沈全榮，王磊，陳俊，嚴(yán)偉

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102； 2.上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240)

0 引言

國(guó)內(nèi)大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)燃?xì)鈾C(jī)組)由國(guó)外公司提供燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)燃機(jī))成套設(shè)備的設(shè)計(jì)和供貨，國(guó)內(nèi)公司負(fù)責(zé)除了燃機(jī)以外的電廠其余部分的設(shè)計(jì)和供貨。由于業(yè)內(nèi)有關(guān)人員對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組的設(shè)計(jì)缺乏了解，燃機(jī)電廠的繼電保護(hù)方案基本上是參考相似容量的常規(guī)燃煤機(jī)組而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這樣會(huì)存在一定的安全隱患。已有不少文獻(xiàn)對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組的繼電保護(hù)方案進(jìn)行了探討，克服了以往繼電保護(hù)方案存在的一些不足[1-3]，但沒(méi)有文獻(xiàn)提出完整的大型燃機(jī)定子接地保護(hù)的解決方案，以往在大型燃機(jī)上應(yīng)用的定子接地保護(hù)方案大多都有一些不足之處。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大型燃?xì)鈾C(jī)組項(xiàng)目越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)，具備了燃機(jī)的生產(chǎn)和供貨能力，燃機(jī)繼電保護(hù)設(shè)備也逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，積累了一些現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。分析國(guó)內(nèi)三大主機(jī)廠的燃機(jī)工程設(shè)計(jì)方案發(fā)現(xiàn)，燃機(jī)機(jī)端電壓互感器(PT)和中性點(diǎn)接地變壓器的接地方式存在一定差異，不能直接套用傳統(tǒng)燃煤機(jī)組定子接地保護(hù)方案(一般為基波零序電壓型定子接地保護(hù)+三次諧波電壓型定子接地保護(hù))，需要根據(jù)其特殊的運(yùn)行方式精心設(shè)計(jì)，提出完整的大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)解決方案。

1 大型燃機(jī)的電氣特點(diǎn)及其對(duì)定子接地保護(hù)的影響

1.1 大型燃機(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程的電氣特征

大型燃機(jī)機(jī)組不能自行啟動(dòng)，需要利用機(jī)組外的動(dòng)力源啟動(dòng)機(jī)組。大容量燃機(jī)一般采用變頻啟動(dòng)方式，由另外電源(如電廠6 kV廠用電源)經(jīng)靜止變頻器(LCI)給發(fā)電機(jī)定子繞組供電，并經(jīng)啟動(dòng)勵(lì)磁裝置供給勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電源(如圖1所示)，發(fā)電機(jī)處于同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)組變頻啟動(dòng)接線(xiàn)圖

變頻啟動(dòng)過(guò)程中的電氣特征：以國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠供貨的390 MW燃機(jī)為例，在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)定子電流較小，最大為7%額定電流，機(jī)端電壓較低，為17%額定電壓，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0～2 000 r/min(自保持轉(zhuǎn)速)，頻率為0～33.3 Hz，發(fā)電機(jī)的過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)范圍為0.25～1.00，吸收有功功率，反向有功功率為1.2%額定有功功率。

1.2 LCI直流側(cè)接地對(duì)中性點(diǎn)接地變壓器的影響

由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器和發(fā)電機(jī)定子繞組的直流電阻均極低，中性點(diǎn)接地相當(dāng)于直流一點(diǎn)接地，LCI在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，一旦LCI直流側(cè)發(fā)生接地故障，相當(dāng)于直流兩點(diǎn)接地(如圖2所示)，這樣就會(huì)將產(chǎn)生極大的直流短路電流，可達(dá)到接地變壓器額定電流的數(shù)百倍[4]，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)損傷發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器。

圖2 LCI直流側(cè)接地示意

為了保護(hù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器，一般采用以下2種解決方案：

(1)LCI在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，將中性點(diǎn)接地刀閘拉開(kāi)，相當(dāng)于取消了直流接地點(diǎn)，避免在LCI直流接地故障時(shí)形成直流兩點(diǎn)接地，待LCI變頻啟動(dòng)結(jié)束退出后，再自動(dòng)投入接地變壓器。

(2)LCI在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘處于合閘位置，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)裝設(shè)直流取樣電阻，配置LCI直流接地保護(hù)，用于檢測(cè)LCI直流接地故障，并快速動(dòng)作于跳閘。

對(duì)于第1種方案，LCI變頻啟動(dòng)過(guò)程中取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的零序電壓型定子接地保護(hù)會(huì)失去作用。

對(duì)于第2種方案，作者認(rèn)為不宜推薦，由于啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)存在直流接地點(diǎn)，一旦發(fā)生LCI直流側(cè)接地故障，由于直流短路電流很大，即使LCI直流接地保護(hù)快速動(dòng)作，也可能會(huì)造成接地變壓器損傷。因此，作者建議采用第1種方案，即在LCI變頻啟動(dòng)期間，將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘拉開(kāi)，待啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后再將該刀閘合上。

1.3 機(jī)端PT諧振問(wèn)題處理及對(duì)定子接地保護(hù)的影響

對(duì)于燃煤機(jī)組，發(fā)電機(jī)機(jī)端一般設(shè)置3組PT，其中2組PT的一次中性點(diǎn)接地(如圖3a所示)，其開(kāi)口三角可檢測(cè)機(jī)端對(duì)地零序電壓，用于定子單相接地故障檢測(cè)，另一組PT的一次中性點(diǎn)不接地，與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接相連，該P(yáng)T的開(kāi)口三角可檢測(cè)縱向零序電壓，用于定子繞組匝間故障檢測(cè)。

對(duì)于大型燃?xì)鈾C(jī)組來(lái)說(shuō)，PT如果按照燃煤機(jī)組的方式配置，在工頻條件下，一次中性點(diǎn)直接接地的電磁式PT的感抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的容抗，但在變頻啟動(dòng)過(guò)程的低頻條件下，電磁式PT的感抗下降，而系統(tǒng)容抗卻上升，為2個(gè)參數(shù)的匹配而引發(fā)PT諧振創(chuàng)造了可能。國(guó)內(nèi)已有多個(gè)燃?xì)怆姀S發(fā)生過(guò)機(jī)端PT諧振現(xiàn)象，引發(fā)發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)和啟、停機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘停機(jī)，甚至因諧振導(dǎo)致PT燒毀[3]。

為了避免變頻啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)機(jī)端PT產(chǎn)生諧振，有的燃機(jī)工程設(shè)計(jì)時(shí)將發(fā)電機(jī)機(jī)端PT的一次中性點(diǎn)不接地(如圖3b所示)。

圖3 機(jī)端PT示意

由于機(jī)端PT的一次中性點(diǎn)不接地，PT的開(kāi)口三角無(wú)法測(cè)量機(jī)端對(duì)地零序電壓，因此，同時(shí)利用機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓構(gòu)成的定子接地保護(hù)均受到影響，如三次諧波電壓比率定子接地保護(hù)和三次諧波電壓差動(dòng)保護(hù)均無(wú)法應(yīng)用。

2 大型燃機(jī)定子接地保護(hù)方案

2.1 機(jī)端PT一次中性點(diǎn)不接地情況下的定子接地保護(hù)

當(dāng)機(jī)端PT的一次中性點(diǎn)不接地時(shí)，該P(yáng)T的開(kāi)口三角無(wú)法測(cè)量機(jī)端對(duì)地零序電壓，若對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近的定子接地故障提供檢測(cè)，可采取以下3種保護(hù)方案。

(1)中性點(diǎn)三次諧波欠電壓定子接地保護(hù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)三次諧波電壓降低，利用該特征構(gòu)成如下判據(jù)

(1)

式中：Un3為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓三次諧波幅值，Un3.set為中性點(diǎn)三次諧波欠電壓定值；U1為發(fā)電機(jī)機(jī)端正序電壓；UN為發(fā)電機(jī)二次額定相電壓。

當(dāng)滿(mǎn)足式(1)時(shí)，延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)。 根據(jù)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后各種工況下的中性點(diǎn)最低三次諧波電壓值來(lái)整定，可靠系數(shù)取1.3～1.5。該原理可對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近的定子接地故障起到一定的保護(hù)作用，但靈敏度比較低，對(duì)于某些氣隙磁場(chǎng)正弦度較好的機(jī)組來(lái)說(shuō)，由于定子繞組本體三次諧波電壓比較小，該原理甚至無(wú)法應(yīng)用。

(2)利用主變壓器低壓側(cè)零序電壓實(shí)現(xiàn)的三次諧波電壓型定子接地保護(hù)。在該方案中，定子接地保護(hù)的機(jī)端零序電壓取自發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器(GCB)上方的主變壓器低壓側(cè)PT開(kāi)口三角，該P(yáng)T的一次中性點(diǎn)是接地的，通常用于主變壓器帶廠用變壓器在倒送電情況下的低壓側(cè)母線(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)，在大型燃機(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程中，由于發(fā)電機(jī)機(jī)端GCB未合閘，該P(yáng)T與LCI沒(méi)有電氣聯(lián)系，因此不受LCI變頻啟動(dòng)的影響。當(dāng)燃機(jī)機(jī)組并網(wǎng)后，該P(yáng)T即可檢測(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)端對(duì)地零序電壓，因此，可以用于機(jī)組并網(wǎng)后的三次諧波電壓型定子接地保護(hù)。為了提高三次諧波電壓型定子接地保護(hù)的可靠性，應(yīng)增加主變壓器低壓側(cè)PT開(kāi)口三角斷線(xiàn)判據(jù)，利用正常并網(wǎng)運(yùn)行情況下PT開(kāi)口三角零序電壓中的三次諧波分量接近于零來(lái)判斷是否斷線(xiàn)，延時(shí)動(dòng)作于報(bào)警，該判據(jù)在機(jī)組并網(wǎng)前退出。采用以上方案后，傳統(tǒng)三次諧波電壓比率保護(hù)和三次諧波電壓差動(dòng)保護(hù)均可在燃機(jī)機(jī)組并網(wǎng)后正常使用。

(3)注入低頻電壓式定子接地保護(hù)。大型燃機(jī)均采用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)變壓器電阻接地方式，且燃?xì)鈾C(jī)組的定子繞組對(duì)地電容不大，使得接地變壓器二次負(fù)載電阻值不會(huì)太小，為應(yīng)用注入式定子接地保護(hù)原理創(chuàng)造了良好的條件，可實(shí)現(xiàn)高靈敏100%定子接地保護(hù)。

注入式定子接地保護(hù)一般采用20 Hz和12.5 Hz低頻注入電源，從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器二次負(fù)載電阻上將低頻信號(hào)注入到發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地的零序回路中，實(shí)時(shí)求解接地過(guò)渡電阻值，從而判定定子接地故障。與傳統(tǒng)定子接地保護(hù)原理相比，注入式定子接地保護(hù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是不受發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)未加勵(lì)磁電壓狀態(tài)下的定子對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)。另外，該原理不依賴(lài)機(jī)端零序電壓，保護(hù)范圍覆蓋整個(gè)定子繞組，且具有較高的靈敏度，比較適合在大型燃機(jī)上應(yīng)用。對(duì)于機(jī)端PT一次中性點(diǎn)不接地的場(chǎng)合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)三次諧波電壓比率保護(hù)和三次諧波電壓差動(dòng)保護(hù)，注入式定子接地保護(hù)可以彌補(bǔ)中性點(diǎn)三次諧波欠電壓定子接地保護(hù)靈敏度低的不足，提升了大型燃?xì)廨啓C(jī)組定子接地保護(hù)的性能。

2.2 變頻啟動(dòng)過(guò)程中的定子接地保護(hù)

在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘拉開(kāi)無(wú)法取得中性點(diǎn)零序電壓，因此，為兼顧該運(yùn)行方式，在啟動(dòng)過(guò)程中的零序電壓定子接地保護(hù)應(yīng)取發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓，并采用不受頻率影響的算法，以適應(yīng)低頻啟動(dòng)過(guò)程。該保護(hù)經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)GCB位置接點(diǎn)閉鎖，在機(jī)組并網(wǎng)后退出運(yùn)行。此外，由于中性點(diǎn)接地刀閘的拉開(kāi)，使低頻電壓信號(hào)無(wú)法注入到定子繞組對(duì)地的零序回路，因此，在該過(guò)程中注入式定子接地保護(hù)也無(wú)法提供接地故障檢測(cè)功能。

對(duì)于機(jī)端PT一次中性點(diǎn)不接地的機(jī)組，如果變頻啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘拉開(kāi)，則機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓均無(wú)法獲取，因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程定子接地保護(hù)，考慮到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地，且變頻啟動(dòng)過(guò)程中定子電壓較低，即使發(fā)生定子單相接地故障，接地故障電流也比較小，不會(huì)損壞定子繞組絕緣，因此，沒(méi)有發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)也是可以接受的。

2.3 大型燃機(jī)定子接地保護(hù)方案

根據(jù)以上分析結(jié)果，針對(duì)大型燃機(jī)的實(shí)際情況，作者提出了以下定子接地保護(hù)方案。

(1)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)按雙重化配置，第1套方案為100%定子接地保護(hù)采用基波零序電壓定子接地保護(hù)+基于主變壓器低壓側(cè)零序電壓的三次諧波電壓型定子接地保護(hù)(或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)三次諧波欠電壓定子接地保護(hù))；第2套方案為100%定子接地保護(hù)采用注入式定子接地保護(hù)。

(2)在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，定子接地保護(hù)取發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓。

以上大型燃機(jī)定子接地保護(hù)方案，兼顧了國(guó)內(nèi)三大主機(jī)廠的設(shè)計(jì)需求，克服了以往定子接地保護(hù)方案存在的不足，為大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)提供了完善的定子接地保護(hù)。

3 結(jié)論

本文分析了大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的特點(diǎn)及其對(duì)定子接地保護(hù)的要求，提出了完整的定子接地保護(hù)解決方案，得出了如下結(jié)論：

(1)對(duì)于機(jī)端PT一次中性點(diǎn)不接地的機(jī)組，三次諧波電壓型定子接地保護(hù)宜取主變壓器低壓側(cè)零序電壓作為機(jī)端零序電壓。

(2)宜配置注入式定子接地保護(hù)設(shè)施。

(3)在啟動(dòng)過(guò)程中，定子接地保護(hù)宜取發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓。

參考文獻(xiàn)：

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