张新东，张欣，邢同超，石振华
海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520
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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