燃氣汽輪機啟動過程對發電機差動保護的影響分析

李 穎

（唐山中厚板材有限公司，河北 唐山 063000）

燃氣汽輪機作為一種新型的發電裝置，不僅內部的結構較為緊湊，而且體積也較小，不少控制設計的理念也較為先進。可以看出燃氣汽輪機啟動系統是一套非常先進的啟動系統。本文結合實際案例具體分析燃氣汽輪機啟動過程對發電機差動保護的影響。

1 燃氣汽輪機概述

1.1 燃氣汽輪機概念

燃氣汽輪機本身是以連續流動的氣體作為動力來帶動葉輪進行高速運轉，并將燃料的能源轉化為內燃動力的一種旋轉葉輪式熱力發動機。燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣透平機三大部件組成。大多數燃氣輪機都是采用最為簡單的循環方式來進行建設[1]。一般而言，燃氣輪機的結構較為簡單，且在使用的過程中不僅體積較輕，啟動的速度也較快，具有較多的優點。近年來，燃氣汽輪機作為一種高效環保的裝置一直都在推動世界向前發展。包括世界著名的西門子和三菱公司都有生產燃氣汽輪機，其本身運行的效率都較高。

1.2 燃氣輪機啟動系統

燃氣輪機是一種新型的發電裝置，不僅結構非常緊湊，而且體積較小。另外燃氣輪機本身的控制系統和控制理念都相對較為先進。但是，從使用的過程中看，燃氣輪機啟動系統是一套非常穩定和成熟的系統，由于涉及的理念和要求有所不同，可以有效地設計不同樣式的燃氣輪機。單軸布置方式和多軸布置方式為最常用的燃氣輪機。而燃氣輪機的啟動系統會對電機差動保護產生較大的影響。

1.3 燃氣輪機組的啟動方式

一般而言，燃氣輪機組的啟動方式如下：第一，直接斷開機斷路器GCB和接地開關，就能夠在之后直接斷開低壓側開關DSE。第二，作為高壓側的斷路器DL,可以直接向其他工廠內部的用電系統供電[2]。第三，如果燃氣輪機組的轉速一旦達到整體的27%，則可以先清洗燃氣輪機組，之后再通過點火的方式來暖機。第四，可以先按照啟動、清洗、點火和其他順序來控制變頻電流，之后再在SFC和燃氣輪機組相互聯合的基礎上緩慢上升，并讓其轉速達到額定轉速的70%。

2 發電機差動保護

發電機差動保護又被稱為比率縱差保護。這是一種比較發電機兩端電流大小和方向的保護。這種保護方式能夠靈敏地反映出發電機組和線相之間的故障。這也屬于一種發電機相間短路之間的主保護。

在發電機差動保護的背景下，其可以表現出如下幾點優勢：第一用戶可以根據實際運行的情況來進行相應的保護，真正做到適合實際情況。第二，各大保護功能都會相對獨立，并可以將保護定值、時限和閉鎖條件結合在一起，并有效地進行配置。第三，發電機差動保護能夠不依賴任何的通信網絡及逆行保護，從而滿足電力系統對保護提出的要求。

3 燃氣汽輪機啟動過程對發電機差動保護的影響

在燃氣汽輪機運行的過程中，其會對發電機差動保護產生如下的影響：

3.1 對相關參數的影響

在一般情況下，其大型燃汽機組將會直接從靜止變頻器一端開始拖動，從而有效地啟動。可以看出，靜止變頻器本身的容量會是發電機額定容量的2%。二期額定電壓也會是發電額定電壓的1/6。可以看出，其額定輸出的電流為：

可以看出，算式中的SsN指的是靜止變頻器內部的額定容量，USN指的是變頻器內部額輸出電壓，SgN、UgN和IgN指的分別是發電機的額定容量、發電機的額定電壓和發電機的額定電流。

3.2 啟動過程中存在的短路電流

在啟動短路電流時，需要全面考慮燃氣發電機組在啟動、清洗和暖機過程中所耗費的時間。在實際剛啟動的過程中，發電機的頻率較低，大約只是額定功率的1/10。在計算啟動過程中的三相短路電流值為：

其中，式子中的Iks.max指的是啟動過程中存在的三相短路電流，Eqos指的是啟動過程中，發電機所產生的橫軸感應電勢，xds指的是啟動過程中發電機本身的額電抗狀態。只有明確每個變量不同的內涵，才能夠更好地明確燃氣汽輪機啟動過程中對發電機差動保護的影響。

3.3 發電機中性點側TA的正確傳變

一般而言，發電機用的電流互感器內部的二次容量值一般較大，但是，其最小值也只有50VA。如果二次額定電流為5A，所帶的最大的負荷阻抗為ZTR/fzn=2Ω。當二次額定電流設定為1A時，其所帶的最大的負荷阻抗為ZTAfzn=50Ω。從以上的數據可以看出，1A所能夠帶來的最大負載是5A的25倍。所以，在一般工程發展的過程中，都可以選擇1A電流。但是，大多數人還是選擇5A的器具。

3.4 TA二次負荷

電流互感器內部的TA的二次負荷主要是由連線導線抗組、保護裝置和接觸電阻組成的。內部的TA二次負荷可以被寫成：

Zfzn=Rjx+Rjx+jXsr+Rjc

其中，算式中的Rjx和Xjx分別表示導線內部的連線電阻和電抗。如果其電阻的截面積為2.5mm2，其長度為50m，則其電阻率會變為9.22Ω.m，電抗率主要為0.12Mω/m。其電阻率將為電抗率的76倍[3]。其中，Rsr和Xsr主要為保護裝置內部的輸入電阻電抗。如果保護裝置內部的值表明為5A，則其最大功率的消耗值將不大于1VA，最終，其輸入阻抗的值為0.04Ω，但接觸頭內部的電阻不會相差超過0.05Ω。如果只是按照4個接觸頭來計算，則其接觸電阻最終為0.2Ω。

3.5 低頻啟動TA勵磁阻抗

在實際操作的過程中，低頻過程中啟動的機端短路電流將會是發電機額定電流的6.65倍。其流過中性點一側互感器內部的最小電流也將會是接近發電機的額定電流。內部最大的電流將會比正常運行的三相電流大1.7倍。所以，整體工作的磁場和密度都不會小，勵磁阻抗并沒有發生實質性的變化。所以，在實際執行的過程中，TA即便不會飽和卻也能夠傳輸二次電流，但是卻也不會影響發電機差動保護的發生。

3.6 低頻過流保護

低頻過流保護裝置與發電機中性點側互感器將會保持一致。內部的短路點與保護區外部的點將會保持一致。所以，從實際發展的過程看，差動保護將不能夠反應保護狀態。SFC能夠在短時間內能夠快速關斷所提供的短路電流。但是，在實際發電勵磁作用下仍然會存在較大大電流，必要時則需要靠新增設的低頻過流保護動作來有效地停機。

可以看出，TA確實能夠傳遞二次電流，所有低頻過流保護都能夠反應正確的動作。其與動作相關的整定值可以和變頻器的額定電流聯合在一起，最終變成低頻過流保護整定值。

Idp.set=KrelIs.Imax/NTA=0.12KrelIgN=0.16IgN/NTA

可以看出，算式中的Is.max指的是靜止變頻器，SFC表示的最大額定輸出電流。通過計算可以得知Is.max=0.12。其中，Krel為可靠的系數，總體數值介于1.2-1.3。從上文的描述也可以看出，低頻過流保護是由低頻過流元件和SFC起動裝置、合閘開關、主斷路器和其他輔助接點有效地組成的。一般也可以設定短延時值來有效地躲避變頻器產生的干擾影響。

4 結論

通過分析汽輪機啟動過程中所表現出的特征，就可以明白啟動過程中短路電流產生的變化和其他負載的情況。因此可以得知，雖然燃氣輪機的容量和汽輪機配置大致相同。但是，在實際啟動的過程中，發電機差動保護的性能也就會隨之下降，甚至在操作的過程中存在死區[4]。在實際操作的過程中，SFC開關雖能夠在短時間內斬斷短路電流，但在電機勵磁作用下仍然會產生較大的短路電流。所以，必要時一定要通過增設低頻過流保護裝置來提升發電機本身的流動性和靈敏性。