燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)配置

陳亮

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市，510663)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注能源系統(tǒng)的環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)的燃煤電廠(chǎng)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(jī)發(fā)電形式，由于其投資省、效率高、運(yùn)行方式靈活、調(diào)峰性能和環(huán)保性能優(yōu)越，近年來(lái)得到了較快發(fā)展［1-4］。

燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組與常規(guī)燃煤機(jī)組的主要區(qū)別包括:(1)燃?xì)廨啓C(jī)組不能自行啟動(dòng)，大容量燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)一般采用變頻啟動(dòng)方式［5］，由外部電源經(jīng)靜態(tài)變頻裝置(static freqency converter，SFC)給電機(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;(2)燃?xì)廨啓C(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)定子電流較小，機(jī)端電壓較低，吸收有功功率，電機(jī)處于同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式。

本文基于燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)變頻啟動(dòng)的過(guò)程，針對(duì)燃煤機(jī)組常規(guī)保護(hù)原理誤動(dòng)情況、特殊保護(hù)功能的補(bǔ)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(dòng)過(guò)程中的特殊保護(hù)

1.1 發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)

典型的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組主接線(xiàn)如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)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(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)的定子電流較小，最大約為7%額定電流，發(fā)電機(jī)的頻率變化范圍為0.05～33.3 Hz，機(jī)端電壓約為17%額定電壓，發(fā)電機(jī)U/f值為0.25～1.0。考慮到發(fā)電機(jī)的電抗與頻率成正比，也由工頻值下降至相應(yīng)值，盡管機(jī)端電壓維持在較低值，此短路電流也是相當(dāng)大的［6］，啟動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、相間后備保護(hù)在低頻時(shí)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(zhuān)門(mén)針對(duì)啟動(dòng)期間相間故障的啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)，該保護(hù)可按躲過(guò)變頻啟動(dòng)過(guò)程中的最大負(fù)荷電流(0.07Ie)整定。

啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)由SFC輸出端隔離開(kāi)關(guān)的輔助觸點(diǎn)控制。當(dāng)SFC投入時(shí)，該保護(hù)投入運(yùn)行;當(dāng)SFC切除時(shí)，該保護(hù)立即退出。

1.2 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)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(duì)100 MW及以上的發(fā)電機(jī)，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(shí)限動(dòng)作于信號(hào)，必要時(shí)也可以動(dòng)作于停機(jī)。

燃煤機(jī)組的發(fā)電機(jī)100%定子接地保護(hù)，常利用發(fā)電機(jī)固有的三次諧波電勢(shì)，以發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)和機(jī)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(jī)組在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，為防止SFC直流側(cè)發(fā)生接地而形成直流2點(diǎn)接地，進(jìn)而燒壞發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地隔離開(kāi)關(guān)需要斷開(kāi)，啟動(dòng)結(jié)束后再閉合。因此，變頻啟動(dòng)過(guò)程中的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)無(wú)法取得中性點(diǎn)側(cè)零序電壓，零序電壓只能取自發(fā)電機(jī)端側(cè)PT開(kāi)口三角，該保護(hù)定值可按啟動(dòng)時(shí)的一次電壓來(lái)計(jì)算，應(yīng)躲開(kāi)正常運(yùn)行時(shí)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(shí)在發(fā)電機(jī)端所產(chǎn)生的零序電壓。一般來(lái)說(shuō)，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(dòng)過(guò)程中的保護(hù)范圍極小。

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

1.3 主變差動(dòng)保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)變頻啟動(dòng)期間，發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi)，主變通過(guò)廠(chǎng)變倒送電運(yùn)行。發(fā)電機(jī)定子繞組中流過(guò)較小的低頻電流，當(dāng)圖1中K1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，SFC和燃?xì)廨啓C(jī)同時(shí)向故障點(diǎn)提供短路電流，而主變高壓側(cè)和高廠(chǎng)變側(cè)的電流沒(méi)有變化，此時(shí)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)完全可以保護(hù)K1點(diǎn)，而且靈敏度更好，且只需動(dòng)作于滅磁，無(wú)需解列和切換廠(chǎng)用電。

基于以上分析，可通過(guò)SFC輸出端隔離開(kāi)關(guān)的輔助觸點(diǎn)，動(dòng)態(tài)控制主變差動(dòng)保護(hù)的范圍:變頻啟動(dòng)期間，主變差動(dòng)保護(hù)不計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)端CT1的電流，僅計(jì)算主變高壓側(cè)和高廠(chǎng)變高壓側(cè)電流;燃?xì)廨啓C(jī)以發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行時(shí)，主變差動(dòng)保護(hù)計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)端、主變高壓側(cè)和高廠(chǎng)變高壓側(cè)的電流。

1.4 變頻啟動(dòng)期間需閉鎖的保護(hù)功能

如1.1節(jié)所述，在燃?xì)廨啓C(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)的頻率變化為0.05～33.3 Hz，機(jī)端電壓很低，約為17%額定電壓，因此發(fā)電機(jī)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(jī)并網(wǎng)后再投入運(yùn)行。

燃?xì)廨啓C(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)處于同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式，吸收有功，盡管該逆功率較小，但此時(shí)機(jī)端阻抗仍有可能進(jìn)入發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)阻抗圓之內(nèi)而使之動(dòng)作，因此發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)也宜閉鎖，待發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后再投入運(yùn)行。

上述保護(hù)閉鎖都可經(jīng)發(fā)電機(jī)出口斷路器輔助接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

需要指出的是，燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也存在失步異常工況的可能，但考慮啟動(dòng)時(shí)間較短，系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩的幾率低，專(zhuān)設(shè)復(fù)雜的同步電動(dòng)機(jī)失步保護(hù)和再整步自動(dòng)裝置必要性不大。

2 同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模式下保護(hù)的特點(diǎn)

2.1 逆功率保護(hù)

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

變頻啟動(dòng)期間，燃?xì)廨啓C(jī)吸收有功功率，電機(jī)處于同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式，電機(jī)本身的最大反向功率約為1.2%Pn，且燃?xì)廨啓C(jī)還需拖動(dòng)同軸的壓氣機(jī)［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(jí)。因此，燃?xì)廨啓C(jī)的逆功率保護(hù)定值需適當(dāng)提高，可按躲過(guò)機(jī)組啟動(dòng)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(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程中也不會(huì)誤動(dòng)，無(wú)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(yùn)行保護(hù)動(dòng)作于停機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi)，而燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)怅P(guān)斷門(mén)或蒸汽輪機(jī)主汽門(mén)未關(guān)閉導(dǎo)致的原動(dòng)機(jī)超速“飛車(chē)”事故。但對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組而言，此時(shí)仍需拖動(dòng)同軸的壓氣機(jī)，因此，燃機(jī)保護(hù)動(dòng)作可不設(shè)程序跳閘出口，在發(fā)電機(jī)保護(hù)配置時(shí)可取消程序跳閘逆功率保護(hù)。

2.3 發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)

文獻(xiàn)［10］規(guī)定，300 MW及以上的汽輪機(jī)，運(yùn)行中允許的頻率變化為48.5～50.5 Hz。

與汽輪機(jī)組不同，燃?xì)廨啓C(jī)組異頻運(yùn)行時(shí)，除考慮葉片的頻率特性外，還需考慮燃?xì)廨啓C(jī)低頻燃燒時(shí)的穩(wěn)定性，以及由此而帶來(lái)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的變化。目前，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)組異頻運(yùn)行及時(shí)間無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)綜合考慮發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)的要求，并根據(jù)制造廠(chǎng)家提供的技術(shù)參數(shù)確定。

3 燃?xì)廨啓C(jī)組繼電保護(hù)典型配置方案

文獻(xiàn)［7］規(guī)定，對(duì)于100 MW及以上發(fā)電機(jī)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(jī)與變壓器之間設(shè)有斷路器，發(fā)電機(jī)與變壓器單獨(dú)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。考慮主變帶高廠(chǎng)變倒送電運(yùn)行的工況，為方便運(yùn)行，主變和高廠(chǎng)變保護(hù)宜與發(fā)電機(jī)保護(hù)相互獨(dú)立，整套保護(hù)按5面屏配置，其中主變和高廠(chǎng)變保護(hù)組2面屏，發(fā)電機(jī)和勵(lì)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(jī)組典型的繼電保護(hù)配置見(jiàn)表1，主變保護(hù)配置為:主變差動(dòng)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(guò)勵(lì)磁保護(hù)、主變過(guò)負(fù)荷保護(hù)、主變啟動(dòng)風(fēng)冷、主變低壓零序電壓報(bào)警、PT斷線(xiàn)判別、CT斷線(xiàn)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(jī)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(dòng)工況下的發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)、定子接地保護(hù)，在SFC切除時(shí)保護(hù)立即退出。

(2)燃?xì)廨啓C(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)頻率低、定子電壓低，發(fā)電機(jī)低頻保護(hù)、定子低電壓保護(hù)、頻率異常保護(hù)在啟動(dòng)期間應(yīng)閉鎖;電機(jī)處于同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)也宜閉鎖，上述保護(hù)待發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后再投入運(yùn)行。

(3)通過(guò)SFC輸出端隔離開(kāi)關(guān)的輔助觸點(diǎn)，可動(dòng)態(tài)控制主變差動(dòng)保護(hù)的范圍，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)期間的兩側(cè)差動(dòng)和并網(wǎng)后的三側(cè)差動(dòng)。

(4)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)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(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程中也不會(huì)誤動(dòng)。

(5)燃?xì)廨啓C(jī)不會(huì)出現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)的超速問(wèn)題，燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)動(dòng)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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