陳亮

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣州市，510663)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們越來越關(guān)注能源系統(tǒng)的環(huán)境問題。傳統(tǒng)的燃煤電廠排放污染物較多，而以天然氣、燃料油或工業(yè)伴生氣為燃料的燃?xì)廨啓C發(fā)電形式，由于其投資省、效率高、運行方式靈活、調(diào)峰性能和環(huán)保性能優(yōu)越，近年來得到了較快發(fā)展［1-4］。

燃?xì)廨啺l(fā)電機組與常規(guī)燃煤機組的主要區(qū)別包括:(1)燃?xì)廨啓C組不能自行啟動，大容量燃?xì)廨啺l(fā)電機一般采用變頻啟動方式［5］，由外部電源經(jīng)靜態(tài)變頻裝置(static freqency converter，SFC)給電機定子繞組供電，并經(jīng)啟動勵磁裝置供給勵磁繞組勵磁電源;(2)燃?xì)廨啓C變頻啟動過程中，發(fā)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?xì)廨啺l(fā)電機變頻啟動的過程，針對燃煤機組常規(guī)保護(hù)原理誤動情況、特殊保護(hù)功能的補充或閉鎖設(shè)置、保護(hù)配置差異進(jìn)行了分析。

1 變頻啟動過程中的特殊保護(hù)

1.1 發(fā)電機啟動過流保護(hù)

典型的燃?xì)廨啺l(fā)電機組主接線如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啺l(fā)電機組繼電保護(hù)配置方案Fig.1 Relay protection configuration of gas turbine generator unit

在燃?xì)廨啓C啟動過程中，發(fā)電機的定子電流較小，最大約為7%額定電流，發(fā)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(fā)電機U/f值為0.25～1.0?？紤]到發(fā)電機的電抗與頻率成正比，也由工頻值下降至相應(yīng)值，盡管機端電壓維持在較低值，此短路電流也是相當(dāng)大的［6］，啟動過程持續(xù)時間較長，而發(fā)電機差動保護(hù)、相間后備保護(hù)在低頻時保護(hù)的靈敏性降低，且頻率越低，靈敏系數(shù)越低，因此必須增設(shè)專門針對啟動期間相間故障的啟動過流保護(hù)，該保護(hù)可按躲過變頻啟動過程中的最大負(fù)荷電流(0.07Ie)整定。

啟動過流保護(hù)由SFC輸出端隔離開關(guān)的輔助觸點控制。當(dāng)SFC投入時，該保護(hù)投入運行;當(dāng)SFC切除時，該保護(hù)立即退出。

1.2 發(fā)電機定子接地保護(hù)

發(fā)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(xiàn)［7］規(guī)定，對100 MW及以上的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)為100%的定子接地保護(hù)，保護(hù)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(fā)電機100%定子接地保護(hù)，常利用發(fā)電機固有的三次諧波電勢，以發(fā)電機中性點側(cè)和機端側(cè)三次諧波電壓的比值和基波零序電壓組合構(gòu)成。然而燃?xì)廨啺l(fā)電機組在變頻啟動過程中，為防止SFC直流側(cè)發(fā)生接地而形成直流2點接地，進(jìn)而燒壞發(fā)電機中性點接地變壓器，發(fā)電機中性點接地隔離開關(guān)需要斷開，啟動結(jié)束后再閉合。因此，變頻啟動過程中的發(fā)電機定子接地保護(hù)無法取得中性點側(cè)零序電壓，零序電壓只能取自發(fā)電機端側(cè)PT開口三角，該保護(hù)定值可按啟動時的一次電壓來計算，應(yīng)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(cè)接地時在發(fā)電機端所產(chǎn)生的零序電壓。一般來說，該定值比按發(fā)電模式整定的零序電壓定值要低得多，這也意味著按發(fā)電模式設(shè)定的定子接地保護(hù)在啟動過程中的保護(hù)范圍極小。

發(fā)電機定子接地保護(hù)同樣由SFC輸出端隔離開關(guān)的輔助觸點控制，在SFC切除時，保護(hù)立即退出。

1.3 主變差動保護(hù)

燃?xì)廨啓C變頻啟動期間，發(fā)電機出口斷路器斷開，主變通過廠變倒送電運行。發(fā)電機定子繞組中流過較小的低頻電流，當(dāng)圖1中K1點發(fā)生短路故障時，SFC和燃?xì)廨啓C同時向故障點提供短路電流，而主變高壓側(cè)和高廠變側(cè)的電流沒有變化，此時發(fā)電機啟動過流保護(hù)完全可以保護(hù)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(guān)的輔助觸點，動態(tài)控制主變差動保護(hù)的范圍:變頻啟動期間，主變差動保護(hù)不計算發(fā)電機機端CT1的電流，僅計算主變高壓側(cè)和高廠變高壓側(cè)電流;燃?xì)廨啓C以發(fā)電機模式運行時，主變差動保護(hù)計算發(fā)電機機端、主變高壓側(cè)和高廠變高壓側(cè)的電流。

1.4 變頻啟動期間需閉鎖的保護(hù)功能

如1.1節(jié)所述，在燃?xì)廨啓C變頻啟動過程中，發(fā)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(fā)電機低頻保護(hù)、低電壓保護(hù)、頻率異常保護(hù)應(yīng)閉鎖，發(fā)電機并網(wǎng)后再投入運行。

燃?xì)廨啓C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(jìn)入發(fā)電機失磁保護(hù)阻抗圓之內(nèi)而使之動作，因此發(fā)電機失磁保護(hù)也宜閉鎖，待發(fā)電機并網(wǎng)后再投入運行。

上述保護(hù)閉鎖都可經(jīng)發(fā)電機出口斷路器輔助接點實現(xiàn)。

需要指出的是，燃?xì)廨啺l(fā)電機組啟動過程中發(fā)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(tǒng)發(fā)生失步振蕩的幾率低，專設(shè)復(fù)雜的同步電動機失步保護(hù)和再整步自動裝置必要性不大。

2 同步發(fā)電機并網(wǎng)模式下保護(hù)的特點

2.1 逆功率保護(hù)

文獻(xiàn)［8］規(guī)定，燃?xì)廨啺l(fā)電機應(yīng)裝設(shè)逆功率保護(hù)，保護(hù)宜帶時限動作于信號，并應(yīng)延時動作于解列。常規(guī)燃煤機組的發(fā)電機逆功率保護(hù)定值一般整定為(0.5% ～1%)Pn。

變頻啟動期間，燃?xì)廨啓C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?xì)廨啓C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(dá)到其燃?xì)獍l(fā)電功率的數(shù)量級。因此，燃?xì)廨啓C的逆功率保護(hù)定值需適當(dāng)提高，可按躲過機組啟動的最大功率進(jìn)行整定，一般為10%Pn以上，這樣，保護(hù)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(hù)

程序跳閘出口的作用是防止某些異常運行保護(hù)動作于停機時，發(fā)電機出口斷路器斷開，而燃?xì)廨啓C燃?xì)怅P(guān)斷門或蒸汽輪機主汽門未關(guān)閉導(dǎo)致的原動機超速“飛車”事故。但對燃?xì)廨啓C組而言，此時仍需拖動同軸的壓氣機，因此，燃機保護(hù)動作可不設(shè)程序跳閘出口，在發(fā)電機保護(hù)配置時可取消程序跳閘逆功率保護(hù)。

2.3 發(fā)電機頻率異常保護(hù)

文獻(xiàn)［10］規(guī)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?xì)廨啓C組異頻運行時，除考慮葉片的頻率特性外，還需考慮燃?xì)廨啓C低頻燃燒時的穩(wěn)定性，以及由此而帶來的聯(lián)合循環(huán)機組出力的變化。目前，對燃?xì)廨啓C組異頻運行及時間無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)綜合考慮發(fā)電機組和電力系統(tǒng)的要求，并根據(jù)制造廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定。

3 燃?xì)廨啓C組繼電保護(hù)典型配置方案

文獻(xiàn)［7］規(guī)定，對于100 MW及以上發(fā)電機變壓器組的保護(hù)，除非電量保護(hù)外，應(yīng)雙重化配置。由于發(fā)電機與變壓器之間設(shè)有斷路器，發(fā)電機與變壓器單獨裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。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(hù)宜與發(fā)電機保護(hù)相互獨立，整套保護(hù)按5面屏配置，其中主變和高廠變保護(hù)組2面屏，發(fā)電機和勵磁變組2面屏，非電量保護(hù)和其他輔助裝置組1面屏。

300 MW及以上燃?xì)廨啺l(fā)電機組典型的繼電保護(hù)配置見表1，主變保護(hù)配置為:主變差動保護(hù)(87 MT)、主變相間后備保護(hù)、主變接地后備保護(hù)、主變過勵磁保護(hù)、主變過負(fù)荷保護(hù)、主變啟動風(fēng)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(hù)功能。

表1 典型300 MW及以上燃?xì)廨啺l(fā)電機保護(hù)投退情況Tab.1 Input and withdrawal situation of protection in gas

4 結(jié)論

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

(2)燃?xì)廨啓C變頻啟動過程中，發(fā)電機頻率低、定子電壓低，發(fā)電機低頻保護(hù)、定子低電壓保護(hù)、頻率異常保護(hù)在啟動期間應(yīng)閉鎖;電機處于同步電動機運行模式，發(fā)電機失磁保護(hù)也宜閉鎖，上述保護(hù)待發(fā)電機并網(wǎng)后再投入運行。

(3)通過SFC輸出端隔離開關(guān)的輔助觸點，可動態(tài)控制主變差動保護(hù)的范圍，實現(xiàn)啟動期間的兩側(cè)差動和并網(wǎng)后的三側(cè)差動。

(4)燃?xì)廨啺l(fā)電機應(yīng)裝設(shè)逆功率保護(hù)，但逆功率保護(hù)定值需適當(dāng)提高，保護(hù)在燃?xì)廨啓C變頻啟動過程中也不會誤動。

(5)燃?xì)廨啓C不會出現(xiàn)汽輪發(fā)電機的超速問題，燃?xì)廨啓C保護(hù)動作可不設(shè)程序跳閘出口，可取消程序跳閘逆功率保護(hù)。

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