大型燃氣輪發電機組保護關鍵技術研究

鐘守平 王洪林 陳佳勝 陳 俊

大型燃氣輪發電機組保護關鍵技術研究

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）

本文針對我國大型燃氣輪發電機組保護配置現狀，結合DL/T 1505—2016《大型燃氣輪發電機組繼電保護裝置通用技術條件》，就燃氣輪機的定子單相接地保護、定子繞組匝間保護、負載換相型變頻器（LCI）直流接地保護、主變差動保護和變頻算法的關鍵技術進行研究，以求有效保障燃氣輪機的安全穩定運行，規范大型燃氣輪發電機組保護配置并指導現場技術改造。

燃氣輪機；保護配置；定子接地保護；定子匝間保護

0 引言

近年來隨著我國工業的發展，環境問題頻發，燃氣發電作為一種成熟可靠的清潔能源，迎來了加速發展的契機。十二五期間隨著大型燃氣-蒸汽聯合循環電廠的不斷建設，燃氣輪發電機組繼電保護設備國產化水平逐漸提高[1]。隨著燃氣發電廠總量的增多、運行機組和運行時間的穩步增加，業內對大型燃氣輪發電機組保護逐漸形成共識[2-3]，制定了DL/T 1505—2016《大型燃氣輪發電機組繼電保護裝置通用技術條件》（以下簡稱“技術條件”）。

大型燃氣輪發電機多配備負載換相型變頻器（load commutated inverter, LCI），由LCI系統為發電機提供起動轉矩。起動過程中，發電機定子繞組電流最大約為額定電流的7%，機端電壓最大值約為額定電壓的17%[4]，發電機轉子轉速介于0～2 000r/min區間，對應定子側電氣量的頻率為0～33.3Hz，發電機的/值范圍為0.25～1.0[5]。在此過程中，采用常規傅里葉算法計算電氣量的正、負、零序分量會導致計算結果錯誤，部分保護的靈敏度可能下降，甚至無法動作，而另一些保護可能誤動。因此業內對于燃氣輪機組保護的研究，多集中在變頻起動過程中保護元件需做的特殊處理，或應新增的保護功能。例如，在起動過程中采用非線性加速的變頻序分量計算方法，在起動過程中配置定子接地保護的必要性及原理方案[6-7]等。

技術條件對燃氣輪機組因變頻起動需要特殊處理或新增的保護做出了要求，比如定子接地保護、匝間保護、LCI直流接地保護、主變差動保護、逆功率保護和低頻保護等。本文結合技術條件，對這些保護及保護涉及的變頻算法等關鍵技術進行研究，以期規范大型燃氣輪機組保護的配置，保障燃氣發電廠的安全穩定運行。

1 定子接地保護

大型燃氣輪發電機組與常規發電機組相比，存在起停次數多、起動過程工況復雜、需要LCI變頻拖動等特殊情況，發生定子接地故障的概率較高。另外，對于不同容量的機組，其中性點接地方式也各不相同，如大容量機組一般采用接地變接地、消弧線圈接地等方式，小容量機組有時會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設計也有所差異。此外，鐵磁諧振也是必須要考慮的問題，現場已出現多起因為諧振或者消諧裝置而導致定子接地保護誤動作或者誤報警的案例[8-10]。

1.1 燃氣輪機定子接地保護配置方案

大型燃氣輪發電機組按照雙重化配置原則，配置兩套定子接地保護，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，B套采用低頻信號注入式定子接地保護[11]。對于小型燃氣輪發電機，一般僅配置基波零序電壓+三次諧波電壓100%定子接地保護。燃機在起機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，零序電壓計算應采用變頻算法，保證10～55Hz頻率范圍計算準確，同時退出三次諧波定子接地保護和注入式定子接地保護電阻判據。

LCI起動過程中為了避免LCI系統直流接地時形成很大的直流電流，一般會將發電機中性點的接地點斷開，導致無法測量中性點零序電壓，只能測量機端電壓，因此在這種情況下低頻定子接地保護應采用發電機機端PT。

機組在拖動起機過程中，由于頻率較低，互感器感抗較低而機組接地電容容抗較高，可能形成并聯諧振回路，并聯諧振不會產生高電壓但是會導致PT過電流，PT過載能力很弱，短時間過電流可能導致PT燒毀。為避免這種情況，可以在起動過程中將機端PT一次側中性點不接地，這樣可以斷開并聯回路。但是這種情況下機端PT無法測量零序電壓，相當于沒有接地保護[5]。

1.2 鐵磁諧振對定子接地保護的影響

鐵磁諧振過電壓是電力系統中的一種非線性共振現象[12]，機組中性點采用不同的接線方式，其機端出現鐵磁諧振的風險也不一樣。對于中性點不接地的小型機組，由于零序回路阻抗較大，存在發生穩定鐵磁諧振的風險，圖1為某100MW燃氣機組機端出現鐵磁諧振時的電壓波形，根據波形可知，A、B相電壓有效值分別在110V、130V左右，明顯飽和，機端零序電壓有效值達到155V，遠遠超過單相金屬性接地時的最大電壓，表明發生了過頻諧振過電壓。

圖1 某100MW燃氣機組機端鐵磁諧振電壓波形

對于中性點經接地變接地、經高阻或者經消弧線圈接地的方式，由于中性點接地電阻或電抗遠小于PT電抗，零序性質的擾動能量會直接通過接地回路釋放，一般情況下不會導致PT飽和，因此會大大降低發生鐵磁諧振的概率[13]。但是需要注意的是，采用消弧線圈接地時，消弧線圈會與定子繞組對地電容形成LC線性諧振回路，諧振回路電阻越小，衰減時間越長。圖2為某經消弧線圈接地的機組主變高壓側單相接地恢復后的發電機機端電壓波形，由圖可知，故障恢復后機端零序電壓經過10個以上周波才慢慢減小到0。

圖2 消弧線圈與對地電容的諧振衰減波形

鐵磁諧振會產生明顯的零序電壓，造成定子接地保護誤動，嚴重的鐵磁諧振還會造成系統過電壓和PT過電流，導致損毀發電機機端PT，因此有必要采取措施抑制鐵磁諧振現象[14]。

1.3 機端PT鐵磁諧振預防措施

中性點經接地變接地的大型燃氣機組，一般會采用注入式定子接地保護。如果在機端PT安裝了二次消諧裝置，當二次消諧裝置出現故障導致零序回路電阻減小到0時，就會導致注入式定子接地保護誤動[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，為注入式定子接地保護增加基波零序電壓閉鎖功能。

對于中性點經消弧線圈接地方式，機端母線出現擾動時可能會在定子繞組接地電容和消弧線圈之間形成短時間的LC諧振，諧振頻率接近工頻時會出現比較大的基波分量，可能導致定子接地保護誤動。為避免這種情況出現，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，也可以適當增加定子接地保護的動作時間，以躲開振蕩過程。

2 定子繞組匝間保護

2.1 縱向零序電壓原理

燃氣輪機組由于定子繞組中性點引出方式比較單一，無法配置不完全縱差保護、裂相橫差保護、單元件橫差保護等高靈敏定子匝間故障保護，一般配置縱向零序電壓匝間保護，該保護取機端匝間專用PT（互感器一次中性點和發電機中性點直接電纜連接，不接地）開口三角零序電壓作為動作量。

為增加保護動作可靠性，可以經負序功率方向元件閉鎖；為防止PT一次斷線導致誤動作，需具有專用PT一次斷線判別閉鎖匝間保護的邏輯；延時定值需躲過PT一次斷線的判別時間。

2.2 自產縱向零序電壓原理

某些燃氣輪發電機，特別是進口機組，未配置發電機定子匝間保護。發電機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去反應，一般動作于信號，對快速切除定子匝間故障無能為力，所以大型燃氣輪發電機未配置定子匝間保護存在一定的安全隱患。

對于機端沒有匝間專用PT的發電機，可以應用負序功率方向匝間保護原理，負序功率計算的電壓取自發電機機端PT，電流可以采用機端電流或中性點電流。但該原理存在以下不足：發電機并網前，由于沒有電流，無法計算功率，因此該階段不能反應定子匝間故障。

由于未配置匝間保護，這些機組一般未安裝匝間專用PT，后期實現定子匝間保護需要重新設計施工，工期長，投資大。為此業內研究了自產縱向零序電壓原理，無需改動一次設備，即可實現定子匝間保護功能[15]。

發電機機端和中性點零序電壓測量如圖3所示，PT1為普通PT，其開口三角測量機端對地零序電壓，PT2為匝間專用PT，其開口三角測量縱向零序電壓，PTn用于中性點零序電壓測量。

圖3 發電機機端和中性點零序電壓測量

定子繞組縱向零序電壓等于機端對地零序電壓與中性點對地零序電壓之差。在沒有PT2的情況下，利用PT1和PTn可以自產縱向零序電壓，完成發電機定子繞組匝間快速保護，并實現真正的雙重化。

為了補償發電機機端零序電壓PT電壓比與發電機中性點零序電壓PT電壓比不一致、中性點接地變壓器短路阻抗對自產縱向零序電壓的影響，計算時需要引入1個復數補償系數，縱向零序電壓、機端零序電壓和中性點零序電壓應滿足

某電廠8號發電機定子C相1分支首尾匝間短路，自產縱向零序電壓保護正確動作，與理論值33.3V吻合。自產縱向零序電壓波形如圖4所示。

圖4 自產縱向零序電壓波形

3 其他保護

3.1 LCI直流系統接地保護

由于發電機中性點接地變壓器和發電機定子繞組直流電阻均極低，中性點接地相當于直流一點接地，在LCI變頻起動過程中，如果中性點接地變壓器投入時LCI直流側發生接地故障，相當于直流兩點接地，將產生極大的直流短路電流，可達到接地變壓器額定電流的數百倍，將會在短時間內損傷發電機中性點接地變壓器。為此需設置LCI系統直流接地保護[15]。LCI直流側接地保護示意圖如圖5所示。

圖5 LCI直流側接地保護示意圖

變頻起動過程中，發電機中性點接地開關處于合閘位置，在發電機中性點側裝設直流取樣電阻，配置LCI直流接地保護，用于檢測LCI直流接地故障，并快速動作于跳閘，其并聯信號類型為±150mV信號或±20mA信號。

3.2 主變差動保護

主變差動保護扣除LCI起動電流如圖6所示，LCI起動期間，發電機機端斷路器GCB斷開，主變通過廠變倒送電運行，LCI起動回路流過的電流對主變差動保護來說為不平衡電流，但不至于導致主變差動誤動。

圖6 主變差動保護扣除LCI起動電流

如果此時圖6中k1點故障，可能導致主變差動誤動，造成事故范圍擴大。對此有如下兩種解決方案。

方案1：在并網發電前可以退出主變差動保護，投入發電機低頻過電流保護，待并網發電后再投入主變差動保護。實際上，此時發電機低頻過電流保護完全可以保護k1點，而且靈敏度更好。

方案2：根據LCI輸出端隔離開關的輔助觸頭，動態選擇主變差動保護的范圍。LCI起動期間，主變差流計算不計入發電機機端CT1的電流；當LCI退出運行時，主變差流計算計入發電機機端CT1的電流[15]。

現場一般多采用方案2。

3.3 逆功率保護和低頻保護

技術條件提出變頻起動過程中，逆功率保護和低頻保護應退出運行，主要原因是在起動過程中燃氣輪機組從LCI吸收功率，處于逆功率狀態，且機組頻率較低，低于低頻保護定值，因此逆功率保護和低頻保護均存在誤動的風險，在變頻起動過程中應退出。

4 電氣量變頻計算方法

電力系統是基于額定頻率運行的，正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz。當系統容量較小時，偏差限值可以放寬到±0.5Hz[16]。序分量計算是電力系統應用領域的基本算法之一，由于電力系統頻率變化很小，因此以往的序分量計算都是基于系統額定頻率進行的，但在一些新的應用場合，如燃氣輪機組的變頻起動過程，或系統解列事故導致發電機組輸出功率突降過程中，發電機組仍處于三相對稱運行，但其頻率將快速變化或在低頻下運行，以往基于額定頻率的序分量計算方法不再適用。為此，業內研究了一種適用于電力系統工作頻率變化情況下的序分量計算方法。

式中，為采樣點數。

2）采用非線性加速算法式（3）對采樣頻率進行調節以確保當前采樣頻率與電氣量當前采樣頻率偏差不大于固定門檻。

3）采用固定數據窗傅里葉算法求取三相電氣量的實部和虛部，進而求取電氣量的正、負、零序 分量。

使用某燃機電廠起動過程的波形數據對該電氣量變頻計算方法進行驗證，以電壓為例，得到如圖7所示的波形，可以看出，當電壓頻率大于2Hz時，頻率跟蹤非常迅速，電壓幅值計算效果也較為理想，滿足技術條件中要求燃氣輪機組電氣量在10～55Hz頻率范圍計算準確的要求，解決了常規傅里葉算法在變頻過程中計算結果出現錯誤的問題。

圖7 起動過程變頻算法波形

5 結論

本文根據大型燃氣輪發電機特點，結合DL/T 1505—2016《大型燃氣輪發電機組繼電保護裝置通用技術條件》的頒布執行，就大型燃氣輪發電機的定子接地保護、定子匝間保護、LCI系統直流接地保護、主變差動保護等的關鍵技術進行了研究，內容總結如下：

1）不同容量、不同接地方式的機組，定子接地保護配置存在差異，需要考慮鐵磁諧振造成PT燒毀及定子接地保護誤動的問題，必要時可以增加一次消諧設備和調整定子接地保護動作時間。

2）對于沒有匝間專用PT、未配置匝間保護的燃氣輪機組，可以考慮增配自產縱向零序電壓匝間保護以完善匝間保護性能。

3）在LCI變頻起動過程中，中性點接地變投入運行時需配置LCI直流系統接地保護，此外本文還提出了兩種解決該過程中主變差動保護易誤動的 措施。

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

本文所討論的原則對于規范我國大型燃氣輪發電機繼電保護配置和設計，指導現場保護裝置換型升級具有指導意義。

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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

國家能源應用技術研究及工程示范項目（NY20150403A-1）

2021-06-30

2021-08-16

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