70驅(qū)動機組，發(fā)電機KATO型號AA28765000，主要參數(shù)額定功率6500kW，額定容量8125kVA，額定電壓6300V，頻率50Hz，轉(zhuǎn)速1500RPM，功率因素0.8PF，發(fā)電機供給平臺電力系統(tǒng)6.3kV電源，母排電力單線如圖1，主要帶載設(shè)備有三臺海水提升泵，每臺功率400kW及兩臺6.3 kV/ 0.4kV變壓器，容量各為3150kVA。

該平臺發(fā)電機多功能綜合保護繼電器采用AREVA MiCOM P343，該保護裝置是新一代全32位數(shù)字式發(fā)電機保護裝置，能為發(fā)電機提供全面可靠的測量、監(jiān)視、保護功能，還可以運用可編程邏輯專用軟件，通過編程構(gòu)建成邏輯復雜的功能模塊。

2.1功率保護

標準功率保護元件按下式計算三相有功功率，計算采用到繼電器輸入端，，和，，。

提供的兩段功率保護可被獨立選定為逆功率、超功率、低正向功率或被禁用，每段功率保護均可延時啟動或返回，可經(jīng)機端斷路器斷開閉鎖。

2.2失磁保護

失磁保護包括兩個元件，一個是帶有兩個時間延時段的阻抗元件，一個是功率因素報警元件，如圖3所示，元件依據(jù)繼電器IA和VA輸入測得的A相電流和A相電壓及A相阻抗，阻抗元件可獨立設(shè)定延時和返回時間。功率因素報警元件主要判斷發(fā)電機進相角，超過設(shè)定的報警角可延時告警。大型機組對失磁保護的判據(jù)要求較高，要有系統(tǒng)低電壓、機端過電流、勵磁低電壓等判據(jù)結(jié)合判斷，這種方式可以利用本裝置內(nèi)部具有的保護元件來編輯組合實現(xiàn)現(xiàn)場所需要的失磁保護邏輯，此處為失磁保護的一個基本元件。

2.3系統(tǒng)后備保護

P343繼電器系統(tǒng)后備保護主要提供三種方式：電壓控制過流保護、電壓限制過流保護、低阻抗保護。三種方式保護特性如下：

電壓控制過流保護，在電壓低于整定值時，電流門檻相應降低到原整定值與過流系統(tǒng)的積，該方式保護動作特性如圖4。

電壓限制過流保護，該保護與電壓控制過流保護的區(qū)別在于電壓限制過流保護在二個整定的電壓范圍內(nèi)有一電流與電壓線性相關(guān)的變化門檻，動作特性如圖5所示。

低阻抗保護，保護測量三個相間阻抗量，任一阻抗在定值范圍內(nèi)動作，動作特性為無方向的阻抗圓，圓心在原點，如圖6所示。

2.4過流保護及負序過流保護

過流保護：P343繼電器提供一個兩段無方向過流元件，可用來為系統(tǒng)提供延時后備保護和為電機故障提供快速動作的高定值保護。

每段過流保護均有延時，第一段可選擇反時限（IDMT）或定時限（DT），第二段則只提供定時限特性，可被整定到零而產(chǎn)生瞬時動作。每一段都可以選擇為啟用或禁用。

負序過流保護：P343繼電器提供一段負序過負荷告警和一段負序過熱反時限。負序電流計算公式為：

負序過熱時間特性計算公式：

其中：

另外，負序過熱段提供最大動作時間和最小動作時間，用于與相鄰元件保護配合和保證發(fā)電機不承受超過的額定熱容量。

2.5差動保護

比率制動差動保護：P343繼電器中提供了兩個比率整定，初始斜率“Gen Diff K1”被用到通過電流大到“Gen Diff Is2”為止，第二段斜率“Gen Diff K2”用在通過電流“Gen Diff Is2”以上的整定。對通過電流的任何值，比率差動元件的動作電流用以下公式進行計算：

保護動作方程如下：

差動特性如圖7所示。

高阻抗差動保護：高阻抗差動保護原理如圖4，P343繼電器主要流過穩(wěn)定電阻的電纜為主要判據(jù)，圖中R表示繼電器，接法如圖8所示。

跨過繼電器回路的電壓

2.6電壓保護

P343繼電器提供二段過電壓和二段低電壓保護，均可設(shè)定測量為線電壓或相電壓，也可設(shè)定任一相電壓低動作或三相電壓全低動作。過電壓或低電壓的第一段時間特性可選定時限或反時限，第二段的時間特性則只有定時限。各段均可自由投退，其中低電壓保護可由開關(guān)斷開位置來閉鎖。

2.7頻率保護

P343繼電器提供四段低頻和二段過頻保護，每段可自由投退，其中低頻保護可由開關(guān)斷開位置閉鎖，每段可具有定時限延時特性，可動作于發(fā)信或跳閘。

2.8斷路器失靈保護

斷路器失靈保護中使用了兩個定時器，CB Fail 1 Timer（斷路器失靈定時器1）和CB Fail 2 Timer（斷路器失靈定時器2）。

斷路器失靈保護的復歸有多種方式，可以通過無電流、斷路器開位+無電流、保護返回+無電流方式復歸。

3繼電器整定值設(shè)置

該平臺透平驅(qū)動機組帶動的發(fā)電機額定電壓6300V，頻率50Hz，在MiCOM P343保護裝置根據(jù)實際PT和CT變比進行整定設(shè)置，主PT一次電壓6300V，二次電壓110.0V；零序PT一次電壓110.0V，二次電壓110.0V；相CT一次電流1000A，二次電流5.000A；接地CT一次電流1.000A，二次電流1.000A；靈敏接地CT一次電流1.000A，二次電流1.000A。

由多功能綜合保護繼電器MiCOM P343對該平臺上的發(fā)電機使用的保護功能，進行如下相應的整定值設(shè)置。

3.1功率保護整定值

功率保護運行模式設(shè)為Generating，功率1段功能Reverse，逆功率1段定值28.00 W，功率1段延時1.500s，功率1段返回時間0s，功率1段開關(guān)斷閉鎖功能Enabled；功率2段Disabled。

3.2失磁保護整定值

失磁告警狀態(tài)Enabled，失磁告警角15.00deg，失磁告警延時20.00s。

失磁1段，狀態(tài)Enabled，定值-Xa1：1.800Ohm，Xb1：14.80Ohm，延時200.0 ms，返回時間0s。

失磁2段，狀態(tài)Enabled，定值-Xa2：1.800Ohm，Xb2：29.40Ohm，延時1.000s，返回時間0s。

3.3后備保護整定值

后備保護功能選用Volt restrained，向量旋轉(zhuǎn)設(shè)為None，電壓限制過流特性DT，電流定值4.700A，延時900.0ms，返回時間0 s，第1段低電壓定值88.00V，第2段低電壓定值22.00V，電流門檻系數(shù)200.0e-3。

3.4過流保護及負序過流保護整定值

電流CT采樣點選擇IA-1，IB-1，IC-1。過流整定方向Non-Directional，過流3段及4段Disabled，過流方向保護靈敏角30.00deg；負序過流整定方向Non-Directional，負序過流3段及4段Disabled，負序過流方向保護靈敏角-60.00deg，負序極化電壓門檻值5.000V。

過流1段，功能IEC E Inverse，定值3.900 A，時間常數(shù)350.0e-3，返回時間0s；過流2段，功能DT，定值12.00A，延時300.0ms，返回時間0s。

負序過流1段，狀態(tài)Enabled，定值400.0mA，延時10.00s；負序過流2段，狀態(tài)Enabled，定值2.050A，延時900.0ms。

3.5差動保護整定值

差動功能模式設(shè)為Percentage Bias，差動啟動值750.0mA，差動第1段斜率20.00 %，差動拐點值5.500A，差動第2段斜率40.00 %。

3.6電壓保護整定值

電壓測量模式Phase-Phase，動作模式Any Phase。低電壓1段及2段CB開斷閉鎖功能均為Disabled。

低電壓1段功能DT，1段定值94.00V，1段延時5.000s，2段狀態(tài)Enabled，2段定值83.00V，2段延時2.000s。

過電壓1段功能DT，1段定值127.0V，1段延時5.000s，2段狀態(tài)Enabled，2段定值138.0V，2段延時2.000s。

3.7頻率保護整定值

低頻1段狀態(tài)Enabled，定值49.50 Hz，延時30.00s；低頻2段狀態(tài)Enabled，定值49.00 Hz，延時60.00s；低頻3段狀態(tài)Enabled，定值48.50 Hz，延時30.00s；低頻4段狀態(tài)Disabled。

過頻1段狀態(tài)Enabled，定值50.50 Hz，延時30.00s；過頻2段狀態(tài)Enabled，定值51.00 Hz，延時30.00s

3.8斷路器失靈保護整定值

低流定值500.0mA，低零流定值100.0mA，低靈敏零序電流定值20.00mA，電流CT采樣點選擇IA-1，IB-1，IC-1。

4繼電保護功能檢測

對該平臺發(fā)電機多功能綜合保護繼電器MiCOM P343進行以下保護功能定值檢測，記錄了具體檢測數(shù)據(jù)。

4.1功率保護檢測

逆功率保護，逆功率1段定值27.96W，功率1段延時1.493s，功率1段返回時間0s，功率1段開關(guān)斷閉鎖功能Enabled。

4.2后備保護檢測

電壓限制過流保護，電流定值4.705A，延時875.0ms，返回時間0s，第1段低電壓定值87.85V，第2段低電壓定值21.93V，電流門檻系數(shù)200.0e-3。

4.3過流保護及負序過流保護檢測

過流1段定值3.905A，時間常數(shù)0.342s，返回時間0s，過流2段定值12.05A，延時274.0ms，返回時間0s，過流方向保護靈敏角30.00deg。

負序過流1段定值400.0mA，延時9.87s，負序過流2段定值2.053A，延時840.0ms，負序過流方向保護靈敏角-60.00deg，負序極化電壓門檻值5.000V。

4.4差動保護檢測

比率制動式差動保護，差動啟動值73.0mA，差動第1段斜率20.00 %，差動拐點值5.550A，差動第2段斜率40.00 %。

4.5電壓保護檢測

低電壓1段定值93.90V，1段延時4.846s，2段定值82.87V，2段延時1.983s；過電壓1段定值127.50V，1段延時4.989s，2段定值138.20V，2段延時1.986s。

4.6頻率保護檢測

低頻1段定值49.40Hz，延時29.75s，低頻2段定值48.98Hz，延時57.39s，低頻3段定值48.40Hz，延時28.76s；過頻1段定值50.60Hz，延時29.73s，過頻2段定值51.02Hz，延時29.75s。

5結(jié)束語

該平臺采用的MiCOM P343多功能綜合保護繼電器，通過專業(yè)檢測整定值檢驗數(shù)據(jù)均在合格精度范圍，相應的保護均能正常動作，在實際應用中能很好的對透平發(fā)電機起到保護作用。測量方面，MiCOM P343對各數(shù)據(jù)采集，為發(fā)電機的運行狀況監(jiān)測提供了參考依據(jù)。

MiCOM P343對平臺發(fā)電機運行提供安全可靠的保護，進而保證了平臺電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，為海上天然氣的正常生產(chǎn)作業(yè)及人員的生活提供了保障。

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Configuration of Relay Protection Plan for Gas Turbine Generator on Offshore Platform

Chen Jie, Guo Wei, Wu Haitao

(CNOOC Deepwater Development Limited, Shenzhen 518067, Guangdong, China)

TM611

A

1003-4862（2016）09-0023-05

2016-04-15

陳潔(1980-)，男，工程師。研究方向：海上平臺電力系統(tǒng)繼電保護。