楊杰

(上海申能崇明發(fā)電有限公司，上海 202155)

西門子發(fā)電機保護在燃氣發(fā)電機組應用的研究

楊杰

(上海申能崇明發(fā)電有限公司，上海 202155)

燃氣機組發(fā)電機保護配置與燃煤機組基本相同，但是上海崇明燃機電廠的電氣主接線的特殊性給發(fā)電機保護提出了部分新的要求，通過對上海崇明燃機電廠的全廠的保護設計、整定、調(diào)試的全程參與，對西門子發(fā)電機保護在燃機電廠中的應用和應注意的事項提出個人的見解。

西門子；燃機；變頻；發(fā)電機出口斷路器；數(shù)字保護

0 引 言

目前國內(nèi)大型燃氣機組以哈動力(GE技術)、上海電氣(SIEMENS技術)和東方電氣(三菱技術)三家的產(chǎn)品為代表，隨著環(huán)保壓力的增大，燃氣機組因其低排放、啟動迅速等特點在發(fā)電市場的占比越來越大，特別是在沿海大中型城市尤為明顯。但是由于歷史原因，燃氣機組主機島的設計供貨都是由主機生產(chǎn)商總包，設備的選型以進口產(chǎn)品為主。上海崇明燃機電廠新建2×424.2 MW單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，主機島由上海電氣總包，發(fā)電機保護采用進口西門子7UM62系列產(chǎn)品。

與常規(guī)燃煤機組不同，燃氣機組一般設置有發(fā)電機出口斷路器(GCB)和靜態(tài)變頻裝置(SFC)。崇明電廠的兩臺燃氣機組按發(fā)變組接入220 kV升壓站，升壓站雙母線接線，2回出線1回接于江蘇電網(wǎng)，1回接于上海電網(wǎng)，母聯(lián)開關正常時斷開。SFC和勵磁系統(tǒng)(AVR)電源接于廠用6 kV母線，啟動發(fā)電機時，啟動電源由220 kV母線經(jīng)主變、廠高變倒送至廠用6 kV母線，發(fā)電機首先工作在同步電動機狀態(tài)下，由SFC變頻拖動到額定轉(zhuǎn)速的70%左右，再由燃氣輪機點火沖轉(zhuǎn)，最終達到額定轉(zhuǎn)速，經(jīng)GCB同期并網(wǎng)[1]。電氣主接線圖如圖1所示。

圖1 電氣主接線圖

崇明電廠發(fā)電機定子額定電壓21 kV，定子額定電流13.721 kA，變頻啟動階段發(fā)電機定子電壓最大約2.7 kV，定子電流最大約996 A。

因此，崇明電廠發(fā)電機主要有兩種運行工況：變頻啟動和并網(wǎng)運行，繼電保護要在這兩種工況下都要起作用，不允許有死區(qū)。

1 保護配置

發(fā)電機保護按設計規(guī)程要求雙重化配置，兩套保護除定子接地和轉(zhuǎn)子接地保護采用了不同的原理外(第一套定子接地保護采用雙頻式，轉(zhuǎn)子接地采用20 Hz注入式，第二套定子接地保護采用工頻注入式，轉(zhuǎn)子接地保護采用方波注入式)，其余保護配置均相同。具體保護配置如表1所示。

按此保護配置方案，崇明電廠一套發(fā)電機保護應設置兩個快速閉鎖出口(Lockout)繼電器：變頻啟動時停SFC出口繼電器和并網(wǎng)運行時的停發(fā)電機出口繼電器，但是變頻啟動和并網(wǎng)運行期間大多數(shù)保護的投退要求是相同的。因此崇明電廠通過研究同類型機組的保護設計、配置方案做了以下優(yōu)化工作：

(1)將SFC啟動閘刀常開接點接入發(fā)電機保護屏內(nèi)的大功率重動繼電器，將此繼電器常開接點串入跳閘出口至SFC的通道中，變頻啟動過程中，SFC啟動閘刀閉合，跳閘矩陣至SFC的通道才會接通。這樣一套發(fā)電機保護屏僅設置一個Lockout出口繼電器。

(2)在變頻啟動過程中，使用西門子保護裝置的連續(xù)功能圖(CFC)編程和外部開入量接點閉鎖部分可能會誤動的保護功能，如逆功率保護和過激磁保護。

(3)在整定計算過程中，通過區(qū)分變頻啟動與正常運行各種特征電量，合理整定保護定值以躲過變頻啟動過程。

表1 保護配置表

√保護投入

×保護退出

2 具體問題及應對方案

2.1 差動保護

為避免死區(qū)，發(fā)電機差動保護電流取自主變低壓側CT與發(fā)電機中性點側CT。因此變頻啟動階段發(fā)電機中性點CT電流為發(fā)電機差動保護的差流，有意見認為此差流(最大約996 A)小于對差動保護的啟動值(一般整定為被保護對象額定電流的20%，約2 744 A)，不會引起保護誤動作，但筆者認為，主變低壓側CT和發(fā)電機中性點CT往往由不同廠家生產(chǎn)，CT特性差異較大；另一方面，在保護裝置運行頻率低于額定頻率時，西門子7UM保護裝置的傳變精度也較低，還是存在保護誤動作的可能性的。且啟動過程中SFC的急停對機組軸系損害較大，變頻啟動階段有必要閉鎖差動保護。

為防止保護誤動作，早期曾有兩種方案：一是采用GCB的常開接點閉鎖差動保護發(fā)電機中性點CT輸入通道，但發(fā)電機機端電流衰減較慢，與GCB的常開接點動作時間有30 ms的時間延遲，仍可能導致差動保護誤動；二是采用SFC啟動閘刀閉鎖差動保護且同時提高差動保護啟動定值。相對來說第二種方案更加可靠。

崇明電廠在第二種方案的基礎上進一步優(yōu)化，根據(jù)變頻啟動階段發(fā)電機機端電壓較低的特點，利用發(fā)電機保護備用的輸出繼電器輸出“發(fā)電機出口有壓”，利用CFC實現(xiàn)“SFC啟動閘刀常閉接點”與“發(fā)電機出口PT有壓”來開放差動保護的發(fā)電機中性點CT輸入。

需注意：發(fā)電機出口PT有壓定值不能太低，應可靠躲過變頻啟動時發(fā)電機機端電壓，定值可設置為50%Ugn～60%Ugn(Ugn發(fā)電機定子額定電壓)。

2.2 失步保護

西門子保護裝置失步保護基于常規(guī)的機端阻抗的測量來判斷震蕩的運動軌跡及震蕩中心的位置，由此確定是否要發(fā)出停機指令。保護的測量特性是一個震蕩四邊形。機端阻抗來自機端正序電壓和機端正序電流的計算值，且受機端正序電流和負序電流閉鎖。

一般整定機端正序電流閉鎖定值不小于發(fā)電機額定電流，機端負序電流閉鎖定值不大于發(fā)電機額定電流的20%，在變頻啟動階段可確保保護不會誤動作。

需注意：動作特性四邊形的傾角應由電網(wǎng)系統(tǒng)部門提供。

2.3 失磁保護

由于歷史上機電式繼電器的阻抗測量廣泛應用于失磁保護上，后來的微機保護也多采用阻抗測量的原理，但是西門子保護的動作特性創(chuàng)新性的采用了發(fā)電機機端導納測量原理，將發(fā)電機的運行極限平面轉(zhuǎn)換至發(fā)電機機端導納平面，通過測量發(fā)電機的機端導納來評估失磁的嚴重性。機端導納來自機端正序電流和機端正序電壓的計算值。

當由于短路出現(xiàn)嚴重的電壓下降時，本保護將被閉鎖[2]。針對等效發(fā)電機機端勵磁的崇明電廠，為避免機端短路發(fā)電機定子電壓跌落過快導致本保護被閉鎖，此定值也不能設置的過高。閉鎖定值按照變頻啟動時失磁保護能夠可靠被閉鎖即可。

2.4 次同步過流保護

西門子SFC裝置變頻輸出電壓2×1.5 kV，運行頻率范圍為0～35 Hz，如果發(fā)電機在變頻啟動階段發(fā)生定子短路故障，雖然定子電壓低于額定電壓，但頻率也低于額定頻率，發(fā)電機的等效次暫態(tài)電抗等比例變小，短路電流仍然比較大，另一方面，西門子保護裝置常規(guī)短路保護(如相過流、差動)在頻率大于10 Hz時才投入運行，SFC的6 kV綜保裝置的過流保護經(jīng)過隔離變、整流器、電抗器、逆變器等效短路阻抗，保護范圍難以量化[3]，因此有必要配置低頻率范圍的短路保護。

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：運行頻率在2 Hz～10 Hz范圍時，西門子次同步電流保護自動投入，而常規(guī)運行方式下的電流保護(如相過流、差動)采樣精度出現(xiàn)不規(guī)則的飄移，西門子保護裝置將其自動閉鎖；次同步過流保護的電流輸入CT是可以選擇的，為保證保護范圍包括發(fā)電機定子繞組，應選擇發(fā)電機機端CT，而非常規(guī)電流保護的選用的發(fā)電機中性點CT[4]。

2.5 正向低功率保護

國內(nèi)電廠一般很少使用此保護，但是由于崇明電廠的220 kV母聯(lián)開關應系統(tǒng)要求長期處于斷開狀態(tài)，兩臺機組分別通過單回線路接入不同電網(wǎng)，主接線方式等同于發(fā)-變-線路組，線路開關跳閘，將導致至少一臺機組迅速從額定功率降至自帶廠用電孤島運行。為保證機組能夠安全停機，崇明電廠在發(fā)電機保護裝置新增正向低功率保護，出口于停機。當機組發(fā)出的正向功率降落速度大于設定值時，保護立即動作。

2.6 SFC直流接地保護

為避免啟動過程中變頻電流三相不平衡燒毀發(fā)電機中性點接地變壓器，同類型電廠要求在啟動過程接地閘刀打開，但發(fā)電機的接地方式由大電阻接地系統(tǒng)改為不接地系統(tǒng)，因而相繼發(fā)生過發(fā)電機出口PT諧振爆炸事故[5]，為避免此類事故，上海電氣要求崇明電廠發(fā)電機中性點接地閘刀在啟動過程中保持在合閘位置。

由于發(fā)電機定子繞組直流電阻較小忽略不計，中性點接地變高壓繞組直流電阻24.19 Ω，UAC=1.45 kV啟動階段若SFC直流側發(fā)生接地故障，故障電流：

遠超發(fā)電機定子繞組及接地變一次繞組的允許運行電流，必須配置SFC直流接地保護[6]。

在崇明電廠的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)此保護多次誤動，經(jīng)分析原因為由于此保護的變送器安裝在發(fā)電機中性點柜內(nèi)，與保護裝置距離較遠，長距離弱電信號易受干擾，后將此保護定值按照最小靈敏度重新整定。

在正常并網(wǎng)運行階段應采用SFC分閘接點閉鎖此保護。

3 結束語

燃氣機組發(fā)電機保護配置與燃煤機組基本相同，但是要考慮在燃機電氣主接線的特點和變頻啟動過程中發(fā)電機作為同步電動機變頻運行的特點。同時燃機機島設備的國產(chǎn)化還有較長一段路要走，近期還是以進口設備為主。本文針對市場占有率較高的進口西門子發(fā)電機保護在設計、整定、調(diào)試中遇到的問題，提出個人的應對方案和措施，希望對后來者起到幫助。

[1] 吳聚業(yè).關于大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組繼電保護系統(tǒng)設計的若干問題[J].電力勘測設計, 2008, 2 (4):33-41.

[2] SIPROTEC 7UM62 Manual V4.7[K]. 2013-09. https://www.downloads.siemens.com/download-center/Download.aspx?pos=download&fct=getasset&mandator=ic_sg&id1=DLA06_4782.

[3] 林偉.考慮燃氣輪機變頻啟動的發(fā)電機保護系統(tǒng)研究[D].北京:華北電力大學，2014.

[4] 劉志文,趙斌,沈艷華.大容量燃氣輪發(fā)電機在啟動過程中繼電保護應采取的措施[J].繼電器,2006,34(24) :16-19.

[5] 王文志,余芳.淺析前灣燃氣輪發(fā)電機繼電保護配置及運行情況[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(11):130-132.

[6] 范瑾,牛利濤.燃氣輪發(fā)電機變頻啟動特點和保護配置分析[J].電力與能源,2012,33(5),433-435

Research of Application of Siemens Generator Protection in Gas Generator Set

Yang Jie

(Shanghai Shenneng Chongming Power Generation Co., Ltd., Shanghai 202155, China)

Gas generator set has basically the same protection configuration as the coal-fired generator set, but the features of main electrical wiring in Shanghai Chongming Gas-turbine Power Plant put forward some new requests for generator protection. Based on the experience of participation in the whole process of design, adjustment and debugging of the protection of the whole plant, I give my personal ideas about the application of Siemens generator protection in gas-turbine power plants as well as notes for attention.

Siemens; gas-turbine; variable frequency; generator outlet circuit breaker; digital protection

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.021

TM77

A

1000-3886(2016)06-0068-02

楊杰(1981-)，男，河南人，碩士生，工程師，主要從事火力發(fā)電廠繼電保護檢修工作。

定稿日期: 2016-06-14