（电力系统及其自动化专业论文）海上石油平台电力系统保护的配置与研究.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m ya n di n c r e a s e dd e m a n df o r e n e r g ys o u r c e s ，e x p l o i t a t i o no fb e n t h o n i cp e t r o l e u mi sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i n o r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o re x p l o i t a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o no fb e n t h o n i c p e t r o l e u ma n dd a i l yl i f eo np l a t f o r m ，i ti si m p o r t a n tt h a tp o w e rs y s t e mo fm a r i n e p e t r o l e u mp l a t f o r mo p e r a t e ss a f e l y r e l a yp r o t e c t i o na sap r o t e c t o ro fp o w e rs y s t e m t a k e sm a i nr e s p o n s i b i l i t y l o g i c a ll a y o u ta n ds e t t i n go fr e l a yp r o t e c t i o nn o to n l yc a n l e ta l lp r o t e c t i n ge q u i p m e n tc o o p e r a t ei nh a r m o n y , a sa l s oc a nr e d u c el o s i n gc a u s e db y f a u l t n o wt h ed e v e l o p m e n to fc a l c u l a t i n gt h es e t t i n gv a l u ei sv e r ym a t u r e ，b u ti t m a i n l yf a c e st h ep o w e rs y s t e mo nt h el a n d a tp r e s e n tt h e r ei sn o tu n i f o r mp r e s c r i p t a b o u tt h ec a l c u l a t i o no ft h es e t t i n gv a l u ei n p o w e rs y s t e mo fm a r i n ep e t r o l e u m p l a t f o r m s ot h i ss u b j e c th a st h e o r e t i ca n dp r a c t i c ev a l u e f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep o w e rs y s t e mo fm a r i n ep e t r o l e u mp l a t f o r ma n d i t sw o r kc o n d i t i o n ，a n a l y s e si t s c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dg i v e st h ep a r t i c u l a r i t yo fi t s p r o t e c t i o nl a y o u tc o m p a r e dw i mt h ep o w e rs y s t e mo nt h el a n d t h e nt h em e t h o d so f c a l c u l a t i n gt h ep r o t e c t i o ns e t t i n gv a l u eo fa l le l e c t r i c a lc o m p o n e n ta n ds e n s i t i v i t y c o r r e c t i o na l ep u tf o r w a r d t h i r d l y , t h ep a p e r a n a l y s e st h ep r o b l e m so f t h eo p e r a t i o n b e t w e e nt w od i f f e r e n tk i n d so f p r o t e c t i o na n dg i v e st h ew a y sh o wt os o l v et h e m s o t h ed e s i g na b o u tp r o t e c t i o no ft h ep o w e rs y s t e mo fm a r i n ep e t r o l e u mp l a t f o r mi s p e r f e c t f i n a l l y , t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ep r o b l e ma b o u to v e r v o l t a g eo f m a r i n ec a b l e t h e c a p a c i t yo ft h em a r i n ec a b l ei sm o r et h a no v e r h e a dl i n e s s ot h eo v e r v o l t a g eo f m a r i n ec a b l ei sa p p e a r e dm o r ee a s i l yw h e ni t sl e n g t hr e a c h e ss o m el e v e l ，e v e ni fi t s l e n g t hi sl e s s 。w h e nt h ev a l u eo fo v e r v o l t a g ei sl o w , t h er e g u l a t i n gt r a n s f o r m e rw i t h l o a dc a nb eu s e d i ft h ev a l u eo fo v e r v o l t a g ei sh i g h ，s h u n tr e a c t o rs h o u l db eu s e dt o r e s t r a i nt h ec a p a c i t a n c ec u r r e n t a c c o r d i n gt ot h et i m e - v a r y i n gw o r kc o n d i t i o n ，t h e c o n t r o l l a b l es h u n tr e a c t o ri sp u tf o r w a r d i tc a nl e tt h ep o w e rs y s t e mo fm a r l n e p e t r o l e u mp l a t f o r mo p e r a t es t e a d i l ya tr a t e dv o l t a g e t h ep a p e rc a ni n c r e a s ew o r k e d e f f i c i e n c ya n dr e d u c em i s t a k ei nd e s i g n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e mo fm a r i n ep e t r o l e u mp l a t f o r m ，p r o t e c t i o nl a y o u t ，p r o t e c t i o n s e t t i n g ，p r o t e c t i o nc o o p e r a t i o n ，o v e r v o l t a g eo f m a r i n ec a b l e ，c o n t r o l l a b l es h u n tr e a c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：菇欹签字日期：加7 年步月占 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘鲎，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：矽睁石月j 日 聊繇拓 磐醐：叩雕日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着全球经济的不断增长，石油消费需求不断增加，国际原油价格一路走高， 为世界石油工业带来巨大的发展机遇，同时也使全球油气勘探与开发面临更加严 峻的挑战。在扩大产量、减少供应压力的前提下，加强油气勘探，促进油气资源 的重大发现，加快产能建设，成为当前全球油气勘探开发的首要任务。近l o 年 来，陆上油气勘探程度较高，发现油气田规模渐小，新增储量对世界油气储量增 长的贡献降低。相比之下，世界海洋油气勘探开发迅速发展，不断获得重大发现， 所发现的油气田规模大、产能高，其油气产量占世界总产量的比例不断增加【l 】【4 1 。 我国油气资源储量丰富，按第三次石油资源评价初步结果，目前全国石油资 源量为1 0 7 2 7 亿吨，已探明储量2 2 5 6 亿吨，探明率在3 9 左右，其中海洋石油资 源量为2 4 6 亿吨，占总量的2 2 9 ；天然气资源量为5 4 5 4 万亿立方米，其中海洋 为1 5 7 9 万亿立方米，占2 9 0 t 引。 随着我国经济的发展，能源需求不断增加，在市场需求压力和高油价的驱使 下，未来我国海洋油气勘探开发将继续较快增长，投资不断增加，海上油气产量 持续增长，勘探开采作业海域范围和水深不断扩大。 在海上油气资源的建设和开采过程中，海上石油平台电力系统是海洋油气开 采作业系统的一个重要组成部分，为整个海上石油开采系统【6 】提供能源和动力， 保证正常的海底石油开采、输送和平台上的日常运行所需。没有电力系统的海上 石油平台系统是不能运行的。 为了保障海上石油平台电力系统的安全、可靠的运行，继电保护作为电力系 统的安全卫士，所承担的责任十分重大。继电保护的基本任务【7 】是： 1 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免 于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行： 2 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件( 例如有无经 常值班人员) ，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动 作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动 作和由于干扰而引起的误动作。 为可靠的保证海上石油平台电力系统的正常运行，继电保护必须满足以下基 本要求： 第一章绪论 1 选择性。保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范 围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。 2 速动性。快速地切除故障可以提供电力系统并列运行的稳定性，减少用 户在电压降低情况下工作的时间，以及降低故障元件的损坏程度。 3 灵敏性。对于保护装置规定的保护范围内无论故障点的位置、故障类型 都能敏锐感觉，正确反应。 4 可靠性。在保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它 不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。 继电保护工作的一个重要内容为继电保护整定计算。在实际电力生产运行工 作和电力工程设计工作中，继电保护整定计算是必不可少的。继电保护整定计算 的定义和目的是，按照电力系统的实际设计方案进行计算分析，选择系统中各元 件继电保护的配置并论证其选型的正确性，最后确定其技术规范；对电力系统中 已经配置安装好的各种继电保护，按照电力系统的实际参数和运行要求，通过计 算分析给出所需的各项整定值，使全系统中各元件继电保护有机协调地部署并能 正确发挥作用。 海上石油平台电力系统继电保护整定计算的基本任务，就是要对各种继电保 护给出整定值；而对于整个海上石油平台电力系统中的全部元件的继电保护来 说，各个保护装置的整定方法既有相对的独立性，又有一定的配合关系，故需要 从系统角度来编制出一套完整的整定方案。对继电保护整定方案的评价，是以整 体保护效果的优劣来衡量的，而并不仅仅着眼于某一套继电保护的单独保护效 果，在某些情况下，甚至需要牺牲某一保护装置的保护效果来改善整体保护的保 护效果。一套整定方案由于整定配合方法的不同会产生不同的保护效果。因此， 如何获得一个最佳的整定方案，将是海上石油平台电力系统继电保护整定计算的 主要问题。 合理的继电保护整定方案，不仅可以使全系统中各种继电保护有机协调地配 合并正确地发挥作用，还可以提高电网运行的安全性、可靠性，降低由事故引发 损失，因此这一课题的研究对海上石油平台电力系统的安全可靠运行进而对国民 经济建设将具有重要意义。 1 2 海上石油平台电力系统继电保护整定计算的研究现状 由于数字计算技术的进步，特别是计算机技术的飞速发展，促进了微机型继 电保护新原理、新装置的不断出现，使继电保护技术达到了一个全新的境界。微 型计算机技术与数字测量、控制技术、现代通信技术和远动技术相结合，使现代 2 第一章绪论 保护中的一些新原理、新方法得以实现，为全面实行电气综合自动化铺平了道路。 目前，微机型保护的发展趋势将是高速化、网络化、智能化、自适应和保护、测 量、控制、数据通信一体化【8 】- 【9 】。 从目前海上石油平台电力系统继电保护技术的发展和使用的情况来看，整流 型、晶体管型和静态集成电路保护已退居于次要地位，机电型和微机型保护已成 为当前的主流。海上石油平台电力系统的微机型保护【l o 】多采用1 6 位或3 2 位c p u 芯片，还有些采用了具有快速计算功能的d s p 芯片，其性能与陆上电网的微机保 护装置已不相上下。 但是，评价保护装置的优劣，不应只看其内部芯片的性能高低，更应注重保 护整体配置方案的合理性及其技术性能。因此，在保护安装之前，精确、详细的 保护整定计算是十分必要的。 由于海上石油平台电力系统自动化程度的提高，特别是无人值班机舱船和超 自动化船的出现，使海上石油平台电力系统自动化的内容日趋增加，与此同时， 海上石油平台电力系统自动控制的程度越来越高，也使保证供电连续性的措施得 得以实行【l l 】。对于系统整体而言，通常要求实现下述功能： 1 当发电机有过载危险时，能自动切除非重要负载( 即优先脱扣) 。 2 当发生电压过高、电压过低和频率过低等异常状态时，能快速自动起动 备用发电机组，然后自动切换故障发电机组。 3 当发电机并联运行时，因一台断路器脱扣或其他原因使一台发电机组发 生故障，会招致余下的发电机过载的场合，能瞬时切除非重要负载。 4 当电网失电恢复电源后，重要用电负载应能自动顺序起动。 结合以上要求，现代海上石油平台电力系统的继电保护通常包括以下几个部 锛u 2 【1 4 】 j 1 电路参数监测部分。用以对系统的电气参数，如电流、电压、频率、潮 流等的变化作出准确、迅速的反映，以便为系统保护提供各种原始的信息。监测 部分应该非常灵敏，能够检测系统参数的瞬息变化，而检测的误差要小，以避免 影响保护的下一步判断和决策。 2 逻辑判断部分。现代的保护系统应具有区分电力系统正常和不正常状态， 并作出决定的功能。它应该知道电力系统在发生故障前能够经受多长时间的不正 常运行状态，能够从系统参数上鉴别正常和不正常状态，并做出是否需要发出限 制或防止故障发生的动作命令的逻辑判断。 3 不正常状态的预警和报警部分。用以及时向操作人员警告可能发生的故 障，以便采取适当的措施。 4 紧急保护的动作部分。用来对超过允许极限的故障采取紧急保护措施， 3 第一章绪论 并尽可能做到最小范围的故障切除。 目前，电力系统的继电保护整定计算已发展的相当成熟。随着计算机技术的 迅猛发展，图形化、自动化、网络化的继电保护整定计算软件的研制已成为当前 继电保护整定计算软件的主要发展方向【l ”。以图形建模为基础的供电网继电保护 可视化整定计算与动作仿真系统特别强调可视化特点和模块化特点。其通过可视 化特点，将抽象的原理以图形、文字等直观易懂的方式表示出来，利于用户分析； 通过模块化的特点，使得系统的内容容易扩充及移植。并且其针对供电网本身的 特性，提出了“整定条件触发”的整定思想，大大增强了供电网整定计算的通用 性、实用性，能够准确地模拟保护的动作情况，使仿真效果更加逼真，精确实现 对保护定值的校验。 现在电力系统的继电保护整定计算的主要研究工作都是面向陆地电网的继 电保护，对于海上石油平台电力系统这种特殊系统的继电保护整定计算还没有一 个统一的规定。目前大多数海上石油平台电力系统电气人员只是借鉴陆地电网的 整定规程，并根据海上石油平台电力系统运行的经验来进行保护的配置和整定计 算。这样，容易出现重复配置，整定配合不合理等情况，影响海上石油平台电力 系统安全可靠的运行。因此，深入研究和分析海上石油平台电力系统的运行特点， 进行保护原理的合理配置，利用当前先进的整定计算分析方法，给出整套系统合 理的保护整定配合方案，有重要的理论价值和实际意义。 1 3 本文主要研究内容 本论文从课题研究背景入手，综合阐述了海l 石油平台电力系统继电保护的 现状、发展和前景，然后对海上石油平台电力系统及其继电保护进行了详细的介 绍和研究，并针对海缆的过电压问题提出解决方案。论文各章内容安排如下： 第一章概述了研究海上石油平台电力系统保护整定的意义，介绍了其当前 的发展状况，总结了课题要在研究的理论价值和实际意义。 第二章分析了海上石油平台电力系统的特点及保护的配置，并与陆地电网 的规程作比较，讨论了其保护配置的特殊性。 第三章根据海上石油平台电力系统的特点，按元件分类，对海上石油平台 电力系统的继电保护进行整定计算，并提出校验灵敏度的方法。 第四章提出了海上石油平台电力系统在保护配合上出现的问题，并提出了 相应的解决方案和保护选择性的校验方法。 第五章研究了海上石油平台电力系统中海缆的过电压问题，并给出了抑制 过电压的两种措施，还提出了一种新型的适合海上石油平台电力系统特点的调压 4 第一章绪论 装置可控并联电抗器。 第六章对全文进行总结并就后续工作做进一步展望。 5 第二章海上石油甲台电力系统及继电保护的配置 第二章海上石油平台电力系统及继电保护的配置 2 1 海上石油平台电力系统简介 海上石油平台电力系统，是由发电装置、配电装置和负载按照一定的方式连 接的整体，由分别位于船体和平台上的电能产生、传输、分配和消耗等装置及其 网络连接线的全体的总称。图2 1 为某海上石油平台电力系统结构图。 图2 一i 海上石油平台电力系统结构图 如图2 - 1 所示，上方大虚框为船体，下方5 个小虚框为平台，它们之间通过 海缆连接。海一l - _ 石油平台电力系统的电源位于船体，通常采用发电机组。电网包 括供电电缆、海缆和变压器。系统的用电负载为船体和各个平台上的各种用电设 备。 6 第二章海上石油平台电力系统及继电保护的配置 2 2 海上石油平台电力系统的运行工况 海上石油平台电力系统的运行工况是随时变化的。如图2 1 所示的海上石油 平台电力系统在投产初期一般启用一台发电机，整个油田群的主工艺生产系统停 运，负荷主要为维持油田群工作的辅助用电和生活用电，包括船体部分用电负荷、 导航系统、u p s 系统、空调系统、照明系统、供热系统以及生活负荷。 当整个海上石油平台电力系统建设完毕，油田群的生产系统投入运行，此时 需要两台发电机并列运行，来满足日常的生产和生活。当要外输原油时，因投入 功率很大的外输泵，需要开三台发电机才能保证整个系统的正常运行。 两台机运行的情况占绝大多数，而三台机运行的情况也时有发生，一般一周 两到三次。以上情况使得海上石油平台电网运行的最大运行方式和最小运行方式 与陆地电网差异很大。陆地电网规定对于每一套保护装置，通过该保护装置短路 电流为最大的方式称为系统最大运行方式；反之，称为最小运行方式。对于海上 石油平台电力系统来说，每种工况的运行时间都比较长，且在每种工况下流过保 护装置的最大短路电流差异都非常大，同时每种工况都有自己的最大和最小运行 方式。因此，海上石油平台电力系统的保护中需要设置多套定值，通过定值的切 换来满足不同运行工况的需要。 2 3 海上石油平台电力系统的特点 与陆地电网相比，海上石油平台电力系统有其特殊性，主要体现在以下几个 方面： 1 海上石油平台电力系统一般容量比较小。陆上电力系统的电能装置，是 由十几个乃至几十个不同类型的发电机联合并网供电，故电站容量很大，通常在 进行有关计算时，可以考虑为无穷大的电源容量；作为某一工厂等用电单位的电 能装置，通常是通过变压器供电。因此在某种程度上使其计算得到简化。但是， 海上石油平台电力系统主电源是以发电机为主，而通常采用几台同类型的发电机 并联运行，不论是单机容量还是多机容量之和，都比陆地上小得多，图2 1 所示 的海上石油平台电力系统为2 0 m w 。由于海上石油平台电力系统的容量较小，往 往某些电动机的容量又可能与发电机容量相比拟，故当大电动机起动时，将对海 上石油平台电力系统造成很大冲击。而此类电动机起动的频繁性对海上石油平台 电力系统的保护装置的整定方式提出了新的要求。 2 海上石油平台电力系统一般电压等级较低。如图2 1 所示，发电机出口母 线电压一般为1 0 5 k v ，整个海上石油平台电力系统电压等级最高的元件海 7 第二章海上石油平台电力系统及继电保护的配置 缆的电压等级也仅有3 5 k v 。但是，由于其保护元件的重要性，使其相对陆地低 压电网的保护来说要具有更高的灵敏性和准确性。 3 发电机保护的特殊性。在正常生产情况下，船体上发电机是船和所有平 台的唯一电源，故发电机保护是十分重要的。由于海上石油平台电力系统负荷变 化非常频繁且变化幅度较大，所以发电机不允许满载运行，更不允许过载运行。 一般情况下，当发电机的负载率达到8 5 左右，保护就应当发报警信号；而当负 载率到9 0 时，发电机就应当甩负荷。 4 整个海上石油平台电力系统网络一般是呈辐射状【l6 】的，单侧电源供电， 所有线路都是单回线，不存在环网。因此，需考虑当供电和输电系统发生故障后 的切负荷情况。 5 为降低不接地系统单相接地时对地容性电流，海上石油平台电力系统的 中性点引出线都采用高阻接地。 6 海上石油平台电力系统一般不装设自动重合闸。保护动作于跳闸后，需 要由工作人员手动合闸来恢复供电。因为海上石油平台电力系统的短路，通常是 由电机、电气设备和电缆绝缘老化，或受机械损伤所致，故不仅没有短路自动再 合闸的要求，而且某些规范规则还明确规定短路故障时仅允许手动合闸一次。 2 4 海上石油平台电力系统的保护配置 海上石油平台电力系统的以上特点使其在保护配置方面与陆地电网存在较 大差别，下面将根据不同元件进行分类介绍： 2 4 1 发电机 对于海上石油平台电力系统，发电机是海上生产和生活的唯一电源，其接入 电网又呈辐射状，不存在陆网中双侧电源或环网供电的情况，发电机一旦发生故 障，所有的平台和船体都将停产，因此对发电机的保护是非常重要的，其配置的 保护种类也最齐全。 发电机的故障类型有：定子绕组相间短路；定子绕组一相的匝问短路；定子 绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路励磁电流异常下降 或完全消失。 发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由 于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不 对称负荷( 单相负荷，非全相运行等) 而引起的发电机负序过电流和过负荷：由 于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引 8 第二章海上石油平台电力系统及继电保护的配置 起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。 针对上述故障类型及不正常运行状态，陆地电网规程1 7 1 中和海上石油平台电 力系统所配备的保护分别如表2 一l 所示。 表2 一l 海上石油平台电力系统发电机的保护配置与按陆地电网规程配置的比较 海上石油平台电力系统陆地电网规程 纵联差动保护纵联差动保护 电压限定延时过电流保护复合电压起动的过电流保护 失磁保护 失磁保护 逆功率保护逆功率保护 非限制性接地保护 定子绕组有选择性的接地保护 负序过电流保护 励磁回路两点接地保护 过电压保护 过负荷保护 频率保护 定时限过电流保护 从上表中可以看出，海上石油平台电力系统配置的保护大部分符合陆地电网 规程规定。负序过电流保护、过电压保护、频率保护对于陆网中这种小容量的发 电机是不需配置的，而由于海上石油平台电力系统的特殊性，这三种保护是不可 缺少的。海上石油平台电力系统中发电机很少出现满载运行j 故不会出现过载的 情况，所以陆地电网规定的过负荷保护在海上石油平台电力系统中不需配置。海 上石油平台电力系统中发电机配置的定时限过电流保护与电压限定延时过电流 保护都反应于发电机外部短路引起的过电流，故此保护为重复配置。 2 4 2 变压器 变压器是一种静止的电器，它利用电磁感应作用将一种电压、电流的交流电 能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。变压器是电力系统中十分重要的供 电元件，它的故障将对海上石油平台电力系统的正常运行带来严重的影响。同时 大容量的变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度 考虑装设性能良好、工作可靠的继电保护装置【1 8 】【2 0 1 。 变压器故障可以分为内部故障和外部故障两种。变压器内部故障包括绕组的 相间短路、接地短路，匝间短路，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因 为油箱内故障时大都产生电弧，将引起绝缘物质的激烈汽化，导致变压器加速烧 毁，甚至可能引起爆炸。有时由于变压器的内部故障造成铁芯间绝缘损坏，使故 9 第二章海上石油平台电力系统及继电保护的配置 障点磁滞损耗和涡流损耗增加，导致铁芯的局部发热，使绝缘进一步损坏，甚至 烧毁铁芯。因此，这些故障应该尽快加以切除。变压器外部故障，主要是套管和 引出线上发生相间短路和接地短路。这种故障会导致变压器外壳损坏、变压器漏 油，也可能引起变压器内部发生故障。 变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和 外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负 荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。 针对上述故障类型及不正常运行状态，陆地电网规程中和海上石油平台电力 系统所配备的保护分别如表2 2 所示。 表2 - 2 海上石油平台电力系统变压器的保护配置与按陆地电网规程配置的比较 海上石油平台电力系统陆地电网规程 纵联差动保护 电流速断保护 过电流保护过电流保护 过负荷保护 复合电压起动的过电流保护 低电压保护过负荷保护 瓦斯保护瓦斯保护 从上表可以看出，按照陆地电网的规程，对于海上石油平台电力系统这种小 容量的变压器，一般配置电流速断保护，而海上石油平台电力系统的变压器具有 十分重要的作用，例如，有些平台上只有一个主变压器，为了保证其运行的可靠 性，故其主保护采用纵联差动保护。在陆地电网规程中变压器按照其作用的不同 ( 升压或降压) 配置不同的过电流保护，而在海上石油平台电力系统中所有变压 器由于容量小，故只配备一种过电流保护。 2 4 3 电动机 海上石油平台电力系统的用于生产的负载主要为电动机，电动机把电能转换 为机械能，用来驱动各种用途的生产机械和其他装置，故电动机保护是十分重要 的( 2 1 j 。 ， 在运行中的电动机，其主要的故障是定子绕组的相间短路、单相接地、一相 的匝间短路等。相间短路会引起电动机的严重损坏，造成供电网的电压降低并破 坏其他电动机的正常工作，因此就要求必须尽快地切除这种故障。高压电动机供 电网络的中性点，一般都是绝缘的，因此单相接地后只有全网络的对地电容电流 流过故障点，其危害性一般比较小，只当接地电流大于5 a 时，考虑到对定子铁 l o 第二章海上石油平台电力系统及继电保护的配置 心的危害作用，才需要装设专门的接地保护并动作于跳闸。电动机一相绕组的匝 间短路不仅造成局部发热严重而且将破坏电动机的对称运行，并使相电流增大， 电流增大的程度与短路的匝数有关。最严重的情况是电动机一相线圈全部短接， 这时非故障相的两组线圈均直接接于线电压上。 电动机最常见的也是最严重的不正常工作状态是由过负荷所引起的过电流， 产生过负荷的原因主要有：所带机械部分的过负荷；由于供电网络电压和频率的 降低而使转速下降；电动机在拖延时间很长的起动和白起动；由于一相熔断器断 线所造成的两相运行以及电动机堵转等。长时间的过负荷将使电动机绕组温升超 过容许的数值，绝缘迅速老化，从而降低电动机的使用寿命，严重时甚至会烧毁 电动机。因此，应根据电动机的重要程度及过负荷运行发生的概率装设相应的保 护，使之工作于信号、跳闸或自动减负荷1 2 2 1 。电动机还有一种常会出现不正常运 行状态为：当电动机的电源电压因某种原因降低时，电动机的转速将下降，当电 压恢复时，由于电动机自起动，将从系统中吸取很大的无功功率，造成电源电压 不能恢复，因此为保证重要电动机的自起动，应装设低电压保护。 针对上述故障类型及不正常运行状态，陆地电网规程中和海上石油平台电力 系统所配备的保护分别如表2 3 所示。 表2 3 海上石油平台电力系统电动机的保护配置与按陆地电网规程配置的比较 海上石油平台电力系统陆地电网规程 纵联差动保护电流速断保护 限时电流速断保护低电压保护 负序电流保护负序电流保护 定向接地保护 单相接地保护 过热保护 过负荷保护 从上表可以看出，海上石油平台电力系统装设的主保护与陆地电网规程规定 的不同。海上石油平台电力系统上的电动机都安装了熔断器和真空接触器组合开 关。对于小容量的电动机，其速断保护由熔断器来实现，只要短路电流大于1 0 倍熔断件的额定电流，熔断器就会瞬时动作。海上石油平台电力系统的电动机三 相短路电流值远远大于上述值，故用熔断器完全可以迅速、可靠地切断故障电动 机。对于大容量电动机，一般需要配置差动保护。海上石油平台电力系统没有装 设过负荷保护而是装设了过热保护来反应电动机的温升。对于保护电动机自起动 的低电压保护海上石油平台电力系统则没有装设，为了考虑电动机的安全运行应 配置低电压保护。 第二章海上石油平台电力系统及继电保护的配置 2 4 4 线路 海上石油平台电力系统的线路分为电缆和海缆，而不采用架空线路。海上石 油平台电力系统的电缆都很短，最长也不过一百多米，故电缆不配备专门保护， 一般由与其连接元件的后备保护来实现对它的保护。在海上石油平台电力系统中 海缆是是船体、平台间的唯一连接线，其在海上石油平台电力系统中的保护配置 与陆地电网规定的比较如表2 4 所示。 表2 4 海上石油平台电力系统海缆的保护配置与按陆地屯网规程配置的比较 海上石油平台电力系统陆地电网规程 限时电流速断保护 不带时限的电流速断保护 过电流保护带时限的电流速断保护 低电压保护过电流保护 ，一单相接地保护 从上表可知，海上石油平台电力系统海缆的保护配置与陆地电网中电缆的保 护配置大致相同。海上石油平台电力系统的海缆一般也比较短( 最长也不超过 4 0 k m ) ，电流速断保护没有保护范围，故不配备电流速断保护，靠限时电流速断 保护保护海缆全长。 2 5 本章小结 本章首先详细介绍了海上石油平台电力系统及其运行工况，并分析了海上石 油平台电力系统的特殊性，并将其与陆地电网进行比较，为以后章节的分析打下 基础。 海上石油平台电力系统具有以下特点：容量小，电压等级低，发电机不允许 满载运行，供电网络呈辐射状，单侧电源供电，不存在环网，采用高阻接地，无 自动重合闸装置。 考虑海上石油平台电力系统上述特点，其保护的配置方案也与陆地电网有很 大不同，本章做了详细的比较和研究，分析了海上石油平台电力系统在保护配置 方面的独特性。 1 2 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 3 1 引言 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 由第二章分析可知，由于海上石油平台电力系统的自身的特点，其继电保护 的配置与陆地电网存在较大差异，本章将根据上述分析，并按元件分类，对海上 石油平台电力系统的继电保护进行整定计算和灵敏度校验。 3 2 发电机保护的整定计算 3 2 1 纵联差动保护 纵联差动保护是发电机内部相间短路的主保护。它应能快速而灵敏地切除发 电机内部所发生的故障，同时，在正常运行及外部故障时，又应保证动作的选择 性和工作的可靠性。海上石油平台电力系统中发电机的差动保护不同于陆网，陆 地电网一般采用的比率制动式差动保护，其制动特性如图3 1 所示，此差动保护 是利用外部故障时的穿越电流实现制动。 i d l a i r e s 0 图3 - l 陆地电网比率制动式差动保护的制动特性 而海上石油平台电力系统考虑到发电机两端电流互感器不同型，可能出现 c t 饱和，采用具有双斜率的比例制动式差动保护，其差动电流厶和制动电流如 式3 1 所示。 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 l = l l 一丘i ：掣 ( 3 一1 ) 式中：j 发电机输出c t 的相电流； j 。发电机中性点端c t 的相电流。 其制动特性如图3 2 所示。当故障电流很小( 小于2 倍发电机额定电流) 时， 保护灵敏度设定较高，斜率k ，取0 1 ；而当故障电流较大时( 大于2 倍发电机额 定电流) ，斜率墨取0 2 。这是因为，随着外部短路电流的增大和非周期暂态电 流的影响，电流互感器误差会变大，不平衡电流亦将变大。 具有双斜率的比例制动式差动保护需要整定以下两个参数： 1 差动保护的最小动作电流，。：按躲过最大负荷下差回路的不平衡电流 整定，即 i a c t o = k r e ix 2 x 0 0 3 ( 3 2 ) 、 式中：岛可靠系数，取1 5 ； 发电机的额定电流。 2 确定制动特性拐点b 。定子电流等于或小于额定电流，差动保护不必具 有制动特性，b 点横坐标为： i d l 仉窘 n 矗 n 7 n 奇 趣鑫 趣 儡3 & 2 n o i r e s 口= ( o 8 1 o ) o0 5ll 耳2 2 毒 3 辐_ 毒5罩 i r 图3 2 具有双斜率的比例制动式差动保护的制动特性 1 4 ( 3 3 ) 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 按上述原则整定的比率制动特性，当发电机机端两相金属性短路时，差动保 护的灵敏系数k 。一定满足大于或等于2 0 的要求，不必进行灵敏度校验。 3 2 2 电压限定延时过电流保护 由于海上石油平台电力系统外部短路引起的过电流和不正常运行出现的过 负荷电流，在数值上可能相差不大。但当发生外部故障时，发电机的过流保护应 动作于跳闸：而当发生过负荷时，保护装置应动作于信号。因此，为了能够很好 地区别，过电流保护需要加低电压元件作为判别用。该保护由低电压元件和过电 流元件组成。 1 低电压元件：按躲过电动机自起动或发电机失磁而出现非同步运行方式 时的最低电压整定。通常可取 吒= 0 6 u s 式中：发电机的额定电压。 2 过电流元件：按发电机额定负荷下可靠返回的条件整定，即 i k r e lt 1 a c t 一1 芦1 9 n a ， ( 3 4 ) ( 3 5 ) 式中：k ，可靠系数，取1 3 1 5 ； 五返回系数，取0 8 5 - - 0 9 5 。 保护的动作时限一般取0 3 s 。 灵敏系数按作为后备保护范围末端发生金属性两相短路的条件校验，即 k = 譬 ( 3 6 ) 式中：碾缸发电机出i s ! 发生金属性两相短路时，流过保护的最小短路电流。 3 2 3 逆功率保护 发电机逆功率保护是为了防止发电机由于主气门突然关闭而遭到损坏。对于 陆地电网一般发电机的容量在2 0 0 m w 以上才配置【2 3 1 ，而对于海上石油平台电力 系统发电机是并列运行且直接接在母线上，如果一台发电机较长时间运行在不正 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 常运行状态下，会影响其他发电机的正常运行，甚至拖垮其他发电机。因此，海 上石油平台电力系统必须配置此保护。保护装置由灵敏的功率继电器构成，其动 作功率为： 匕= k ( 日+ 罡) ( 3 7 ) 式中：如可靠系数，取0 5 _ 0 8 ； 弓汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的2 4 ； 昱发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般按式( 3 8 ) 进行计算 罡( 1 一r 1 ) 式中：7 7 发电机效率； 名发电机额定功率。 动作时限一般为5 s 动作于告警，l o s 动作于跳闸。 3 2 4 过电压保护 ( 3 - 8 ) 由于突然甩负荷而引起定子绕组过电压，对于陆地电网一般容量为2 0 0 m w 及以上的汽轮发电机才装设过电压保护，而对于海上系统定子绕组过电压对发电 机的损害比较严重，故不管其容量大小都应装设过电压保护。定子过电压保护的 整定值，应根据电机制造厂提供的允许过电压能力或定子绕组的绝缘状况决定， 动作时限一般也会根据电压的不同而异，如表3 1 所示。 表3 1 发电机过电压保护整定值和动作时限允许值 保护整定值( v )时限( s )动作 u 。t = 1 1 5 u 。 1 信号 u 矧= 1 2 u 。 0 3 跳闸 3 2 5 负序过电流保护 发电机由于负荷不平衡或外部不对称短路而产生的负序电流，使得转子上电 流密度很大的某些部位( 如转子端部、护环内表面等) ，可能出现局部灼伤，甚 至可能使护环受热松脱，从而导致发电机的重大事故。海上石油平台电力系统由 于系统容量小，故一般采用两段式负序定时限过电流保护，其整定方法如下： 1 6 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 1 过负荷部分：作用于信号。其整定值按躲过发电机长期允许的负序电流 和最大负荷时负序滤过器的不平衡电流( 均考虑继电器的返回系数) 整定。对于 汽轮发电机长期允许负序电流为6 - - - 一8 额定电流，考虑到频率降低对负序滤过 器的影响，其动作值为； 厶耐= o 1 1 9 ， ( 3 9 ) 动作时限则应保证在外部不对称短路时动作的选择性，一般采用5 - - - - l o s 。 2 过电流部分：动作于跳闸。其整定值按发电机短时间允许负序过电流确 定，故其动作值为： 1 2 删= o 5 i 弘 ( 3 1 0 ) 对于该动作电流值，当三相电流互感器式滤过器一相发生断线时，出现的不 平衡电流也可以躲过。 3 动作时限的整定；一般按与相邻元件后备保护时间配合，也可取与发电 机对称过电流保护相同值，一般约为3 - - - 5 s 。 3 。2 。6 失磁保护 发电机的失磁故障是指发电机的励磁突然消失或部分消失。这样会使发电机 向系统输送的有功功率减小；机端电压降低，甚至使系统电压崩溃，破坏稳定运 行；机组本身因受机械力的冲击而产生振动和局部温升过高的威胁。 海上石油平台电力系统根据发电机失磁后机端阻抗的变化轨迹，采用最大灵 敏角为- 9 0 。的具有偏移特性的方向阻抗继电器来构成发电机的失磁保护。失磁 后发电机的机端阻抗最终的轨迹一定进入如图3 3 所示的异步边界阻抗圆内。 。j 天 0 、 () x b 图3 3 发电机失磁保护的动作特性( 圆内为动作区) 1 7 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 各元件整定如下： 1 阻抗元件：按以下两个条件整定。 1 ) 阻抗鼍的整定；当发电机和系统发生振荡，此时保护不应误动，即 托川5 髟萼 ( 3 11 ) 式中：z 发电机暂态电抗标么值( 取不饱和值) ； 发电机额定视在功率a 2 ) 阻抗的整定：当发电机失磁时，保护应可靠动作。发电机失磁时，继 电器感受阻抗用也即表示，其值与转差率有关。转差率高时，继电器感受阻抗 接近一粥；转差率低时，接近一粥，为可靠起见，五按下式整定： 驴艺系 ( 3 1 2 ) 式中： 置发电机同步电抗标么值( 取不饱和值) 。 2 时间元件：按躲过系统振荡周期整定，一般取3 s 。 3 闭锁元件：海上石油平台电力系统采用负序电压元件闭锁失磁保护，其 动作电压为： 3 2 7 频率保护 = ( 0 0 5 o 0 6 ) u s , , ( 3 1 3 ) 在电力系统发生故障期间，系统频率必须限制在允许的范围内，以免损坏机 组( 主要是汽轮机叶片) 。因为海上石油平台电力系统是个小系统，系统容量较 小，发生系统振荡的几率比陆地电网要大得多，故对频率的要求比陆地电网要严 格许多。目前，国内外对频率保护的定值尚没有统一的规定，根据海上石油平台 电力系统的特殊性和目前电力系统频率保护的整定经验，表3 - 2 给出了发电机频 率异常运行允许时间的建议值。 第三章海上石油平台电力系统保护整定计算 表3 2 发电机频率异常运行允许时间建议值 频率( h z )时间( s )动作 1 5 报警 4 9 5 6 0 跳闸 1 5 报警 5 0 5 6 0跳闸