海外油田小型燃气轮机电站发电机继电保护分析

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中石油工程建设有限公司北京设计分公司的研究人员梅业伟、刘学敏、孟晓龙、徐丹丹，在2020年第11期《电气技术》杂志上撰文，基于海外油田燃气轮机电站发电机组继电保护的设计经验，结合国标与国际标准对于燃气轮机发电机组保护设置要求的技术规定，对主要适用的规范和手册的继电保护配置要求进行梳理和总结，另外给出小型燃气轮机电站的整定实例，形成海外油田小型燃气轮机电站的继电保护设计指导。

油田小型燃气轮机电站容量一般从几兆瓦到数十兆瓦，多与中心处理站（central processing facilities, CPF）合建，通常采用天然气与柴油双燃料透平。油田燃气轮机电站是整个油田的电力供应中心，电站的安全、稳定、连续运行是整个油田生产顺利运转的前提条件，而燃气轮机电站的发电机继电保护整定是实现这些目标的重要一环。本文结合海外油田常用的小型燃气轮机电站电气设计特点及运行要求，对继电保护配置和一些典型整定进行分析和探讨。

1  电气主接线特点

油田小型燃气轮机电站电气主接线多采用单母分段，各发电机组通过发电机出口断路器（generator circuit breaker, GCB）分别接在两段母线上，正常运行时母联闭合。发电机额定电压一般11kV，CPF站内供电从电站11kV母线馈出，低压系统通过CPF站内降压变压器供电，站内中压负荷直接由电站11kV母线供电。

油田站外设施规模较小时可从电站11kV母线直接馈出，通过11kV架空线供电，站外设施规模较大时也从电站11kV母线经由升压变压器馈出，通过33kV或更高电压等级架空线路供电。

2  保护设置

燃气轮机发电机组及其控制和保护系统一般由轮机厂家成套提供，保护配置在具体工程实践中需业主方的技术咨询或总包方的设计进行审批，这就需要相应技术人员熟悉燃气轮机发电机组的继电保护整定技术要求。本节基于两个规模相似的已建油田燃气轮机电站继电保护设置，结合相应的国内外规范、手册，对主要的保护配置的技术规定进行总结归纳。

2.1  已建电站继电保护配置

两座油田电站位于不同地区，分别采用3台索拉机组（电站A）与3台西门子机组（电站B），单台现场出力均为5.5MW，发电机组额定电压均为11kV，额定频率为50Hz。两座电站主接线相同，发电机通过GCB与电站母线直连，11kV母线均为单母分段，一段11kV母线接两台机组，一段母线接一台机组；正常运行时母联闭合，两台机组运行，一台机组备用。两座电站机组接地方式相同，均为电阻接地，接地故障电流限制在100A。

电站A单台发电机组额定容量8.15MVA，额定电流426A；电站B单台发电机组额定功率10.4MVA，额定电流546A。两座电站的主要继电保护配置见表1。

表1  两座已建电站继电保护配置

2.2  继电保护技术规定

海外油田设计中继电保护相关技术要求可参考IEEE 242，《Network Protection & Automation Guide》等规范和和手册，国标可参考GB 50062和GB/T 14285。本节对燃机孤网电站的发电机常用继电保护设置相关技术规定进行梳理和归纳。

IEEE 242按照发电机组的功率、电压等级将机组分为了大、中、小三类，然后根据不同的机组种类规定了相应的保护配置要求。油田小型燃气轮机多采用容量为0.5～12.5MVA的机组，相应的继电保护配置见表2。

《Network Protection & Automation Guide》第17章中相关的技术规定如下：

1）发电机为孤网系统供电时，需配置低电压保护（27）。

表2  IEEE 242规定的机组继电保护配置（0.5～12.5MVA）

2）发电机额定容量超过1MW常采用差动保护（87G）。

3）直接并联运行的发电机组可采用中性点过流保护（51G）、方向性灵敏接地故障保护（67N）、零序差动保护等（87GD）。

4）可设置过电压保护来保护工频过电压（59），但是延时应能躲过自动电压调节器（automatic voltage regulator, AVR）的调整时间。

5）1MW以下机组，过流保护可作为定子绕组的主保护；1MW及以上机组，一般差动保护作为主保护，过流保护作为后备保护（51）。

6）电压限制或电压控制过流保护可以应用于那些不适用差动保护的大容量机组，或者是普通过流保护遇到问题也可采用电压限制或电压控制过流保护（51V）。

7）逆功率保护用来保护原动机（32）。

GB 50062与GB 14285的一些技术规定如下：

1）对发电机外部相间短路故障和作为发电机主保护的后备，lMW以上的发电机宜装设低压起动或复合电压起动的过电流保护（51V）。

2）对发电机定子绕组及引出线的相间短路故障, lMW以上的发电机，应装设纵联差动保护（87G）。

3）对发电机定子绕组过负荷，应装设过负荷保护（51）。

4）燃汽轮发电机应装设逆功率保护（32）。

5）对不对称负荷、非全相运行以及不对称短路引起的转子表层过负荷、负序过负荷保护（46）。

6）对发电机励磁回路接地故障，应装设接地保护或接地检测装置（64F）。

7）对励磁电流异常下降或完全消失的失磁故障. 应装设失磁保护（40）。

8）频率异常保护（81）。

3  保护整定

燃气轮机发电机组继电保护整定在实际项目中需要依据机组相关参数、综保特性及轮机厂家相关技术手册确定。主要的计算方法及公式在实际项目中可参考DL/T 684，《Network Protection & Auto- mation Guide》对部分保护整定亦有相关计算说明。

孤网电站需要特别注意孤网对低电压及频率异常运行的要求；燃气轮机需要特别注意逆功率保护的设定；电站接地故障保护还需与出线接地故障保护配合。

表3  电站A主要保护定值（一次值）

表4  电站B主要保护定值（一次值）

电站A保护装置型号为BECKWITH M-3425A，电站B保护装置为Siprotec 7UM62，两座电站的保护定值见表3和表4，电压与频率异常保护的设定值基本一致，延时根据机组性能有所差异，其余故障保护需结合机组相关性能和厂家的技术要求。

4  结论

本文基于国内外相关设计规范、手册及工程实例，对油田常用小型燃气轮机电站的主要继电保护配置要求进行总结、给出了两座安全稳定运行的小型燃气轮机电站的整定实例，为海外油气田小型燃气轮机电站设计提供参考和借鉴。