海外油田小型燃氣輪機電站的發電機繼電保護分析

中石油工程建設有限公司北京設計分公司的研究人員梅業偉、劉學敏、孟曉龍、徐丹丹，在2020年第11期《電氣技術》雜誌上撰文，基於海外油田燃氣輪機電站發電機組繼電保護的設計經驗，結合國標與國際標準對於燃氣輪機發電機組保護設定要求的技術規定，對主要適用的規範和手冊的繼電保護配置要求進行梳理和總結，另外給出小型燃氣輪機電站的整定例項，形成海外油田小型燃氣輪機電站的繼電保護設計指導。

油田小型燃氣輪機電站容量一般從幾兆瓦到數十兆瓦，多與中心處理站（central processing facilities， CPF）合建，通常採用天然氣與柴油雙燃料透平。油田燃氣輪機電站是整個油田的電力供應中心，電站的安全、穩定、連續執行是整個油田生產順利運轉的前提條件，而燃氣輪機電站的發電機繼電保護整定是實現這些目標的重要一環。本文結合海外油田常用的小型燃氣輪機電站電氣設計特點及執行要求，對繼電保護配置和一些典型整定進行分析和探討。

1 電氣主接線特點

油田小型燃氣輪機電站電氣主接線多采用單母分段，各發電機組透過發電機出口斷路器（generator circuit breaker， GCB）分別接在兩段母線上，正常執行時母聯閉合。發電機額定電壓一般11kV，CPF站內供電從電站11kV母線饋出，低壓系統透過CPF站內降壓變壓器供電，站內中壓負荷直接由電站11kV母線供電。

油田站外設施規模較小時可從電站11kV母線直接饋出，透過11kV架空線供電，站外設施規模較大時也從電站11kV母線經由升壓變壓器饋出，透過33kV或更高電壓等級架空線路供電。

2 保護設定

燃氣輪機發電機組及其控制和保護系統一般由輪機廠家成套提供，保護配置在具體工程實踐中需業主方的技術諮詢或總包方的設計進行審批，這就需要相應技術人員熟悉燃氣輪機發電機組的繼電保護整定技術要求。本節基於兩個規模相似的已建油田燃氣輪機電站繼電保護設定，結合相應的國內外規範、手冊，對主要的保護配置的技術規定進行總結歸納。

2.1 已建電站繼電保護配置

兩座油田電站位於不同地區，分別採用3臺索拉機組（電站A）與3臺西門子機組（電站B），單臺現場出力均為5。5MW，發電機組額定電壓均為11kV，額定頻率為50Hz。兩座電站主接線相同，發電機透過GCB與電站母線直連，11kV母線均為單母分段，一段11kV母線接兩臺機組，一段母線接一臺機組；正常執行時母聯閉合，兩臺機組執行，一臺機組備用。兩座電站機組接地方式相同，均為電阻接地，接地故障電流限制在100A。

電站A單臺發電機組額定容量8。15MVA，額定電流426A；電站B單臺發電機組額定功率10。4MVA，額定電流546A。兩座電站的主要繼電保護配置見表1。

表1 兩座已建電站繼電保護配置

2.2 繼電保護技術規定

海外油田設計中繼電保護相關技術要求可參考IEEE 242，《Network Protection & Automation Guide》等規範和和手冊，國標可參考GB 50062和GB/T 14285。本節對燃機孤網電站的發電機常用繼電保護設定相關技術規定進行梳理和歸納。

IEEE 242按照發電機組的功率、電壓等級將機組分為了大、中、小三類，然後根據不同的機組種類規定了相應的保護配置要求。油田小型燃氣輪機多采用容量為0。5～12。5MVA的機組，相應的繼電保護配置見表2。

《Network Protection & Automation Guide》第17章中相關的技術規定如下：

1）發電機為孤網系統供電時，需配置低電壓保護（27）。

表2 IEEE 242規定的機組繼電保護配置

2）發電機額定容量超過1MW常採用差動保護（87G）。

3）直接並聯執行的發電機組可採用中性點過流保護（51G）、方向性靈敏接地故障保護（67N）、零序差動保護等（87GD）。

4）可設定過電壓保護來保護工頻過電壓（59），但是延時應能躲過自動電壓調節器（automatic voltage regulator， AVR）的調整時間。

5）1MW以下機組，過流保護可作為定子繞組的主保護；1MW及以上機組，一般差動保護作為主保護，過流保護作為後備保護（51）。

6）電壓限制或電壓控制過流保護可以應用於那些不適用差動保護的大容量機組，或者是普透過流保護遇到問題也可採用電壓限制或電壓控制過流保護（51V）。

7）逆功率保護用來保護原動機（32）。

GB 50062與GB 14285的一些技術規定如下：

1）對發電機外部相間短路故障和作為發電機主保護的後備，lMW以上的發電機宜裝設低壓起動或複合電壓起動的過電流保護（51V）。

2）對發電機定子繞組及引出線的相間短路故障， lMW以上的發電機，應裝設縱聯差動保護（87G）。

3）對發電機定子繞組過負荷，應裝設過負荷保護（51）。

4）燃汽輪發電機應裝設逆功率保護（32）。

5）對不對稱負荷、非全相執行以及不對稱短路引起的轉子表層過負荷、負序過負荷保護（46）。

6）對發電機勵磁迴路接地故障，應裝設接地保護或接地檢測裝置（64F）。

7）對勵磁電流異常下降或完全消失的失磁故障。 應裝設失磁保護（40）。

8）頻率異常保護（81）。

3 保護整定

燃氣輪機發電機組繼電保護整定在實際專案中需要依據機組相關引數、綜保特性及輪機廠家相關技術手冊確定。主要的計算方法及公式在實際專案中可參考DL/T 684，《Network Protection & Auto- mation Guide》對部分保護整定亦有相關計算說明。

孤網電站需要特別注意孤網對低電壓及頻率異常執行的要求；燃氣輪機需要特別注意逆功率保護的設定；電站接地故障保護還需與出線接地故障保護配合。

表3 電站A主要保護定值（一次值）

表4 電站B主要保護定值（一次值）

電站A保護裝置型號為BECKWITH M-3425A，電站B保護裝置為Siprotec 7UM62，兩座電站的保護定值見表3和表4，電壓與頻率異常保護的設定值基本一致，延時根據機組效能有所差異，其餘故障保護需結合機組相關效能和廠家的技術要求。

4 結論

本文基於國內外相關設計規範、手冊及工程例項，對油田常用小型燃氣輪機電站的主要繼電保護配置要求進行總結、給出了兩座安全穩定執行的小型燃氣輪機電站的整定例項，為海外油氣田小型燃氣輪機電站設計提供參考和借鑑。