第四章 电力系统的保护.docx

第四章 电力系统的保护.docx

《第四章 电力系统的保护.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章 电力系统的保护.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第四章电力系统的保护

第四篇海上油气田开发工程仪电讯系统设计

第四章电力系统的保护

第一节电力系统保护的目的和内容

第二节电力系统保护设计的一般原则和整定原则

第三节电力系统保护的方式和组合

第四节电力系统的继电保护

第五节发电机的保护

第六节变压器的保护

第七节馈电回路的保护

第八节电动机回路的保护

第九节岸电回路的保护

第一十节不同设计阶段对电力系统保护设计的要求和内容

第四篇海上油气田开发工程仪电讯系统设计

第四章电力系统的保护

第一节电力系统保护的目的和内容

一.目的

电力系统的安全稳定运行对海上油气田开发工程设施的生产和生活起着至关重要的作用。

海上油气田开发工程设施上的电力系统是由各种电气设备和元器件组成。

由于海上油气田环境条件的特殊性，各种电气设备运行维护的水平以及电气设备的安装和制造的质量等诸方面的原因，电力系统中的各种电气设备和元器件在运行时不可能一直保持正常状态，为确保海上油气田的正常生产和生活，必须为电力系统的正常运行建立一个安全可靠的保护系统。

电力系统在运行时，所有电气设备（其中包括：

主发电机，电力变压器，中/低压配电装置，电动机和电缆等）和元器件都有可能出现各种故障状态和不正常的运行状态，这时若处理不当，将引起电力系统的其他事故，还有可能造成设备和人员的伤害。

电力系统可能发生的事故一般分为故障状态和不正常状态两种情况。

当电力系统发生故障时，电力系统的保护装置必须在很短的时间内将故障排除和切断；在发生不正常运行状态时，电力系统的保护需要进行分析和判断后，才能采取必要的措施。

下面将分别对电力系统的故障状态和不正常运行状态的原因和危害性进行介绍.

1.故障状态

故障状态是指：

电气元件发生短路，断线时的状态。

最常见的危险故障状态是各种类形的短路；比如：

单相（相与地之间），相与相之间和三相短路等。

在短路故障发生时可能会产生下列后果：

1）强大的短路电流流过故障点，引燃电弧，使故障设备损坏甚至烧毁；

2）短路电流通过非故障元件时，引起元件的发热和电动力的作用，会使它们损坏或缩短寿命；

3）造成电力系统内的部分区域的电能质量严重恶化（如电压大幅度下降等），破坏电气设备的正常运行；

4）破坏电力系统中的并联运行的主发电机组的稳定性，引发系统振荡，甚至使整个系统瓦解。

2.不正常运行

电气设备及元器件超出正常允许的工作范围，但没有发生故障的运行状态，属于不正常的运行状态。

例如：

因负载超过电气设备的额定值而引起的电流升高（通常称为过载）的状态，就是一种最常见的不正常运行状态；又如：

因短路故障引起邻近健全设备处于电流严重升高的状态，也是一种不正常的运行状态。

上述这两种情况的电流都超过额定电流值，会使电气元件的载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，并有可能发展成故障。

此外，系统中出现因功率缺额而引起的频率降低，造成发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力系统发生振荡等，都属于不正常的运行状态。

二.海上油气田开发工程的电力系统保护的特点

海上油气田开发工程设施所处的环境条件和地理位置与陆地不同，其电力系统的组成，发电机的单机容量，电站的总装机容量，另外电气设备和负载的种类及性质与陆地也有很大的差别。

海上油气田开发工程设施的电力系统主要有以下的特点：

1.电站的容量小于陆地电站，大于航行船舶的电站

陆地的电力系统可以看成由无穷大的电源容量供电，用电设备通常是通过电力变压器供电，但是海上油气田是由主发电机提供电源，通常情况下是几台发电机并联运行，无论是它的单机容量，还是电站的总装机容量都远远小于陆地电站的单机容量和总装机容量；而它的单台机组的容量和电站的总装机容量又远远大于航行船舶的电站。

由于海上油气田开发工程设施上的电站容量相对于陆地电站的容量小，有些电动机的容量可能与单台发电机的容量差不多，比如：

注水泵，天然气压缩机，原油外输泵和消防泵等设备的电动机，当这些容量较大的电动机起动时，会对电网造成较大的冲击。

因此，海上油气田开发工程设施上的电力系统的保护以及保护装置的技术性能提出了较高的要求。

2.中/高压电力及配电系统的继电保护

海上油气田开发工程设施上的主发电机组和中/高压配电系统广泛使用的是3.3kV~10.5kV的电压，由主电站向各井口平台输送电能的电压最高不会超过35kV。

因此中/高压电力及配电系统的保护主要是通过具有各种不同保护功能的继电器向开关装置发出的动作信号来实现。

航行船舶的主发电机组和配电系统通常选用的是400V的电压。

400V配电系统的过电流保护，短路保护和欠电压保护主要是通过装置式自动开关内的长延时过电流脱扣器，短延时过电流脱扣器，瞬时过电流脱扣器和欠压脱扣器来实现。

因此在进行海上油田电力系统的保护设计时，除了要了解和掌握自动开关的结构，功能和整定值的选择外，还应懂得和掌握中/高压电力及配电系统继电保护设计的全部知识和内容。

3.配电设备的安装空间小

海上油气田上受各种设施和设备的安装空间的限制，电气设备的布置和安装都比较集中，发电机与用电设备之间的距离较短，发电机的保护装置和配电保护装置又多采用主配电板集中安装和控制，这样不仅对配电保护装置的切断容量提出了很高的要求，同时也给电力系统的选择性保护的设计带来很大困难。

根据海上油气田开发工程设施上的用电设备实际的保护装置的整定值知道，在主配电板附近短路时，其馈电回路的保护装置所通过的短路电流大于发电机回路的保护装置通过的短路电流，因此，馈电回路的保护装置的短路容量必须大于发电机保护装置的短路容量。

4.短路功率因数小

海上油气田开发工程设施上电力系统的负载主要是交流异步感应式电动机，它通常占总负荷的60%~80%以上，而且位于主配电板汇流排附近的大容量的电动机负载较多，所以短路功率因数较小。

在主配电板附近短路时，功率因数通常只有0.05~0.15。

但陆地电网采用补偿装置，短路功率因数比较高。

由于这一特点，对保护装置的性能和容量提出了必须保证在低功率因数下具有足够的短路容量。

5.控制和保护简单

由于陆地电站的发电机组的单机容量大，电压等级高，因此设置了许多发电机组的内部保护，比如：

定子绕组的相间短路，定子绕组接地，定子绕组匝间短路，定子绕组过电压，定子绕组过负荷，转子绕组接地，转子表层（负序）过负荷；励磁绕组过负荷；励磁回路一点及二点接地和定子铁芯过励磁等。

船舶电站的容量一般比较小，所以通常只考虑发电机的外部保护。

海上油气田开发工程设施上的电站的总装机容量，单机容量和电压等级都大于船舶电站，但又小于陆地电站，为了确保发电机的安全，可靠运行，根据规范要求应该为发电机组设置一些必要的内部保护装置，但相对于陆地电站的发电机组的保护就简单了许多，它的开关和保护装置往往是一体的。

这是与陆地电站另一个不同之处。

由于陆地高压系统的短路故障具有暂时性，所以要求有短路自动再合闸的控制要求。

而海上油气田开发工程设施上的电力系统的短路，一般是由电动机，电器设备和电缆绝缘老化，受机械损伤和误操作所致，因此没有短路重合闸要求，而且一些规范明确规定发生短路故障后仅允许再合闸一次。

三.保护装置的基本要求

电力系统保护装置的基本要求是：

1.可靠性

电力系统的保护装置必须能可靠地工作，接线方式应尽量简单，触点回路少。

在进行保护装置的设计时，不考虑故障极难发生的特殊情况。

保护装置的可靠性可以用拒动率及误动率来衡量。

拒动率及误动率越小，保护装置的可靠性就越高。

另外，在选择保护装置时还应考虑其操作和维修方便等因素。

2.选择性

电力系统保护装置的选择性是指：

在电力系统发生故障时，应该是距离故障点最近的保护装置动作，确保非故障线路部分的电气设备仍然能继续正常工作。

3.动作的快速性

当电力系统发生短路故障时，为了防止事故的蔓延，以减轻其危害程度，保持系统运行的稳定性，要求保护装置的动作尽可能地迅速。

对设备的非正常工作状态（如：

过载，绝缘降低等），不要求快速动作，保护装置应具备一定的延时，并能发出声光报警信号。

4.灵敏度

灵敏度是指其保护的范围内所出现的故障或不正常工作状态的反应能力。

保护装置应能灵敏而正确地反映出故障情况，而且可以对不同的保护方式和采用不同的保护元件具有不同的灵敏度。

5.故障报警

当电气设备和线路出现不正常情况时，保护装置应能提供必要的报警信号，立即通知值班人员及时处理，防止事故的进一步扩大和蔓延。

但是应该注意到，上面提到的这五个基本要求之间往往是相互矛盾和相互制约的。

例如：

为了限制短路故障的影响范围，要求保护装置能尽可能快地动作，但各级保护装置之间的选择性又要求前一级保护装置的动作时间必须比后一级的整定时间长一点，这样又会影响它的快速性。

因此在进行选取保护装置和整定其动作值的设计时，必须根据具体情况做全面的分析。

四.电力系统保护的内容

海上油气田开发工程设施电力系统保护的设计主要是对电力系统内的主/应急发电机组，不同电压等级的配电系统和各种不同用电设备的保护提出最基本的要求。

这些最基本的要求包括：

1.电力系统保护设计的一般原则；

2.保护装置的整定原则；

3.保护方式的选择

4.电力系统继电保护的基本概念，原理，构成和表示方法等；

5.海上油气田开发工程设施电力系统保护设计的基本要求；以及不同回路和不同电气设备保护的典型电路的设计等；其中包括：

1）发电机的保护

2）电力变压器的保护

3）馈线回路的保护

4）电动机和电加热器回路的保护

5）岸电回路的保护

6）单相接地保护

图4.4.1.1，4.4.1.2和4.4.1.3是典型的海上油气田开发工程设施电力系统保护的单线图。

（插入图4.4.1.1，图4.4.1.2和图4.4.1.3）

图4.4.1.1发电机保护的单线图

图4.4.1.2中压配电系统保护的单线图

图4.4.1.3400V配电系统保护的单线图

第二节电力系统保护设计的一般原则和整定原则

一.电力系统保护设计的一般原则

在进行海上油气田开发工程设施的电力系统保护设计时，应当遵照有关规范和规则的要求，不同的规范和规则对电力系统保护的要求有一定的差异，但电力系统保护的一般原则是设计中必须遵守的。

1.系统中的电气设备均应设有合适的保护装置。

对包括短路在内的意外过电流故障进行保护。

各保护装置的性能的选择和安排，应能实现完全和协调的自动保护，在尽可能的情况下保证：

1）系统工作的连续性——在系统的某一处发生故障的情况下，通过保护装置的选择性作用，确保对非故障电路，特别是包含重要设备的非故障电路的连续供电；

2）限制故障范围——根据故障的类型（过电流，短路，欠电压和逆功率等），通过保护装置及时，准确地切除故障，应尽可能减少对系统的损害，避免发生火灾的危险。

2.在上述情况下允许的时间内，系统中所有元件应能承受可能出现的过电流（包括短路）所产生的热效应和电动应力。

3.应按照使用要求选择过电流保护装置，特别是过载保护装置和短路保护装置的选择。

4.在进行系统设计时，应该对重要负载采用选择保护方式；而对非重要负载，可以采用非选择保护方式，有些规范允许采用后备保护方式。

二.保护装置的整定原则

保护装置的整定值原则通常是按时间原则，电流原则或两者的综合使用。

以电力系统选择保护为例，按时间原则，其保护装置动作时间的整定值，从用电设备到电源设备逐级递减；按电流原则，其保护装置动作电流的整定值，从用电设备到电源设备逐级递增。

由于这两种方法各有利弊，有时难以达到满意的效果，在实际的应用中，通常是将这两种方法混合使用。

在进行电力系统保护装置的整定值的设计时，还需要考虑电气设备的容量，重要程度，在电网中所处的位置和规范的要求等。

各种电气设备整定值的实际计算和确定将在下面的章节中一一介绍。

第三节电力系统保护的方式和组合

一.电力系统的保护