海洋平台发电机保护研究

柏继合，代学良，黄永豹

(海洋工程股份有限公司设计公司，天津300451)

海洋平台发电机保护研究

柏继合，代学良，黄永豹

(海洋工程股份有限公司设计公司，天津300451)

本文首先介绍了海洋平台电力系统发电机故障及异常运行方式的各类保护，随后就电压异常保护、过载保护和电流速断保护在整定设置过程中需要考虑的因素和注意问题展开讨论，最后以发电机综合保护继电器SR-489为例，讨论发电机综合保护装置应用过程中需要关注的关键事项。

海洋平台 发电机保护 SR-489

0 引言

在海上油气田开发工程设施的电力系统中，同步发电机是最重要的电力设备，它的安全运行对电力系统的正常工作，并向生产，生活和安全等用电设备不间断地提供电力，保证电能质量等方面都起着极其重要的作用。

海上油气田开发工程设施上的电力系统的发电装置分为主发电机组和应急发电机组两种。正常情况下，海上油气田开发工程设施上的生产和生活的电能均由主发电机组提供。如果由于某种原因主发电机不能工作，如发生火灾或维修时，由应急发电机组向消防、安全、紧急逃生和生活等用电设施提供必要的电力。主发电机额定电压等级为3.3 kV、6.3 kV或10.5 kV，应急发电机电压等级为0.4 kV或0.48 kV。

1 海洋平台发电机保护介绍

在《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定，对电压在3 kV以上，容量在25 MW及以下的同步发电机，对下列故障及异常运行方式应装设相应的保护装置：1）定子绕组相间短路；2）定子绕组接地；3）定子绕组匝间短路；4）发电机外部短路；5）对称过负荷保护；6）定子绕组过电压；7）励磁回路一点及二点接地；8）失磁保护。

在满足《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》的前提下，为了使同步发电机能根据故障和异常工作等情况，有选择地，迅速地将其从电网运行中切除或发出信号保证发电机免受损伤，减少对电网运行所造成的不良后果，保证电网其余部分安全正常运行，在发电机上装设完善的保护是十分必要的。海洋平台发电机主要保护如表1所示，基于表1发电机主要保护列表，设计海洋平台典型的发电机保护单线图，如图1 所示。

注：若发电机中性点接地，则保护零序过流保护。若发电机中性点不接地，则取消零序过流保护。

2 发电机保护功能探讨

本文对海洋平台发电机各项保护功能不作逐一讨论，仅重点讨论和分析电压异常保护、过载保护和电流速断保护在整定设置过程中需要考虑的因素和注意问题。

2.1电压异常保护

平台发电机电压异常保护又分为低电压保护（27）和过电压保护（59）两种类型，当发电机的调压器或发电机外部短路故障不切除时，强大的短路电流可能造成电压下降的情况。异步电动机长期处于低电压状态运行，造成的过电流会使发电机发热，加速绕组的绝缘老化及损坏，对于发电机和异步电动机的运行都是不利的；发电机突然甩负荷时，由于转子旋转速度的增加，发电机端的电压有可能会升高，这样会使照明灯损坏。

海洋平台主发电机电压异常保护一般设置两段保护，电压低于85%或高于110%额定电压时，发出报警信号；电压低于70%或高于120%额定电压时跳闸；同时应注意在应急发电机运行时（应急或火灾工况），为了更好的保证平台供电的可靠性，应急发电机电压异常保护仅发出报警信号，而不动作于跳闸，电压异常报警后，现场人员应迅速到现场第一时间排除故障以保证应急发电机的安全运行。

2.2 过载保护

电站在运行时，如果出现发电机的容量不能满足负载的要求或并联运行的机组的负载分配不均匀等情况，都可能造成发电机的过载，并有两种表现方式：电流（视在电流）过载和功率（有功功率）过载。长期的过载电流会使发电机过热，引起绝缘老化和损坏。长期的功率过载会导致原动机的寿命缩短和部件损坏。

根据IEC60034-3燃气涡轮或蒸汽涡轮同步发电机技术规范要求发电机能够承受的过载电流与时间关系如公式1 所表示。

其中，I为发电机定子电流，t为发电机过载时间，IEC60034-3给出t的 范围为10～60 s，该公式对应的曲线如图2所示，为更直观的说明发电机最低过载能力，表2给出具体的过载电流倍数和对应的发电机耐受时间值。

发电机过载保护应设置反时限保护，充分利用发电机的过载能力，同时在反时限曲线的选择时，应注意与发电机的过载能力曲线相配合，所选取的反时限曲线应在发电机过载能力曲线的左下方，同时应能躲开电力系统中因大电动机起动引起的发电机短暂过载，并与海洋平台用电设备自动卸载方案相配合，当发电机过载时，应能自动地切除非重要的负载，从而使发电机退出过载状态。

2.3 电流速断保护

发电机速断保护设置与否主要取决与同时运行的发电机台数，根据中国船级社编制的“海上移动平台入级和建造规范”和“海上固定平台入级和建造规范”的规定：每一平台至少应该配备两台发电机组作为主电源。另外，从便于机组之间的互为备用，操作，管理和维护的角度出发，最好选用相同类型，相同规格和相同容量的发电机组。遵照这些规定和设计理念，海洋平台电站主发电机主要按照一用一备，两用一备，或三用一备三种方案配备主发电机台数，如图3所示，并且发电机类型、规格和容量一般情况下都相同。图3 中 ，假设单台发电机对称三相短路电流初始值为，忽略系统系统电动机等感性负荷反馈短路电流，三相对称短路分别发生在发电机出线断路器进线侧A处，发电机出线母排B处，馈线断路器出线侧F处。

方案一，主电站有两台主发电机，正常运行时一用一备，当三相对称短路发生在B处时，流经VCB1的短路电流为，当短路点在A处时，无电流流经VCB1，此时若主发电机设置短路速断保护，为保证1.2的灵敏度系数，速断电流定值设置为0.83，当三相短路故障在F处发生时，流经VCB1的短路电流为，发电机出口断路器动作于跳闸，无法实现选择性保护。

方案二，主电站有三台主发电机，正常运行时两用一备，当三相对称短路发生在B处处时，流经VCB1的短路电流为，当短路点在A处时，流经VCB1短路电流为另外一台发电机输出三相对称短路电流，此时若主发电机设置短路速断保护，定值为0.83，三相对称短路故障在F处发生时，流经VCB1短路电流为同方案一样，无法实现选择性保护，将会产生发电机出口断路器的误动作。

方案三，主电站有四台主发电机，正常运行时三用一备，当三相对称短路发生在B处时，流经VCB1的短路电流为当三相对称短路发生在A处时，流经VCB1的短路电流为其余两台主发电机输出三相对称短路电流之和2此时，主发电机设置短路速断保护，定值设置为1.67，若短路故障在F处时，流经VCB1短路电流为，主发电机速断保护不会误动作，可以实现选择性保护。

由以上分析可以判断主发电机速断保护是否设置，主要取决于同时运行的发电机运行台数，如果同时并联运行的发电机台数三台或三台以上，应设置发电机速断保护，一方面保护从发电机到出线开关之间的电缆，另外一方面及时隔离故障发电机，保证平台电站的安全、可靠得运行。同时需要注意得是，以上分析是基于三相对称短路故障，在实际发电机速断保护定值设定时，应能切断两相短路故障，并保证断路器不会产生误动作。

3 发电机综保应用注意事项

海洋平台发电机各项保护主要利用综合保护继电器实现，本文以常用的发电机综保装置SR-489为例讨论发电机综保装置应用时需要注意的几个问题。

3.1 CT与FLA在电流元件定值的区别

与电流相关的各项保护电流基准值在SR-489电流元件设置中，部分保护定值以“FLA”为基准，如过流报警保护和负序过流保护；而在相过流保护，相差动保护等中均以“CT”为基准。根据SR-489说明书

而SR-489根据系统设置CT变比1600:5，默认：CT=5 A,在相过流保护中电流动作值为4.93 A，若以CT为基准，则设置为：0.99CT，若以FLA为基准，则设置为：1.44FLA。因此定值设置时候要特别注意基准值的不同而造成定值的区别。

3.2 电压限制过流保护（51 V）

在SR-489中，电压限制过流保护（51 V），中有“ENABLE VOLTAGE RESTRAINT”设定栏，可以设置“No”或“Yes”,设置“No”则过流保护与电压无关，当发电机电流大于设定电流时，相过流保护便动作；设置“Yes”，在“VOLTAGE LOWER LIMIT”栏中输入“60%”，启动电流：2 CT，在某些保护装置及《电力系统继电保护与安全自动装置整定计算》中，发电机端口电压低于60%额定电压时，发电机电流高于2 CT时，则保护动作。而在SR-489，则不同于此类理解，当按照上述设置时，当发电机端口电压为60%额定电压时，保护动作的启动电流为0.6*2 CT=1.2 CT。

由图4给出电流启动倍数与发电机端口电压的关系曲线。通过图4可以看出：

因此在设置相过流保护中要特别加以注意，在灵敏度不满足要求而设置的电压闭锁过电流保护中，因此低电压闭锁关系启动电流值可以小于发电机额定电流，而在SR-489中，必须考虑限制电压的影响，以避免因为整定值过小而引起发电机正常运行时的误动。

SR-489之所以采取51V保护主要是考虑到发电机励磁系统电压取自发电机机端口电压，当线路或者发电机出口发生短路时，发电机端口电压下降，导致励磁电压降低，励磁电流降低，进一步导致发电机端口电压降低，因此电流在短路故障时可能不升反降。因此有必要采用电压限制过流保护。

3.3 失磁保护中阻抗圆与电压启动的逻辑关系

在《电力系统继电保护原理》一书中，发电机失磁保护中阻抗元件同励磁电压元件及机端电压元件的逻辑图如图5所表示。

3.4 出口继电器设置

SR-489 有六个输出继电器，其中五个常规继电器在发电机故障时输出信号，而外部无故障时不输出信号；另外一个服务继电器仅在SR-489综保装置自身故障（设置错误、硬件故障或控制电源失电）时输出信号。五个常规输出继电器中，R1和R5在正常情况下默认为： R1输出跳闸信号触发断路器动作，R5输出报警信号；而R2、R3和R4为辅助继电器，其功能由用户自行定义。

根据GB14285《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，按照故障和异常运行方式性质的不同，机组热力系统和调节系统的条件，各保护装置将分别动作于：1）停机：断开发电机或发电机变压器组断路器、灭磁、关闭原动机主气门或导水叶，断开厂用分支断路器；2）解列灭磁：断开发电机或发电机变压器组断路器和厂用分支断路器、灭磁，原动机帅负荷；3）解列：断开发电机或发电机变压器组断路器，原动机甩负荷；4）降低励磁；5）减出力；6）缩小故障范围（例如断开母联或分段断路器）；7）程序跳闸：对于汽轮发电机先关主汽门，待逆功率继电器后再断开发电机或发电机变压器组断路器并灭磁; 8）信号：发出声光信号。

根据海洋平台电力系统的特点，依据GB14285并结合发电机运行需求及故障处理方式，表3给出发电机故障及异常运行状态的动作形式。

在某项目现场调试过程中，一台主发电机运行时启动一台功率较大海水提升泵，主发电机低频报警，随后原动机跳闸,动作结果与表3不符，通过查看综保装置SR-489设置时，低频设置为49.5 Hz，4 s报警，出口继电器设置为R5、R2，通过此判断判断出口继电器设置需进一步调整。结合表3 ，表4给出经过修改后的SR-489各种保护的出口继电器设置列表。因此SR489设定时必须按要求指定报警和分闸的输出继电器，不能出错。否则该报警的却引起了分闸解列，该分闸解列的却报警而不解列，不是引起误动作就是拒动，导致发电机不能正常工作或损坏。

4 结论

发电机作为海洋平台电力系统最重要的电力设备，其安全、可靠地运行，对维持平台正常生产具有至关重要的作用，发电机出现故障和异常工作等情况时，必须有选择地，迅速得从海洋平台电力系统中切除或发出信号，而这些功能的实现需要以完善的保护为基础，在发电机各项保护整定设置过程中需要结合海洋平台电力系统实际状况，遵从相应得标准规范要求；同时在发电机综合保护继电器应用过程中，应以详细的综保说明资料为准，具体问题具体分析，从而实现发电机各项保护的正确设置和功能的完全实现。

[1] 贺家李, 宋从矩. 电力系统继保护原理[M]. 北京:中国电力出版社, 2002.

[2] 编写组. 海洋石油工程设计指南[M]. 北京:石油工业出版社, 2007.

[3] GB14285/DL 400-91继电保护和安全自动装置技术规程[S]. 能源部科技司，北京.

[4] GB 50062-92电力装置的继电保护和自动装置设计规范[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

柏继合(1981-)，男，硕士，工程师。研究方向：海洋平台电力系统设计。