鐘守平 王洪林 陳佳勝 陳 俊

大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究

鐘守平 王洪林 陳佳勝 陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

本文針對(duì)我國(guó)大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組保護(hù)配置現(xiàn)狀，結(jié)合DL/T 1505—2016《大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》，就燃?xì)廨啓C(jī)的定子單相接地保護(hù)、定子繞組匝間保護(hù)、負(fù)載換相型變頻器（LCI）直流接地保護(hù)、主變差動(dòng)保護(hù)和變頻算法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以求有效保障燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，規(guī)范大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組保護(hù)配置并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)改造。

燃?xì)廨啓C(jī)；保護(hù)配置；定子接地保護(hù)；定子匝間保護(hù)

0 引言

近年來隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問題頻發(fā)，燃?xì)獍l(fā)電作為一種成熟可靠的清潔能源，迎來了加速發(fā)展的契機(jī)。十二五期間隨著大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的不斷建設(shè)，燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化水平逐漸提高[1]。隨著燃?xì)獍l(fā)電廠總量的增多、運(yùn)行機(jī)組和運(yùn)行時(shí)間的穩(wěn)步增加，業(yè)內(nèi)對(duì)大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組保護(hù)逐漸形成共識(shí)[2-3]，制定了DL/T 1505—2016《大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱“技術(shù)條件”）。

大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)多配備負(fù)載換相型變頻器（load commutated inverter, LCI），由LCI系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)提供起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)過程中，發(fā)電機(jī)定子繞組電流最大約為額定電流的7%，機(jī)端電壓最大值約為額定電壓的17%[4]，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速介于0～2 000r/min區(qū)間，對(duì)應(yīng)定子側(cè)電氣量的頻率為0～33.3Hz，發(fā)電機(jī)的/值范圍為0.25～1.0[5]。在此過程中，采用常規(guī)傅里葉算法計(jì)算電氣量的正、負(fù)、零序分量會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤，部分保護(hù)的靈敏度可能下降，甚至無法動(dòng)作，而另一些保護(hù)可能誤動(dòng)。因此業(yè)內(nèi)對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)組保護(hù)的研究，多集中在變頻起動(dòng)過程中保護(hù)元件需做的特殊處理，或應(yīng)新增的保護(hù)功能。例如，在起動(dòng)過程中采用非線性加速的變頻序分量計(jì)算方法，在起動(dòng)過程中配置定子接地保護(hù)的必要性及原理方案[6-7]等。

技術(shù)條件對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組因變頻起動(dòng)需要特殊處理或新增的保護(hù)做出了要求，比如定子接地保護(hù)、匝間保護(hù)、LCI直流接地保護(hù)、主變差動(dòng)保護(hù)、逆功率保護(hù)和低頻保護(hù)等。本文結(jié)合技術(shù)條件，對(duì)這些保護(hù)及保護(hù)涉及的變頻算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以期規(guī)范大型燃?xì)廨啓C(jī)組保護(hù)的配置，保障燃?xì)獍l(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 定子接地保護(hù)

大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組與常規(guī)發(fā)電機(jī)組相比，存在起停次數(shù)多、起動(dòng)過程工況復(fù)雜、需要LCI變頻拖動(dòng)等特殊情況，發(fā)生定子接地故障的概率較高。另外，對(duì)于不同容量的機(jī)組，其中性點(diǎn)接地方式也各不相同，如大容量機(jī)組一般采用接地變接地、消弧線圈接地等方式，小容量機(jī)組有時(shí)會(huì)采用電阻接地或者不接地等方式；不同情況下的定子接地保護(hù)設(shè)計(jì)也有所差異。此外，鐵磁諧振也是必須要考慮的問題，現(xiàn)場(chǎng)已出現(xiàn)多起因?yàn)橹C振或者消諧裝置而導(dǎo)致定子接地保護(hù)誤動(dòng)作或者誤報(bào)警的案例[8-10]。

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)定子接地保護(hù)配置方案

大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組按照雙重化配置原則，配置兩套定子接地保護(hù)，一般A套采用基波零序電壓+三次諧波電壓100%定子接地保護(hù)，B套采用低頻信號(hào)注入式定子接地保護(hù)[11]。對(duì)于小型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，一般僅配置基波零序電壓+三次諧波電壓100%定子接地保護(hù)。燃機(jī)在起機(jī)過程中頻率變化范圍較寬，需要配置低頻零序電壓定子接地保護(hù)，零序電壓計(jì)算應(yīng)采用變頻算法，保證10～55Hz頻率范圍計(jì)算準(zhǔn)確，同時(shí)退出三次諧波定子接地保護(hù)和注入式定子接地保護(hù)電阻判據(jù)。

LCI起動(dòng)過程中為了避免LCI系統(tǒng)直流接地時(shí)形成很大的直流電流，一般會(huì)將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地點(diǎn)斷開，導(dǎo)致無法測(cè)量中性點(diǎn)零序電壓，只能測(cè)量機(jī)端電壓，因此在這種情況下低頻定子接地保護(hù)應(yīng)采用發(fā)電機(jī)機(jī)端PT。

機(jī)組在拖動(dòng)起機(jī)過程中，由于頻率較低，互感器感抗較低而機(jī)組接地電容容抗較高，可能形成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振不會(huì)產(chǎn)生高電壓但是會(huì)導(dǎo)致PT過電流，PT過載能力很弱，短時(shí)間過電流可能導(dǎo)致PT燒毀。為避免這種情況，可以在起動(dòng)過程中將機(jī)端PT一次側(cè)中性點(diǎn)不接地，這樣可以斷開并聯(lián)回路。但是這種情況下機(jī)端PT無法測(cè)量零序電壓，相當(dāng)于沒有接地保護(hù)[5]。

1.2 鐵磁諧振對(duì)定子接地保護(hù)的影響

鐵磁諧振過電壓是電力系統(tǒng)中的一種非線性共振現(xiàn)象[12]，機(jī)組中性點(diǎn)采用不同的接線方式，其機(jī)端出現(xiàn)鐵磁諧振的風(fēng)險(xiǎn)也不一樣。對(duì)于中性點(diǎn)不接地的小型機(jī)組，由于零序回路阻抗較大，存在發(fā)生穩(wěn)定鐵磁諧振的風(fēng)險(xiǎn)，圖1為某100MW燃?xì)鈾C(jī)組機(jī)端出現(xiàn)鐵磁諧振時(shí)的電壓波形，根據(jù)波形可知，A、B相電壓有效值分別在110V、130V左右，明顯飽和，機(jī)端零序電壓有效值達(dá)到155V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單相金屬性接地時(shí)的最大電壓，表明發(fā)生了過頻諧振過電壓。

圖1 某100MW燃?xì)鈾C(jī)組機(jī)端鐵磁諧振電壓波形

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)接地變接地、經(jīng)高阻或者經(jīng)消弧線圈接地的方式，由于中性點(diǎn)接地電阻或電抗遠(yuǎn)小于PT電抗，零序性質(zhì)的擾動(dòng)能量會(huì)直接通過接地回路釋放，一般情況下不會(huì)導(dǎo)致PT飽和，因此會(huì)大大降低發(fā)生鐵磁諧振的概率[13]。但是需要注意的是，采用消弧線圈接地時(shí)，消弧線圈會(huì)與定子繞組對(duì)地電容形成LC線性諧振回路，諧振回路電阻越小，衰減時(shí)間越長(zhǎng)。圖2為某經(jīng)消弧線圈接地的機(jī)組主變高壓側(cè)單相接地恢復(fù)后的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波形，由圖可知，故障恢復(fù)后機(jī)端零序電壓經(jīng)過10個(gè)以上周波才慢慢減小到0。

圖2 消弧線圈與對(duì)地電容的諧振衰減波形

鐵磁諧振會(huì)產(chǎn)生明顯的零序電壓，造成定子接地保護(hù)誤動(dòng)，嚴(yán)重的鐵磁諧振還會(huì)造成系統(tǒng)過電壓和PT過電流，導(dǎo)致?lián)p毀發(fā)電機(jī)機(jī)端PT，因此有必要采取措施抑制鐵磁諧振現(xiàn)象[14]。

1.3 機(jī)端PT鐵磁諧振預(yù)防措施

中性點(diǎn)經(jīng)接地變接地的大型燃?xì)鈾C(jī)組，一般會(huì)采用注入式定子接地保護(hù)。如果在機(jī)端PT安裝了二次消諧裝置，當(dāng)二次消諧裝置出現(xiàn)故障導(dǎo)致零序回路電阻減小到0時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致注入式定子接地保護(hù)誤動(dòng)[10]，所以在這種方式下可以不配置二次消諧裝置，或者配置二次消諧裝置時(shí)，為注入式定子接地保護(hù)增加基波零序電壓閉鎖功能。

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，機(jī)端母線出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)可能會(huì)在定子繞組接地電容和消弧線圈之間形成短時(shí)間的LC諧振，諧振頻率接近工頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較大的基波分量，可能導(dǎo)致定子接地保護(hù)誤動(dòng)。為避免這種情況出現(xiàn)，可以在消弧線圈接地回路上增加電阻以消耗諧振能量，加快衰減速度，也可以適當(dāng)增加定子接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，以躲開振蕩過程。

2 定子繞組匝間保護(hù)

2.1 縱向零序電壓原理

燃?xì)廨啓C(jī)組由于定子繞組中性點(diǎn)引出方式比較單一，無法配置不完全縱差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)、單元件橫差保護(hù)等高靈敏定子匝間故障保護(hù)，一般配置縱向零序電壓匝間保護(hù)，該保護(hù)取機(jī)端匝間專用PT（互感器一次中性點(diǎn)和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接電纜連接，不接地）開口三角零序電壓作為動(dòng)作量。

為增加保護(hù)動(dòng)作可靠性，可以經(jīng)負(fù)序功率方向元件閉鎖；為防止PT一次斷線導(dǎo)致誤動(dòng)作，需具有專用PT一次斷線判別閉鎖匝間保護(hù)的邏輯；延時(shí)定值需躲過PT一次斷線的判別時(shí)間。

2.2 自產(chǎn)縱向零序電壓原理

某些燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，特別是進(jìn)口機(jī)組，未配置發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)。發(fā)電機(jī)定子匝間故障除了匝間短路外，還包括定子繞組分支開焊故障，并且定子繞組中性點(diǎn)附近的單相接地故障主要靠三次諧波電壓型定子接地保護(hù)去反應(yīng)，一般動(dòng)作于信號(hào)，對(duì)快速切除定子匝間故障無能為力，所以大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)未配置定子匝間保護(hù)存在一定的安全隱患。

對(duì)于機(jī)端沒有匝間專用PT的發(fā)電機(jī)，可以應(yīng)用負(fù)序功率方向匝間保護(hù)原理，負(fù)序功率計(jì)算的電壓取自發(fā)電機(jī)機(jī)端PT，電流可以采用機(jī)端電流或中性點(diǎn)電流。但該原理存在以下不足：發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，由于沒有電流，無法計(jì)算功率，因此該階段不能反應(yīng)定子匝間故障。

由于未配置匝間保護(hù)，這些機(jī)組一般未安裝匝間專用PT，后期實(shí)現(xiàn)定子匝間保護(hù)需要重新設(shè)計(jì)施工，工期長(zhǎng)，投資大。為此業(yè)內(nèi)研究了自產(chǎn)縱向零序電壓原理，無需改動(dòng)一次設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)定子匝間保護(hù)功能[15]。

發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓測(cè)量如圖3所示，PT1為普通PT，其開口三角測(cè)量機(jī)端對(duì)地零序電壓，PT2為匝間專用PT，其開口三角測(cè)量縱向零序電壓，PTn用于中性點(diǎn)零序電壓測(cè)量。

圖3 發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓測(cè)量

定子繞組縱向零序電壓等于機(jī)端對(duì)地零序電壓與中性點(diǎn)對(duì)地零序電壓之差。在沒有PT2的情況下，利用PT1和PTn可以自產(chǎn)縱向零序電壓，完成發(fā)電機(jī)定子繞組匝間快速保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)真正的雙重化。

為了補(bǔ)償發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓PT電壓比與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓PT電壓比不一致、中性點(diǎn)接地變壓器短路阻抗對(duì)自產(chǎn)縱向零序電壓的影響，計(jì)算時(shí)需要引入1個(gè)復(fù)數(shù)補(bǔ)償系數(shù)，縱向零序電壓、機(jī)端零序電壓和中性點(diǎn)零序電壓應(yīng)滿足

某電廠8號(hào)發(fā)電機(jī)定子C相1分支首尾匝間短路，自產(chǎn)縱向零序電壓保護(hù)正確動(dòng)作，與理論值33.3V吻合。自產(chǎn)縱向零序電壓波形如圖4所示。

圖4 自產(chǎn)縱向零序電壓波形

3 其他保護(hù)

3.1 LCI直流系統(tǒng)接地保護(hù)

由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器和發(fā)電機(jī)定子繞組直流電阻均極低，中性點(diǎn)接地相當(dāng)于直流一點(diǎn)接地，在LCI變頻起動(dòng)過程中，如果中性點(diǎn)接地變壓器投入時(shí)LCI直流側(cè)發(fā)生接地故障，相當(dāng)于直流兩點(diǎn)接地，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，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)損傷發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器。為此需設(shè)置LCI系統(tǒng)直流接地保護(hù)[15]。LCI直流側(cè)接地保護(hù)示意圖如圖5所示。

圖5 LCI直流側(cè)接地保護(hù)示意圖

變頻起動(dòng)過程中，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地開關(guān)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，其并聯(lián)信號(hào)類型為±150mV信號(hào)或±20mA信號(hào)。

3.2 主變差動(dòng)保護(hù)

主變差動(dòng)保護(hù)扣除LCI起動(dòng)電流如圖6所示，LCI起動(dòng)期間，發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器GCB斷開，主變通過廠變倒送電運(yùn)行，LCI起動(dòng)回路流過的電流對(duì)主變差動(dòng)保護(hù)來說為不平衡電流，但不至于導(dǎo)致主變差動(dòng)誤動(dòng)。

圖6 主變差動(dòng)保護(hù)扣除LCI起動(dòng)電流

如果此時(shí)圖6中k1點(diǎn)故障，可能導(dǎo)致主變差動(dòng)誤動(dòng)，造成事故范圍擴(kuò)大。對(duì)此有如下兩種解決方案。

方案1：在并網(wǎng)發(fā)電前可以退出主變差動(dòng)保護(hù)，投入發(fā)電機(jī)低頻過電流保護(hù)，待并網(wǎng)發(fā)電后再投入主變差動(dòng)保護(hù)。實(shí)際上，此時(shí)發(fā)電機(jī)低頻過電流保護(hù)完全可以保護(hù)k1點(diǎn)，而且靈敏度更好。

方案2：根據(jù)LCI輸出端隔離開關(guān)的輔助觸頭，動(dòng)態(tài)選擇主變差動(dòng)保護(hù)的范圍。LCI起動(dòng)期間，主變差流計(jì)算不計(jì)入發(fā)電機(jī)機(jī)端CT1的電流；當(dāng)LCI退出運(yùn)行時(shí)，主變差流計(jì)算計(jì)入發(fā)電機(jī)機(jī)端CT1的電流[15]。

現(xiàn)場(chǎng)一般多采用方案2。

3.3 逆功率保護(hù)和低頻保護(hù)

技術(shù)條件提出變頻起動(dòng)過程中，逆功率保護(hù)和低頻保護(hù)應(yīng)退出運(yùn)行，主要原因是在起動(dòng)過程中燃?xì)廨啓C(jī)組從LCI吸收功率，處于逆功率狀態(tài)，且機(jī)組頻率較低，低于低頻保護(hù)定值，因此逆功率保護(hù)和低頻保護(hù)均存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，在變頻起動(dòng)過程中應(yīng)退出。

4 電氣量變頻計(jì)算方法

電力系統(tǒng)是基于額定頻率運(yùn)行的，正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差限值可以放寬到±0.5Hz[16]。序分量計(jì)算是電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的基本算法之一，由于電力系統(tǒng)頻率變化很小，因此以往的序分量計(jì)算都是基于系統(tǒng)額定頻率進(jìn)行的，但在一些新的應(yīng)用場(chǎng)合，如燃?xì)廨啓C(jī)組的變頻起動(dòng)過程，或系統(tǒng)解列事故導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組輸出功率突降過程中，發(fā)電機(jī)組仍處于三相對(duì)稱運(yùn)行，但其頻率將快速變化或在低頻下運(yùn)行，以往基于額定頻率的序分量計(jì)算方法不再適用。為此，業(yè)內(nèi)研究了一種適用于電力系統(tǒng)工作頻率變化情況下的序分量計(jì)算方法。

式中，為采樣點(diǎn)數(shù)。

2）采用非線性加速算法式（3）對(duì)采樣頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)以確保當(dāng)前采樣頻率與電氣量當(dāng)前采樣頻率偏差不大于固定門檻。

3）采用固定數(shù)據(jù)窗傅里葉算法求取三相電氣量的實(shí)部和虛部，進(jìn)而求取電氣量的正、負(fù)、零序 分量。

使用某燃機(jī)電廠起動(dòng)過程的波形數(shù)據(jù)對(duì)該電氣量變頻計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，以電壓為例，得到如圖7所示的波形，可以看出，當(dāng)電壓頻率大于2Hz時(shí)，頻率跟蹤非常迅速，電壓幅值計(jì)算效果也較為理想，滿足技術(shù)條件中要求燃?xì)廨啓C(jī)組電氣量在10～55Hz頻率范圍計(jì)算準(zhǔn)確的要求，解決了常規(guī)傅里葉算法在變頻過程中計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤的問題。

圖7 起動(dòng)過程變頻算法波形

5 結(jié)論

本文根據(jù)大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)特點(diǎn)，結(jié)合DL/T 1505—2016《大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》的頒布執(zhí)行，就大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的定子接地保護(hù)、定子匝間保護(hù)、LCI系統(tǒng)直流接地保護(hù)、主變差動(dòng)保護(hù)等的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，內(nèi)容總結(jié)如下：

1）不同容量、不同接地方式的機(jī)組，定子接地保護(hù)配置存在差異，需要考慮鐵磁諧振造成PT燒毀及定子接地保護(hù)誤動(dòng)的問題，必要時(shí)可以增加一次消諧設(shè)備和調(diào)整定子接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

2）對(duì)于沒有匝間專用PT、未配置匝間保護(hù)的燃?xì)廨啓C(jī)組，可以考慮增配自產(chǎn)縱向零序電壓匝間保護(hù)以完善匝間保護(hù)性能。

3）在LCI變頻起動(dòng)過程中，中性點(diǎn)接地變投入運(yùn)行時(shí)需配置LCI直流系統(tǒng)接地保護(hù)，此外本文還提出了兩種解決該過程中主變差動(dòng)保護(hù)易誤動(dòng)的 措施。

4）在LCI變頻起動(dòng)過程中，以往基于額定頻率的序分量計(jì)算方法不再適用，需采用變頻計(jì)算方法。

本文所討論的原則對(duì)于規(guī)范我國(guó)大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)繼電保護(hù)配置和設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置換型升級(jí)具有指導(dǎo)意義。

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Research on key technology of protection for large capacity gas-turbine generator set

ZHONG Shouping WANG Honglin CHEN Jiasheng CHEN Jun

(Nanjing NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In this paper, according to the present situation of gen-transformer unit protection configuration on gas-turbine power plant in China, combined with DL/T 1505—2016 General Specifications for Large Capacity Gas-Turbine Generator Protection Equipment, key technologies such as stator grounding protection, stator inter-turn protection, load commutated inverter (LCI) DC grounding protection, and main transformer differential protection and frequency conversion algorithm of gas turbine generator are studied, thus guaranteeing the safe and steady operation of gas-turbine power plant, standardizing the configuration of protection standard and guiding the technical upgrade.

gas turbine generator; protection configuration; stator grounding protection; stator inter-turn protection

國(guó)家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目（NY20150403A-1）

2021-06-30

2021-08-16

鐘守平（1986—），男，湖北鐘祥人，碩士，工程師，主要從事電力主設(shè)備繼電保護(hù)研究、開發(fā)工作。