海洋石油平台发电机的继电保护探讨

海洋石油平台发电机的继电保护探讨
摘要：为了避免电气系统出现非正常的电力中断，造成设备不能正常使用，
从而影响海洋石油平台的正常生产活动，有必要对电气系统故障状态和不正常运
行情况下设置完备的继电保护装置，保证电力系统安全运行的目的。

本文结合某
海上天然气平台，简要介绍该平台电力系统的组成及发电机的故障类型，并探讨
了该平台的发电机继电保护配置方案。

关键词：海洋平台；发电机；继电保护；配置
1.海上石油平台电力系统的组成
海上石油平台电力系统由电源、变配电装置、电缆和电气负载 4 部分组成。

电源一般为2台透平发电机组（主发电机）、1 台柴油发电机组（应急发电机）
和 1 台 UPS 不间断电源。

透平发电机组是三相三线 50 Hz 的无刷励磁发电机组，2 台主机并联运行，为平台的生产、生活用电负荷提供电能。

在透平发电机
组未投入工作时，需要首先启动平台的应急柴油发电机组，由机组发出 400 V
电源为透平发电机组的辅助用电设备供电。

当这些辅助用电设备运行正常后，才
可以启动主发电机组投入运行；然后再断开开关，停止应急柴油发电机组运转。

2.发电机的故障类型和不正常运行状态
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。

发电机的不正常运行状态是指正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态，如：过负荷、过电压、频率降低、系统震荡等。

发
电机的故障，会导致电流增加，破坏系统稳定性，严重时可导致平台关停生产。

因此对发电机的保护是非常重要的。

发电机的故障类型主要有：
（1）定子绕组相间短路，其危害最大；
（2）定子绕组一相的匝间短路，可能发展为单相接地短路和相间短路；
（3）定子绕组单相接地，可造成铁芯烧伤或局部融化；
（4）转子绕组一点接地或两点接地，一点接地时危害不严重，两点接地时因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损；
（5）转子励磁回路励磁电流急剧下降，从系统吸收无功功率造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。

发电机的不正常运行状态主要有：
（1）由于外部短路引起的定子绕组过电流；
（2）由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；
（3）由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的负序过电流和过负荷；
（4）由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；
（5）由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；
（6）由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。

3.对继电保护装置的要求
继电保护装置目的是保证电力系统发生故障或不正常运行状态下，能够用最短时间和在最小范围内，自动隔离故障设备，并发出故障信号给相关人员，来消除异常情况的根源，达到减轻或避免设备的损坏，以及对相邻设备的影响，减少损失。

具体来讲，继电保护装置需要满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性四方面的要求。

选择性就是继电器能够在系统发生短路时能且仅能隔离“故障的设备或线路”。

速动性就是继电器能够在系统发生短路时，能够快速地隔离故障设备，减少系统和设备通过大电流的时间，以达到减少设备的损坏程度。

灵敏性是发生非正常情况下保护装置的反应能力，也就是在规定的范围内发生故障时，不论短路
处的情况如何，都能及时、正确反应动作。

可靠性就是要求继电保护听不需要它
动作时坚决没有动作，当需要它动作时毫不含糊动作，不会出现误动作和拒动作。

4.海上平台发电机继电保护方案的选择
鉴于海上油气平台电气系统与陆地电网相比有其特殊性，因此需要针对海上
石油平台电力系统自身特点，对继电保护进行配置和整定。

为了避免海上平台的
唯一主电源发电机的全面停工，对其配置了非常齐全的保护措施。

发电机的保护
配置可分为三类：短路故障主保护、短路保护的后备保护和异常运行保护。

主发
电机继电保护的具体配置可参考如下：
（1）过流保护。

避免发电机因过电流引起发热被损坏，当过流继电器检测
到电流大于设定值时，继电器动作，相应的断路器跳闸。

（2）内部短路保护。

在发电机绕组及相应的中压配电盘内均设置有 3 个电
流互感器，在正常情况下，电流互感器测出的电流应该是相等的。

如果发电机内
部短路，2 组电流信号就会出现差值。

当差值大于保护继电器的设定值时，保护
继电器发出信号，断开主发电机开关。

（3）不平衡保护。

当主发电机发生三相负载平衡或不平衡故障时，都会引
起发电机的效率下降、损耗和发热增加，因此设置了主发电机不平衡保护。

（4）失磁保护。

中压配电盘中的失磁继电器可以监测发电机的励磁系统故障，及时发出停机、跳闸信号。

（5）频率保护。

由于某些原因引起发电机频率过低或过高时，保护装置可
以使发电机组停止运行，以免损坏机组。

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
（6）自动卸载保护。

原动机如果长时间超负载运行，将会影响原动机的寿命，因此除设置过流保护外，还设置了自动卸载保护。

当发电机组负载达到设定
值时，将发出卸载信号，卸掉不重要的负载。

（7）过电压和欠电压保护。

当发电机输出电压高于或低于额定设定值时，都会给系统中已在运行的设备带来不利影响，因此设置了过电压和欠电压保护。

（8）逆功率保护。

逆功率保护用于并联运行的发电机组。

当其中一台发电机输出功率为负值，且已作为负载运行时，发电机的转速就会很快上升，导致叶片过热损坏。

（9）零序保护。

作为中压设备的后备保护，在中压设备发生故障其熔断器拒绝动作时，该保护可使真空断路器断开，保护高压设备不受损坏；同时，它也是发电机外部非对称故障的主保护。

（10）接地保护。

为了保证人身安全,海上石油平台电力系统中发电机的外壳是接地的，因绝缘破坏而引起接地就比较普遍。

我国规定,当接地电流等于或大于5A时,应装设动作于跳闸的接地保护，当接地电流小于5A时,一般装设动作于信号的接地保护。

对发电机定子绕组的单相接地故障,接地保护应符合发电机定子绕组的单相接地故障电流的允许值，该允许值一般取制造厂的规定值。

以上配置的继电保护装置，能够保证平台主发电安全可靠、高质量的供电，是平台正常生产的前提，一旦发生足以对系统产生影响的故障时，保护装置就会迅速可靠地、有选择地切除发生故障的电路，使故障不会蔓延扩大，以保护非故障电路继续正常供电。

当电气设备及电力系统运行不正常时，保护装置就会立即发出报警信号，提醒值班人员注意，并且采取适当的措施排除故障。

5.结束语
研究表明，海上石油平台电力系统中发电机继电保护能够提高电网安全稳定性，提高了电能质量；在发电机出现故障时能自动采取措施保证电网的安全。

它的实施可增强海上石油平台的供电可靠性和抗冲击性，在海上油田应用方面具有非常广阔的前景。

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