海上平台燃气轮发电机继电保护方案配置

陈 洁，郭 伟，吴海涛



海上平台燃气轮发电机继电保护方案配置

陈 洁，郭 伟，吴海涛

（中海石油深海开发有限公司，广东深圳518067）

深海油气开采平台离陆岸较远，平台所在位置海水较深，不便于进行平台之间电力组网，各个平台作为独立电站，采用单端电源供电，稳定性较为薄弱。合理的继电整定配置，可以有效的对燃气轮发电机进行保护，并能提高平台电力系统运行的安全性、可靠性。本文结合南海某天然气平台，简要介绍该平台电力系统组成，探讨了该平台燃气轮发电机继电保护配置方案，对多功能综合保护继电器保护功能进行了测试。

海上平台 燃气轮发电机 继电保护 整定配置

0引言

随着海上石油勘探技术的不断完善，海上油气开采已从浅海转移至深海，据相关统计，从最近十几年来全球大型油气田的发现情况看，深海中发现的储量大概占全球油气总储量的40%，深海已成为全实际油气田储量接替的主要区域。

通常深海平台距离陆岸较远，所在位置海水较深，平台之间不易通过海底电缆建立电力组网，这就对各平台电力系统有较高的稳定可靠性要求，平台自身设置的发电机在运行中继电保护尤为重要。现以南海某海上平台为例，该平台位于中国南海北部海域珠江口盆地，水深约195m，距珠海东南约256km，主要开采天然气，本文对该平台燃气轮发电机所采用的综合保护继电器MiCOM P343进行分析。

1平台发电机保护继电器简介

平台上设置两台透平Solar T70驱动机组，发电机KATO型号AA28765000，主要参数额定功率6500kW，额定容量8125kVA，额定电压6300V，频率50Hz，转速1500RPM，功率因素0.8PF，发电机供给平台电力系统6.3kV电源，母排电力单线如图1，主要带载设备有三台海水提升泵，每台功率400kW及两台6.3 kV/ 0.4kV变压器，容量各为3150kVA。

该平台发电机多功能综合保护继电器采用AREVA MiCOM P343，该保护装置是新一代全32位数字式发电机保护装置，能为发电机提供全面可靠的测量、监视、保护功能，还可以运用可编程逻辑专用软件，通过编程构建成逻辑复杂的功能模块。

2.1功率保护

标准功率保护元件按下式计算三相有功功率，计算采用到继电器输入端，，和，，。

提供的两段功率保护可被独立选定为逆功率、超功率、低正向功率或被禁用，每段功率保护均可延时启动或返回，可经机端断路器断开闭锁。

2.2失磁保护

失磁保护包括两个元件，一个是带有两个时间延时段的阻抗元件，一个是功率因素报警元件，如图3所示，元件依据继电器IA和VA输入测得的A相电流和A相电压及A相阻抗，阻抗元件可独立设定延时和返回时间。功率因素报警元件主要判断发电机进相角，超过设定的报警角可延时告警。大型机组对失磁保护的判据要求较高，要有系统低电压、机端过电流、励磁低电压等判据结合判断，这种方式可以利用本装置内部具有的保护元件来编辑组合实现现场所需要的失磁保护逻辑，此处为失磁保护的一个基本元件。

2.3系统后备保护

P343继电器系统后备保护主要提供三种方式：电压控制过流保护、电压限制过流保护、低阻抗保护。三种方式保护特性如下：

电压控制过流保护，在电压低于整定值时，电流门槛相应降低到原整定值与过流系统的积，该方式保护动作特性如图4。

电压限制过流保护，该保护与电压控制过流保护的区别在于电压限制过流保护在二个整定的电压范围内有一电流与电压线性相关的变化门槛，动作特性如图5所示。

低阻抗保护，保护测量三个相间阻抗量，任一阻抗在定值范围内动作，动作特性为无方向的阻抗圆，圆心在原点，如图6所示。

2.4过流保护及负序过流保护

过流保护：P343继电器提供一个两段无方向过流元件，可用来为系统提供延时后备保护和为电机故障提供快速动作的高定值保护。

每段过流保护均有延时，第一段可选择反时限（IDMT）或定时限（DT），第二段则只提供定时限特性，可被整定到零而产生瞬时动作。每一段都可以选择为启用或禁用。

负序过流保护：P343继电器提供一段负序过负荷告警和一段负序过热反时限。负序电流计算公式为：

负序过热时间特性计算公式：

其中：

另外，负序过热段提供最大动作时间和最小动作时间，用于与相邻元件保护配合和保证发电机不承受超过的额定热容量。

2.5差动保护

比率制动差动保护：P343继电器中提供了两个比率整定，初始斜率“Gen Diff K1”被用到通过电流大到“Gen Diff Is2”为止，第二段斜率“Gen Diff K2”用在通过电流“Gen Diff Is2”以上的整定。对通过电流的任何值，比率差动元件的动作电流用以下公式进行计算：

保护动作方程如下：

差动特性如图7所示。

高阻抗差动保护：高阻抗差动保护原理如图4，P343继电器主要流过稳定电阻的电缆为主要判据，图中R表示继电器，接法如图8所示。

跨过继电器回路的电压

2.6电压保护

P343继电器提供二段过电压和二段低电压保护，均可设定测量为线电压或相电压，也可设定任一相电压低动作或三相电压全低动作。过电压或低电压的第一段时间特性可选定时限或反时限，第二段的时间特性则只有定时限。各段均可自由投退，其中低电压保护可由开关断开位置来闭锁。

2.7频率保护

P343继电器提供四段低频和二段过频保护，每段可自由投退，其中低频保护可由开关断开位置闭锁，每段可具有定时限延时特性，可动作于发信或跳闸。

2.8断路器失灵保护

断路器失灵保护中使用了两个定时器，CB Fail 1 Timer（断路器失灵定时器1）和CB Fail 2 Timer（断路器失灵定时器2）。

断路器失灵保护的复归有多种方式，可以通过无电流、断路器开位+无电流、保护返回+无电流方式复归。

3继电器整定值设置

该平台透平驱动机组带动的发电机额定电压6300V，频率50Hz，在MiCOM P343保护装置根据实际PT和CT变比进行整定设置，主PT一次电压6300V，二次电压110.0V；零序PT一次电压110.0V，二次电压110.0V；相CT一次电流1000A，二次电流5.000A；接地CT一次电流1.000A，二次电流1.000A；灵敏接地CT一次电流1.000A，二次电流1.000A。

由多功能综合保护继电器MiCOM P343对该平台上的发电机使用的保护功能，进行如下相应的整定值设置。

3.1功率保护整定值

功率保护运行模式设为Generating，功率1段功能Reverse，逆功率1段定值28.00 W，功率1段延时1.500s，功率1段返回时间0s，功率1段开关断闭锁功能Enabled；功率2段Disabled。

3.2失磁保护整定值

失磁告警状态Enabled，失磁告警角15.00deg，失磁告警延时20.00s。

失磁1段，状态Enabled，定值-Xa1：1.800Ohm，Xb1：14.80Ohm，延时200.0 ms，返回时间0s。

失磁2段，状态Enabled，定值-Xa2：1.800Ohm，Xb2：29.40Ohm，延时1.000s，返回时间0s。

3.3后备保护整定值

后备保护功能选用Volt restrained，向量旋转设为None，电压限制过流特性DT，电流定值4.700A，延时900.0ms，返回时间0 s，第1段低电压定值88.00V，第2段低电压定值22.00V，电流门槛系数200.0e-3。

3.4过流保护及负序过流保护整定值

电流CT采样点选择IA-1，IB-1，IC-1。过流整定方向Non-Directional，过流3段及4段Disabled，过流方向保护灵敏角30.00deg；负序过流整定方向Non-Directional，负序过流3段及4段Disabled，负序过流方向保护灵敏角-60.00deg，负序极化电压门槛值5.000V。

过流1段，功能IEC E Inverse，定值3.900 A，时间常数350.0e-3，返回时间0s；过流2段，功能DT，定值12.00A，延时300.0ms，返回时间0s。

负序过流1段，状态Enabled，定值400.0mA，延时10.00s；负序过流2段，状态Enabled，定值2.050A，延时900.0ms。

3.5差动保护整定值

差动功能模式设为Percentage Bias，差动启动值750.0mA，差动第1段斜率20.00 %，差动拐点值5.500A，差动第2段斜率40.00 %。

3.6电压保护整定值

电压测量模式Phase-Phase，动作模式Any Phase。低电压1段及2段CB开断闭锁功能均为Disabled。

低电压1段功能DT，1段定值94.00V，1段延时5.000s，2段状态Enabled，2段定值83.00V，2段延时2.000s。

过电压1段功能DT，1段定值127.0V，1段延时5.000s，2段状态Enabled，2段定值138.0V，2段延时2.000s。

3.7频率保护整定值

低频1段状态Enabled，定值49.50 Hz，延时30.00s；低频2段状态Enabled，定值49.00 Hz，延时60.00s；低频3段状态Enabled，定值48.50 Hz，延时30.00s；低频4段状态Disabled。

过频1段状态Enabled，定值50.50 Hz，延时30.00s；过频2段状态Enabled，定值51.00 Hz，延时30.00s

3.8断路器失灵保护整定值

低流定值500.0mA，低零流定值100.0mA，低灵敏零序电流定值20.00mA，电流CT采样点选择IA-1，IB-1，IC-1。

4继电保护功能检测

对该平台发电机多功能综合保护继电器MiCOM P343进行以下保护功能定值检测，记录了具体检测数据。

4.1功率保护检测

逆功率保护，逆功率1段定值27.96W，功率1段延时1.493s，功率1段返回时间0s，功率1段开关断闭锁功能Enabled。

4.2后备保护检测

电压限制过流保护，电流定值4.705A，延时875.0ms，返回时间0s，第1段低电压定值87.85V，第2段低电压定值21.93V，电流门槛系数200.0e-3。

4.3过流保护及负序过流保护检测

过流1段定值3.905A，时间常数0.342s，返回时间0s，过流2段定值12.05A，延时274.0ms，返回时间0s，过流方向保护灵敏角30.00deg。

负序过流1段定值400.0mA，延时9.87s，负序过流2段定值2.053A，延时840.0ms，负序过流方向保护灵敏角-60.00deg，负序极化电压门槛值5.000V。

4.4差动保护检测

比率制动式差动保护，差动启动值73.0mA，差动第1段斜率20.00 %，差动拐点值5.550A，差动第2段斜率40.00 %。

4.5电压保护检测

低电压1段定值93.90V，1段延时4.846s，2段定值82.87V，2段延时1.983s；过电压1段定值127.50V，1段延时4.989s，2段定值138.20V，2段延时1.986s。

4.6频率保护检测

低频1段定值49.40Hz，延时29.75s，低频2段定值48.98Hz，延时57.39s，低频3段定值48.40Hz，延时28.76s；过频1段定值50.60Hz，延时29.73s，过频2段定值51.02Hz，延时29.75s。

5结束语

该平台采用的MiCOM P343多功能综合保护继电器，通过专业检测整定值检验数据均在合格精度范围，相应的保护均能正常动作，在实际应用中能很好的对透平发电机起到保护作用。测量方面，MiCOM P343对各数据采集，为发电机的运行状况监测提供了参考依据。

MiCOM P343对平台发电机运行提供安全可靠的保护，进而保证了平台电力系统的稳定，为海上天然气的正常生产作业及人员的生活提供了保障。

参考文献:

[1] 张建飞.浅谈发电机继电保护的设计与应用[J].电气时代,2013,10:66-67.

[2] 殷建刚.发电机失磁保护的动作分析和整定计算的研究[J].继电器,2000,7:35-36.

[3] 王鹏.舰船用大型发电机保护方案配置[J].电机技术,2008,6:47-50.

[4] 续建国.断路器失灵保护有关问题的探讨[J].继电器,2003,11:61-62.

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

陈洁(1980-)，男，工程师。研究方向：海上平台电力系统继电保护。