海上平臺(tái)電網(wǎng)故障分析方法及排除步驟

張忠偉

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452)

0 引 言

海上生產(chǎn)平臺(tái)電網(wǎng)是集發(fā)電、輸電、配電于一體的微型電網(wǎng)，為海上平臺(tái)的正常生產(chǎn)提供電力供應(yīng)，因?yàn)檠b機(jī)容量較小(通常為100MW左右)、抗風(fēng)險(xiǎn)能力較低，所以保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。若其出現(xiàn)故障，應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)予以解決，以免故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。繼電保護(hù)則是保證其穩(wěn)定運(yùn)行的主要技術(shù)措施之一。

繼電保護(hù)裝置是指能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)而導(dǎo)致斷路器跳閘或發(fā)出報(bào)警信號(hào)的一種自動(dòng)裝置。被保護(hù)設(shè)備的電氣參量在故障前后的突變信息是構(gòu)成繼電保護(hù)裝置的基本原理[1]。

繼電保護(hù)是由繼電保護(hù)裝置、交直流二次回路組合而成的能夠自動(dòng)檢測(cè)并能夠切除系統(tǒng)故障的一個(gè)較為復(fù)雜的二次系統(tǒng)，其主要任務(wù)是：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)、快速、有選擇地將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除；當(dāng)系統(tǒng)處于不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，根據(jù)運(yùn)行維護(hù)的要求能自動(dòng)、及時(shí)、有選擇地發(fā)出信號(hào)[2]。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或保護(hù)動(dòng)作不正確時(shí)，電力調(diào)度人員(海上平臺(tái)由電力調(diào)度監(jiān)督擔(dān)任)應(yīng)立即組織開(kāi)展相關(guān)的故障處理工作，第一時(shí)間查明原因，恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行，制定針對(duì)性預(yù)防措施[3]。

關(guān)于陸地電網(wǎng)故障處理的文獻(xiàn)較多，但針對(duì)海上生產(chǎn)平臺(tái)微型電網(wǎng)的較少，本文擬從海上生產(chǎn)平臺(tái)電網(wǎng)中的實(shí)際案例著手闡述其分析方法及步驟，以便為海上生產(chǎn)平臺(tái)電網(wǎng)的故障處理提供可以參考的依據(jù)。

1 故障案例

某年某月12日14:54:00某海上平臺(tái)電網(wǎng)3臺(tái)透平發(fā)電機(jī)出口斷路器同時(shí)過(guò)流跳閘，且海上組網(wǎng)變壓器因過(guò)載跳閘，致使該區(qū)域海上平臺(tái)電網(wǎng)解列，造成該平臺(tái)6.3kV母排失電。

為確定故障范圍并鎖定故障，第一時(shí)間恢復(fù)區(qū)域電網(wǎng)供電能力，保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，采取的方法和步驟如下。

1.1 初步判斷

根據(jù)3臺(tái)透平發(fā)電機(jī)出口斷路器同時(shí)跳閘的故障現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)綜合判斷， 3臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)故障或3臺(tái)出口斷路器同時(shí)故障的概率較小(經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，透平發(fā)電機(jī)啟機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常、斷路器多次分合閘測(cè)試均正常)，可能性較大的情況應(yīng)為：3臺(tái)發(fā)電機(jī)所連接的母排故障(可能性較小，母排絕緣測(cè)試正常，絕緣值≥5G?)或母排所帶載設(shè)備出現(xiàn)故障但其供電斷路器未能及時(shí)跳閘致使越級(jí)跳閘的現(xiàn)象發(fā)生(可能性較大)。

查詢配電柜故障錄波系統(tǒng)記錄可知，14:49:48 該平臺(tái)故障錄波系統(tǒng)顯示6.3kV中壓盤(pán)柜測(cè)量柜A/B段(電氣主接線方式為單母分段且母聯(lián)斷路器閉合運(yùn)行)電壓波形出現(xiàn)異常，電壓出現(xiàn)不平衡，電角度發(fā)生偏移，初步判斷為中壓盤(pán)出現(xiàn)了故障，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況做進(jìn)一步分析。

1.2 綜合分析

在電網(wǎng)故障分析中，出現(xiàn)的異常參數(shù)或現(xiàn)象較多，但應(yīng)抓住主要矛盾，找到問(wèn)題的關(guān)鍵。

組網(wǎng)變壓器跳閘后，根據(jù)其綜合保護(hù)繼電器上的報(bào)警語(yǔ)句“I＞＞ PHASE ABC 1/6”初步分析原因?yàn)椋?臺(tái)組網(wǎng)變壓器容量分別為6300kVA，最大帶載能力12000kW(功率因數(shù)按0.95考慮)，而3臺(tái)發(fā)電機(jī)跳閘后，兩變壓器的潮流交換達(dá)20000kW，遠(yuǎn)超出組網(wǎng)變壓器的承載能力，致使組網(wǎng)變壓器過(guò)流跳閘，造成電網(wǎng)解列，報(bào)警情況見(jiàn)圖1(若是變壓器內(nèi)部故障，則差動(dòng)保護(hù)應(yīng)動(dòng)作并在綜合保護(hù)繼電器上顯示)。但這不是問(wèn)題的關(guān)鍵，需要查找引起大電流的原因，同時(shí)結(jié)合綜合保護(hù)繼電器報(bào)警語(yǔ)句及故障錄波現(xiàn)象展開(kāi)進(jìn)一步分析。

圖1 組網(wǎng)變壓器綜保報(bào)警顯示 Fig.1 Comprehensive protection alarm of network transformer

故障錄波顯示6.3kV中壓母排的電壓出現(xiàn)異常，同時(shí)結(jié)合透平發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)繼電器報(bào)警語(yǔ)句“Residual O/V NVD Started VN＞1”和“Residual O/V NVD Trip VN＞1”，可分析出引起斷路器跳閘的原因是零序過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，下一步需要重點(diǎn)查找引起該故障的具體原因，以便確定下一步的處理措施，力爭(zhēng)最快時(shí)間恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行，見(jiàn)圖2。

圖2 透平發(fā)電機(jī)出口斷路器零序過(guò)電壓綜保定值 Fig.2 Comprehensive protection value of zero sequence overvoltage of turbine generator outlet circuit breaker

1.3 重點(diǎn)查找

首先測(cè)量母排絕緣，絕緣值≥5G?，確定母排不存在問(wèn)題，可以恢復(fù)母排供電，進(jìn)一步查看母排所帶相關(guān)設(shè)備的報(bào)警信息，6.3kV母排所帶的電氣設(shè)備中注水泵A泵、伴生氣壓縮機(jī)A機(jī)、原油外輸泵B泵綜合保護(hù)繼電器存在過(guò)流報(bào)警，其他設(shè)備均是因母排失電后造成的低電壓報(bào)警。為在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)電網(wǎng)并保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，對(duì)存在報(bào)警的電氣設(shè)備暫時(shí)不予以投入運(yùn)行，同時(shí)按照失電恢復(fù)操作程序逐步恢復(fù)電網(wǎng)供電，電網(wǎng)恢復(fù)后各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常。

下步重點(diǎn)檢查原油外輸泵B泵、注水泵A泵、伴生氣壓縮機(jī)A機(jī)電動(dòng)機(jī)直阻及絕緣情況：原油外輸泵B、注水泵A電動(dòng)機(jī)直阻及絕緣均正常，2臺(tái)設(shè)備在失電之前工作時(shí)確實(shí)存在輕微過(guò)流現(xiàn)象但未達(dá)到其過(guò)流跳閘整定值，伴生氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)直阻1.5?/1.5?/ 1.5?，三相平衡，電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)地絕緣為500M?，相比于之前絕緣(2G?)有所下降；查詢伴生氣壓縮機(jī)故障錄波情況，發(fā)現(xiàn)有零序電流產(chǎn)生與綜合保護(hù)繼電器上的報(bào)警相匹配，進(jìn)一步判定確認(rèn)引起此次故障的主要設(shè)備為伴生氣壓縮機(jī)，主要原因是伴生氣壓縮機(jī)A機(jī)電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)線存在非金屬性接地。隨后將其他設(shè)備投入運(yùn)行，電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，見(jiàn)圖3。

圖3 故障錄波波形圖 Fig.3 Fault recording waveform diagram

將伴生氣壓縮機(jī)A機(jī)電機(jī)斷電隔離后送專(zhuān)業(yè)公司進(jìn)行檢修，經(jīng)專(zhuān)業(yè)公司對(duì)其全面檢修，得出的結(jié)論為：電機(jī)接線盒處的內(nèi)部電纜出現(xiàn)碳化現(xiàn)象致使電源進(jìn)線非金屬接地，見(jiàn)圖4。

圖4 電纜碳化 Fig.4 Cable carbonization

為查找伴生氣壓縮機(jī)供電出口斷路器沒(méi)有跳閘而透平發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘的原因，通過(guò)檢查該設(shè)備的綜合保護(hù)繼電器定值單及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)：該伴生氣壓縮機(jī)綜合保護(hù)繼電器中僅設(shè)置有過(guò)流、負(fù)序、熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)，未設(shè)置接地零序保護(hù)。而透平發(fā)電機(jī)出口斷路器的綜合保護(hù)繼電保護(hù)中設(shè)計(jì)有零序過(guò)電壓保護(hù)且投入使用，該功能不僅具有報(bào)警功能，同時(shí)作用于斷路器跳閘。按照綜合保護(hù)繼電器的此種定值設(shè)置，就能合理解釋上述問(wèn)題：當(dāng)伴生氣壓縮機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)流報(bào)警但在達(dá)到設(shè)定值之前伴生氣壓縮機(jī)不會(huì)跳閘，接地故障會(huì)直接反映到6.3kV母排，當(dāng)達(dá)到發(fā)電機(jī)出口斷路器綜合保護(hù)設(shè)定值時(shí)，零序過(guò)電壓保護(hù)觸發(fā)，造成發(fā)電機(jī)出口的3臺(tái)斷路器同時(shí)跳閘。

針對(duì)以上原因，制定如下整改措施并實(shí)施，以避免類(lèi)似情況再次發(fā)生：

①對(duì)中高壓電動(dòng)機(jī)所有現(xiàn)場(chǎng)接線進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)檢查，對(duì)存在問(wèn)題或隱患的及時(shí)處理做好記錄，并制定周期檢查表對(duì)其定期檢查；

②電動(dòng)機(jī)設(shè)備中，在現(xiàn)有的過(guò)流、負(fù)序、熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)基礎(chǔ)之上，增加接地保護(hù)功能，以保證發(fā)生接地故障時(shí)縮小故障范圍，避免故障范圍擴(kuò)大影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；

③對(duì)電網(wǎng)中所有繼電保護(hù)定值進(jìn)行整體校核，保證其良好的匹配度，對(duì)不滿足電網(wǎng)要求的定值由專(zhuān)業(yè)公司進(jìn)行修改、完善；

④將零序過(guò)電壓保護(hù)功能在中壓盤(pán)測(cè)量柜的綜合保護(hù)繼電器上進(jìn)行設(shè)定并遠(yuǎn)傳到中央控制室，用于報(bào)警輸出，一方面通過(guò)其綜合保護(hù)繼電器自身報(bào)警指示燈進(jìn)行警示，另一方面通過(guò)測(cè)量柜上接地報(bào)警指示燈進(jìn)行警示。

2 結(jié) 語(yǔ)

海上生產(chǎn)平臺(tái)微型電網(wǎng)故障分析中，綜合保護(hù)繼電器的報(bào)警信息及故障錄波圖(通過(guò)專(zhuān)門(mén)的故障錄波系統(tǒng)或綜合保護(hù)繼電器內(nèi)部自帶的故障錄波功能獲得)是非常重要且關(guān)鍵的第一手現(xiàn)場(chǎng)資料，對(duì)于故障的分析及初步判斷能起到提綱挈領(lǐng)的作用。當(dāng)然，相應(yīng)的分析應(yīng)由相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員來(lái)完成。為保證在最短時(shí)間內(nèi)完成初步判斷、故障分析，將故障范圍盡可能縮小并采取有效的防風(fēng)險(xiǎn)措施、第一時(shí)間恢復(fù)電網(wǎng)的正常運(yùn)行，海上生產(chǎn)平臺(tái)微型電網(wǎng)故障分析建議遵循如下步驟[3]。

①初步判斷。通過(guò)綜合保護(hù)繼電器的報(bào)警信息及故障錄波的異?，F(xiàn)象，初步判斷出故障的類(lèi)型、可能的原因及大致范圍，再根據(jù)電壓、電流的變化，對(duì)一次設(shè)備的故障情況有一個(gè)基本了解。這需要有一定的電氣理論知識(shí)和故障處理經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合判斷。

②綜合分析。根據(jù)初步判斷確定的范圍，找出電網(wǎng)中所有存在異?；蚬收系脑O(shè)備，然后隔離相關(guān)設(shè)備，找出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為電網(wǎng)的恢復(fù)運(yùn)行提供相關(guān)的參考依據(jù)。電網(wǎng)恢復(fù)過(guò)程要逐步進(jìn)行且要與對(duì)應(yīng)的綜合分析相互佐證，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行或盡可能大范圍的恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行。

③重點(diǎn)查找。根據(jù)已掌握的疑點(diǎn)和問(wèn)題，集中專(zhuān)業(yè)人員展開(kāi)相關(guān)的分析和處理，提供有效的預(yù)防措施并形成長(zhǎng)效機(jī)制，以確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行?！?/p>