燃氣輪機啟動過程對發電機差動保護的影響

王紹輝

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

燃氣輪機啟動過程對發電機差動保護的影響

王紹輝

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

燃氣輪發電機組配置的保護基本與同容量的汽輪機組配置的保護相同，但還要根據燃汽輪機組啟動過程中具有的特征及影響，增設相應的保護和對有影響的保護采取適當的措施以保證其正常運行。本文就燃氣輪發電機組的啟動方式及特征和對發電機差動保護的影響進行闡述，最后得出：燃氣輪機啟動過程中，發電機差動保護仍是定子繞組內部和引線的相間短路的主保護，但有不足，可以增設低頻過流保護加以彌補。

燃氣輪發電機組；差動保護；靈敏度；變頻器；低頻過流保護

1 燃氣輪機組系統的主接線及配置

燃氣輪機組系統的主接線及配置如圖1所示。

圖1 燃氣輪機組系統主接線及配置圖

圖1中，G為發電機組；MT為升壓變壓器；AT是高壓廠用變壓器；ET是勵磁變壓器；AET是輔助勵磁變壓器；SFC是靜止變頻器；AVR發電機的勵磁調節器；DL是升壓變壓器高壓側斷路器；GCB機端斷路器；DSF是變頻器的投切開關；DSE是勵磁變低壓側投切開關；DSAE是輔助勵磁變壓器低壓側投切開關；CBF是變頻器隔離變壓器高壓側斷路器；CBAE是輔助勵磁變壓器高壓側斷路器；JB是中性點端接地變壓器；JK是接地開關；LK是勵磁開關。

2 燃氣輪機組的啟動方式

燃氣輪發電機組的啟動過程為：①斷開機端斷路器GCB和接地開關JK，斷開勵磁變低壓側投切開關DSE；②合變高壓側斷路器DL，向高廠變AT及廠用電系統供電；③合輔助勵磁變壓器高壓側斷路器CBAE和低壓側開關DSAE，合勵磁開關LK；④合變頻器SFC隔離變壓器高壓側斷路器CBF和變頻器的投切開關DSF；⑤變頻器SFC的控制器啟動并向發電機定子注入變頻器的70%額定電流，同時在控制器控制下加大機組勵磁電流，使機組能慢速啟動；⑥當轉速達到27%的發電機額定轉速時，開始對燃汽輪機組管道吹風清洗之后點火暖機；⑦變頻器按啟動、清洗、點火、暖機和加速階段實時控制變頻器電流，機組在SFC及燃氣輪機的聯合作用下轉速緩慢上升，直至轉速達到70%的額定轉速（2 100r/min）；⑧關閉變頻器SFC，斷開變頻器隔離變壓器高壓側斷路器CBF和變頻器的投切開關DSF，關閉勵磁調節器AVR，跳勵磁開關LK；⑨當轉速N達到額定轉速3 000r/min時，合勵磁開關LK并啟動勵磁調節器AVR給發電機加勵磁電流，發電機機端電壓Ug逐漸上升到額定電壓后，斷開輔助勵磁變壓器低壓側開關DSAE和高壓側開關CBAE，投切合勵磁變壓器低壓側開關DES，勵磁電源改由機端的勵磁變壓器供電，發電機組處在自并勵磁的空載額定電壓運行，可按常規的準同期方式并網［1-4］。

3 燃氣輪機啟動過程對發電機差動保護的影響

有學者認為，燃汽輪機組啟動過程中運行頻率極低，SFC給出的低頻電流又小，發電機用電流互感器TA二次電流不能正確傳變一次電流的大小和相位，特別是在發生發電機定子繞組內部和引線的相間短路后，TA更不能傳變二次電流，且會有較大失真，繼而引發發電機差動保護誤動或拒動，因此在啟動過程中發電機差動保護應退出運行。筆者對此有不同的看法，供大家參考。

3.1 有關參數

3.1.1 靜止變頻器（SFC）額定參數。大型燃汽輪機組額定電流為：

一般情況下，大型燃汽輪機組是由靜止變頻器拖動啟動。靜止變頻器的容量約是發電機額定容量的1%～2%，這里取2%，額定電壓是發電機額定電壓的0.17（約1/6）倍，其最大額定輸出電流是：

式中：SSN是靜止變頻器的額定容量；USN是變頻器的輸出額定電壓；SgN、UgN、IgN分別是發電機的額定容量、額定電壓和額定電流。

3.1.2發電機正常運行的機端短路電流。燃氣機組正常額定運行時，機端三相短路故障電流為：

式中：Eq0是發電機橫軸感應電勢；X?d是發電機次暫態電抗；ωn是發電機額定角速度，L?d是發電機定子繞組的次暫態電感。

大型發電機的次暫態縱軸電抗標幺值大約為0.2～0.25，約取0.25，則有正常額定運行時的機端三相短路故障電流為：

可見，該三相短路故障電流是額定電流的4倍。

3.1.3啟動過程中的短路電流

①啟動初期的短路電流。考慮到燃氣輪發電機組在啟動過程中，啟動、清洗、暖機等過程時間較長，發電機剛啟動時的啟動頻率較低，大約是額定頻率的1/10，按此時參數計算的啟動過程中機端三相短路電流（最大值）為：

②啟動末期的短路電流。當發電機轉速升至0.7倍的額定轉速時，即將要關閉SFC和輔助勵磁，此時發電機轉速約為0.7ωn，機端三相短路短路電流（最小值）為：

啟動過程中，發電機轉速為0.10～0.7倍額定轉速時，機端三相短路故障電流為：

可見，此時的機端三相短路故障電流是額定運行機端三相短路故障電流的1.67～0.24倍，是發電機額定電流的6.67～0.95倍。

3.2 發電機中性點側TA能否正確傳變

3.2.1 發電機正常運行時TA傳變參數。發電機用電流互感器TA二次額定容量一般較大，最小也有50VA；當二次額定電流為5A時，其所帶的最大負荷阻抗是ZTA.fzn=50/52=2Ω；當二次額定電流為1A時，其所帶的最大負荷阻抗是ZTA.fzn=50/12=50Ω。可見，1A的TA所帶的最大負載是5A的25倍，工程上一般要求選取1A的TA，但人們對發電機用TA仍習慣選用5A的較多，現在以5A的TA來討論。

3.2.2 TA的二次負荷。電流互感器TA的二次負荷是由連接導線阻抗、保護裝置的輸入阻抗與接觸電阻之和組成的，TA的二次負荷可寫成：

式中：Rjx和Xjx分別是連接導線的接線電阻、電抗，以截面積為2.5mm2、長為50m為例，電阻率是9.22Ω·m，電抗率是0.12mΩ/m，電阻率是電抗率的76倍，長為50m的接線電阻、電抗分別是 Rjx=50×9.22=0.461Ω，Xjx=50×0.12=0.006Ω。Rsr和Xsr分別是保護裝置的輸入電阻電抗，保護裝置說明書表明5A的最大功率消耗不大于1VA，有輸入阻抗是：Zsr=Rsr+jXsr=1/52=0.04Ω，與接線電阻相差小11倍。Rjc是連接端頭的接觸電阻，一般一個接觸頭的接觸電阻不會大于0.05Ω，按4個接觸頭計算，接觸電阻Rjc=0.2Ω。

整個TA的二次負荷約是Zfzn=0.461+0.04+0.2=0.701Ω，不到TA額定負荷2Ω的一半，符合TA使用條件，TA不會飽和能正常傳變二次電流。

3.2.3 低頻啟動時TA的勵磁阻抗。靜止變頻器啟動頻率約為 ωs=(0.1～0.7)ωn，ωn是發電機額定頻率。

由（7）可知，低頻啟動過程中機端短路電流是發電機額定電流的6.67～0.95倍，流過中性點側互感器TA一次電流最小也接近發電機的額定電流，最大電流比正常運行三相短路電流還大1.7倍，TA的工作磁密度和磁場強度都不會小，勵磁阻抗沒有發生實質性變化仍約為無窮大（TA二次負荷也沒有變化，所以TA不會飽和仍能正常傳變二次電流，不會影響發電機差動保護的正常測量判斷）。

3.3 發電機差動保護整定值

3.3.1 發電機差動保護整定值。發電機差動保護整定值仍可按常規汽輪機組整定原則計算整定，無需設置啟動過程的整定值。

3.3.2 靈敏系數驗算。設差動保護最小動作定值：Iop.0=0.4IgN，最小制動電流為：Ires.0=0.8IgN，比率制動斜率整定為：S=0.4。前面已計算了，低頻啟動過程中機端短路電流是發電機額定電流：=(6.67～0.95)IgN，取區內最小短路電流計算靈敏系數：Ksen=0.95IgN/0.4IgN=2.38＞1.5，滿足要求。

3.4 低頻過流保護

低頻過流保護電流取自發電機中性點側互感器TA1。當短路點是在保護區外K2點短路，差動保護不能反映是保護死區。盡管SFC能快速關斷SFC提供的短路電流，但發電機在勵磁作用下仍有較大的短路電流，這就要依靠新增設的低頻過流保護動作反應停機。

前面已闡述了低頻啟動過程中機端短路時，TA能正確傳變其二次電流，所以低頻過流保護能正確動作反應，其動作整定值可按靜止變頻器（SFC）的額定電流來計算，即低頻過流保護整定值：

式中：Is.max是靜止變頻器（SFC）的最大額定輸出電流，由（2）知：Is.max=0.12IgN，Krel是可靠系數，取1.2～1.3，NTA是燃氣發電機中性點電流互感器變比。

低頻過流保護由低頻過流元件和SFC起動合閘開關、主斷路器的輔助接點相“與”組成，可設一短延時值來躲過變頻器的暫態過沖干擾的影響。

4 結論

通過分析燃汽輪機組啟動過程中的特征，尤其是啟動中短路電流的變化和機端TA二次負載的情況，最后得出雖然燃氣輪機和同容量的汽輪機保護配置上大致相同，但在啟動過程中發電機差動保護的性能下降，甚至存在死區，盡管SFC能快速關斷SFC提供的短路電流，但發電機在勵磁作用下仍有較大的短路電流，這就需要增設低頻過流保護，提升發電機保護在啟動過程中的速動性和靈敏性。

［1］王維儉.電氣主設備繼電保護原理和應用［M］.2版.北京：中國電力出版社，2002.

［2］國家電力調度通信中心.國家電網繼電保護培訓教材［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］國家能源局.DL/T 684-2012，大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［4］DL/T866-2004，電流互感器和電壓互感器選擇及計算導則［S］.北京：中國電力出版社，2004.

Influence of Gas Turbine Start-up on Generator Differential Protection

Wang Shaohui
（Xuji Electric Limited Corporation，Xuchang Henan 461000）

In The protection of the gas turbine generator set is basically the same as that of the same ca?pacity steam turbine configuration.But based on the characteristics and effects of the start-up process of the steam turbine,adding additional protection and affecting the protection to take appropriate measures to ensure its normal operation.The following describes the starting mode and characteristics of the gas turbine generator set and the influence on the differential protection of the generator,Finally,it is concluded that the differential protection of the generator is still the main protection of the inter-phase short circuit be?tween the stator windings and the lead wire during the start-up of the gas turbine,but there is insufficient to add the low-frequency overcurrent protection to make up.

gas turbine generator set；differential protection;sensitivity；static frequency converter；low frequen?cy overcurrent protection

TM311

A

1003-5168（2017）12-0134-03

2017-11-01

王紹輝（1976-），男，本科，工程師，研究方向：電力系統繼電保護。