燃氣輪發電機組繼電保護配置

陳亮

(廣東省電力設計研究院，廣州市，510663)

0 引言

隨著我國經濟社會的快速發展，人們越來越關注能源系統的環境問題。傳統的燃煤電廠排放污染物較多，而以天然氣、燃料油或工業伴生氣為燃料的燃氣輪機發電形式，由于其投資省、效率高、運行方式靈活、調峰性能和環保性能優越，近年來得到了較快發展［1-4］。

燃氣輪發電機組與常規燃煤機組的主要區別包括:(1)燃氣輪機組不能自行啟動，大容量燃氣輪發電機一般采用變頻啟動方式［5］，由外部電源經靜態變頻裝置(static freqency converter，SFC)給電機定子繞組供電，并經啟動勵磁裝置供給勵磁繞組勵磁電源;(2)燃氣輪機變頻啟動過程中，發電機定子電流較小，機端電壓較低，吸收有功功率，電機處于同步電動機運行模式。

本文基于燃氣輪發電機變頻啟動的過程，針對燃煤機組常規保護原理誤動情況、特殊保護功能的補充或閉鎖設置、保護配置差異進行了分析。

1 變頻啟動過程中的特殊保護

1.1 發電機啟動過流保護

典型的燃氣輪發電機組主接線如圖1所示。

圖1 燃氣輪發電機組繼電保護配置方案Fig.1 Relay protection configuration of gas turbine generator unit

在燃氣輪機啟動過程中，發電機的定子電流較小，最大約為7%額定電流，發電機的頻率變化范圍為0.05～33.3 Hz，機端電壓約為17%額定電壓，發電機U/f值為0.25～1.0?？紤]到發電機的電抗與頻率成正比，也由工頻值下降至相應值，盡管機端電壓維持在較低值，此短路電流也是相當大的［6］，啟動過程持續時間較長，而發電機差動保護、相間后備保護在低頻時保護的靈敏性降低，且頻率越低，靈敏系數越低，因此必須增設專門針對啟動期間相間故障的啟動過流保護，該保護可按躲過變頻啟動過程中的最大負荷電流(0.07Ie)整定。

啟動過流保護由SFC輸出端隔離開關的輔助觸點控制。當SFC投入時，該保護投入運行;當SFC切除時，該保護立即退出。

1.2 發電機定子接地保護

發電機的外殼都是接地的，因此定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍。文獻［7］規定，對100 MW及以上的發電機，應裝設保護區為100%的定子接地保護，保護帶時限動作于信號，必要時也可以動作于停機。

燃煤機組的發電機100%定子接地保護，常利用發電機固有的三次諧波電勢，以發電機中性點側和機端側三次諧波電壓的比值和基波零序電壓組合構成。然而燃氣輪發電機組在變頻啟動過程中，為防止SFC直流側發生接地而形成直流2點接地，進而燒壞發電機中性點接地變壓器，發電機中性點接地隔離開關需要斷開，啟動結束后再閉合。因此，變頻啟動過程中的發電機定子接地保護無法取得中性點側零序電壓，零序電壓只能取自發電機端側PT開口三角，該保護定值可按啟動時的一次電壓來計算，應躲開正常運行時的不平衡電壓(含三次諧波電壓)，以及變壓器高壓側接地時在發電機端所產生的零序電壓。一般來說，該定值比按發電模式整定的零序電壓定值要低得多，這也意味著按發電模式設定的定子接地保護在啟動過程中的保護范圍極小。

發電機定子接地保護同樣由SFC輸出端隔離開關的輔助觸點控制，在SFC切除時，保護立即退出。

1.3 主變差動保護

燃氣輪機變頻啟動期間，發電機出口斷路器斷開，主變通過廠變倒送電運行。發電機定子繞組中流過較小的低頻電流，當圖1中K1點發生短路故障時，SFC和燃氣輪機同時向故障點提供短路電流，而主變高壓側和高廠變側的電流沒有變化，此時發電機啟動過流保護完全可以保護K1點，而且靈敏度更好，且只需動作于滅磁，無需解列和切換廠用電。

基于以上分析，可通過SFC輸出端隔離開關的輔助觸點，動態控制主變差動保護的范圍:變頻啟動期間，主變差動保護不計算發電機機端CT1的電流，僅計算主變高壓側和高廠變高壓側電流;燃氣輪機以發電機模式運行時，主變差動保護計算發電機機端、主變高壓側和高廠變高壓側的電流。

1.4 變頻啟動期間需閉鎖的保護功能

如1.1節所述，在燃氣輪機變頻啟動過程中，發電機的頻率變化為0.05～33.3 Hz，機端電壓很低，約為17%額定電壓，因此發電機低頻保護、低電壓保護、頻率異常保護應閉鎖，發電機并網后再投入運行。

燃氣輪機變頻啟動過程中，電機處于同步電動機運行模式，吸收有功，盡管該逆功率較小，但此時機端阻抗仍有可能進入發電機失磁保護阻抗圓之內而使之動作，因此發電機失磁保護也宜閉鎖，待發電機并網后再投入運行。

上述保護閉鎖都可經發電機出口斷路器輔助接點實現。

需要指出的是，燃氣輪發電機組啟動過程中發電機作為同步電動機運行，也存在失步異常工況的可能，但考慮啟動時間較短，系統發生失步振蕩的幾率低，專設復雜的同步電動機失步保護和再整步自動裝置必要性不大。

2 同步發電機并網模式下保護的特點

2.1 逆功率保護

文獻［8］規定，燃氣輪發電機應裝設逆功率保護，保護宜帶時限動作于信號，并應延時動作于解列。常規燃煤機組的發電機逆功率保護定值一般整定為(0.5% ～1%)Pn。

變頻啟動期間，燃氣輪機吸收有功功率，電機處于同步電動機運行模式，電機本身的最大反向功率約為1.2%Pn，且燃氣輪機還需拖動同軸的壓氣機［9］，而后者消耗的壓縮功率較大，即逆功率值可達到其燃氣發電功率的數量級。因此，燃氣輪機的逆功率保護定值需適當提高，可按躲過機組啟動的最大功率進行整定，一般為10%Pn以上，這樣，保護在燃機變頻啟動過程中也不會誤動，無需閉鎖。

2.2 程序跳閘逆功率保護

程序跳閘出口的作用是防止某些異常運行保護動作于停機時，發電機出口斷路器斷開，而燃氣輪機燃氣關斷門或蒸汽輪機主汽門未關閉導致的原動機超速“飛車”事故。但對燃氣輪機組而言，此時仍需拖動同軸的壓氣機，因此，燃機保護動作可不設程序跳閘出口，在發電機保護配置時可取消程序跳閘逆功率保護。

2.3 發電機頻率異常保護

文獻［10］規定，300 MW及以上的汽輪機，運行中允許的頻率變化為48.5～50.5 Hz。

與汽輪機組不同，燃氣輪機組異頻運行時，除考慮葉片的頻率特性外，還需考慮燃氣輪機低頻燃燒時的穩定性，以及由此而帶來的聯合循環機組出力的變化。目前，對燃氣輪機組異頻運行及時間無統一標準，應綜合考慮發電機組和電力系統的要求，并根據制造廠家提供的技術參數確定。

3 燃氣輪機組繼電保護典型配置方案

文獻［7］規定，對于100 MW及以上發電機變壓器組的保護，除非電量保護外，應雙重化配置。由于發電機與變壓器之間設有斷路器，發電機與變壓器單獨裝設縱聯差動保護。考慮主變帶高廠變倒送電運行的工況，為方便運行，主變和高廠變保護宜與發電機保護相互獨立，整套保護按5面屏配置，其中主變和高廠變保護組2面屏，發電機和勵磁變組2面屏，非電量保護和其他輔助裝置組1面屏。

300 MW及以上燃氣輪發電機組典型的繼電保護配置見表1，主變保護配置為:主變差動保護(87 MT)、主變相間后備保護、主變接地后備保護、主變過勵磁保護、主變過負荷保護、主變啟動風冷、主變低壓零序電壓報警、PT斷線判別、CT斷線判別及其他保護功能。

表1 典型300 MW及以上燃氣輪發電機保護投退情況Tab.1 Input and withdrawal situation of protection in gas

4 結論

(1)增設啟動工況下的發電機啟動過流保護、定子接地保護，在SFC切除時保護立即退出。

(2)燃氣輪機變頻啟動過程中，發電機頻率低、定子電壓低，發電機低頻保護、定子低電壓保護、頻率異常保護在啟動期間應閉鎖;電機處于同步電動機運行模式，發電機失磁保護也宜閉鎖，上述保護待發電機并網后再投入運行。

(3)通過SFC輸出端隔離開關的輔助觸點，可動態控制主變差動保護的范圍，實現啟動期間的兩側差動和并網后的三側差動。

(4)燃氣輪發電機應裝設逆功率保護，但逆功率保護定值需適當提高，保護在燃氣輪機變頻啟動過程中也不會誤動。

(5)燃氣輪機不會出現汽輪發電機的超速問題，燃氣輪機保護動作可不設程序跳閘出口，可取消程序跳閘逆功率保護。

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