海上平臺燃氣輪發電機繼電保護方案配置

陳 潔，郭 偉，吳海濤

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海上平臺燃氣輪發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，各個平臺作為獨立電站，采用單端電源供電，穩定性較為薄弱。合理的繼電整定配置，可以有效的對燃氣輪發電機進行保護，并能提高平臺電力系統運行的安全性、可靠性。本文結合南海某天然氣平臺，簡要介紹該平臺電力系統組成，探討了該平臺燃氣輪發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 燃氣輪發電機 繼電保護 整定配置

0引言

隨著海上石油勘探技術的不斷完善，海上油氣開采已從淺海轉移至深海，據相關統計，從最近十幾年來全球大型油氣田的發現情況看，深海中發現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，這就對各平臺電力系統有較高的穩定可靠性要求，平臺自身設置的發電機在運行中繼電保護尤為重要。現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電機所采用的綜合保護繼電器MiCOM P343進行分析。

1平臺發電機保護繼電器簡介

平臺上設置兩臺透平Solar T70驅動機組，發電機KATO型號AA28765000，主要參數額定功率6500kW，額定容量8125kVA，額定電壓6300V，頻率50Hz，轉速1500RPM，功率因素0.8PF，發電機供給平臺電力系統6.3kV電源，母排電力單線如圖1，主要帶載設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位數字式發電機保護裝置，能為發電機提供全面可靠的測量、監視、保護功能，還可以運用可編程邏輯專用軟件，通過編程構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，阻抗元件可獨立設定延時和返回時間。功率因素報警元件主要判斷發電機進相角，超過設定的報警角可延時告警。大型機組對失磁保護的判據要求較高，要有系統低電壓、機端過電流、勵磁低電壓等判據結合判斷，這種方式可以利用本裝置內部具有的保護元件來編輯組合實現現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系統后備保護

P343繼電器系統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別在于電壓限制過流保護在二個整定的電壓范圍內有一電流與電壓線性相關的變化門檻，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繼電器主要流過穩定電阻的電纜為主要判據，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，均可設定測量為線電壓或相電壓，也可設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斷開位置閉鎖，每段可具有定時限延時特性，可動作于發信或跳閘。

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繼電器整定值設置

該平臺透平驅動機組帶動的發電機額定電壓6300V，頻率50Hz，在MiCOM P343保護裝置根據實際PT和CT變比進行整定設置，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對該平臺上的發電機使用的保護功能，進行如下相應的整定值設置。

3.1功率保護整定值

功率保護運行模式設為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Enabled，失磁告警角15.00deg，失磁告警延時20.00s。

失磁1段，狀態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，向量旋轉設為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Enabled，定值400.0mA，延時10.00s；負序過流2段，狀態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Enabled，定值49.50 Hz，延時30.00s；低頻2段狀態Enabled，定值49.00 Hz，延時60.00s；低頻3段狀態Enabled，定值48.50 Hz，延時30.00s；低頻4段狀態Disabled。

過頻1段狀態Enabled，定值50.50 Hz，延時30.00s；過頻2段狀態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，記錄了具體檢測數據。

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結束語

該平臺采用的MiCOM P343多功能綜合保護繼電器，通過專業檢測整定值檢驗數據均在合格精度范圍，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電機起到保護作用。測量方面，MiCOM P343對各數據采集，為發電機的運行狀況監測提供了參考依據。

MiCOM P343對平臺發電機運行提供安全可靠的保護，進而保證了平臺電力系統的穩定，為海上天然氣的正常生產作業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：海上平臺電力系統繼電保護。