燃气轮发电机组继电保护配置

陈亮

(广东省电力设计研究院，广州市，510663)

0 引言

随着我国经济社会的快速发展，人们越来越关注能源系统的环境问题。传统的燃煤电厂排放污染物较多，而以天然气、燃料油或工业伴生气为燃料的燃气轮机发电形式，由于其投资省、效率高、运行方式灵活、调峰性能和环保性能优越，近年来得到了较快发展［1-4］。

燃气轮发电机组与常规燃煤机组的主要区别包括:(1)燃气轮机组不能自行启动，大容量燃气轮发电机一般采用变频启动方式［5］，由外部电源经静态变频装置(static freqency converter，SFC)给电机定子绕组供电，并经启动励磁装置供给励磁绕组励磁电源;(2)燃气轮机变频启动过程中，发电机定子电流较小，机端电压较低，吸收有功功率，电机处于同步电动机运行模式。

本文基于燃气轮发电机变频启动的过程，针对燃煤机组常规保护原理误动情况、特殊保护功能的补充或闭锁设置、保护配置差异进行了分析。

1 变频启动过程中的特殊保护

1.1 发电机启动过流保护

典型的燃气轮发电机组主接线如图1所示。

图1 燃气轮发电机组继电保护配置方案Fig.1 Relay protection configuration of gas turbine generator unit

在燃气轮机启动过程中，发电机的定子电流较小，最大约为7%额定电流，发电机的频率变化范围为0.05～33.3 Hz，机端电压约为17%额定电压，发电机U/f值为0.25～1.0。考虑到发电机的电抗与频率成正比，也由工频值下降至相应值，尽管机端电压维持在较低值，此短路电流也是相当大的［6］，启动过程持续时间较长，而发电机差动保护、相间后备保护在低频时保护的灵敏性降低，且频率越低，灵敏系数越低，因此必须增设专门针对启动期间相间故障的启动过流保护，该保护可按躲过变频启动过程中的最大负荷电流(0.07Ie)整定。

启动过流保护由SFC输出端隔离开关的辅助触点控制。当SFC投入时，该保护投入运行;当SFC切除时，该保护立即退出。

1.2 发电机定子接地保护

发电机的外壳都是接地的，因此定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍。文献［7］规定，对100 MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时也可以动作于停机。

燃煤机组的发电机100%定子接地保护，常利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧三次谐波电压的比值和基波零序电压组合构成。然而燃气轮发电机组在变频启动过程中，为防止SFC直流侧发生接地而形成直流2点接地，进而烧坏发电机中性点接地变压器，发电机中性点接地隔离开关需要断开，启动结束后再闭合。因此，变频启动过程中的发电机定子接地保护无法取得中性点侧零序电压，零序电压只能取自发电机端侧PT开口三角，该保护定值可按启动时的一次电压来计算，应躲开正常运行时的不平衡电压(含三次谐波电压)，以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。一般来说，该定值比按发电模式整定的零序电压定值要低得多，这也意味着按发电模式设定的定子接地保护在启动过程中的保护范围极小。

发电机定子接地保护同样由SFC输出端隔离开关的辅助触点控制，在SFC切除时，保护立即退出。

1.3 主变差动保护

燃气轮机变频启动期间，发电机出口断路器断开，主变通过厂变倒送电运行。发电机定子绕组中流过较小的低频电流，当图1中K1点发生短路故障时，SFC和燃气轮机同时向故障点提供短路电流，而主变高压侧和高厂变侧的电流没有变化，此时发电机启动过流保护完全可以保护K1点，而且灵敏度更好，且只需动作于灭磁，无需解列和切换厂用电。

基于以上分析，可通过SFC输出端隔离开关的辅助触点，动态控制主变差动保护的范围:变频启动期间，主变差动保护不计算发电机机端CT1的电流，仅计算主变高压侧和高厂变高压侧电流;燃气轮机以发电机模式运行时，主变差动保护计算发电机机端、主变高压侧和高厂变高压侧的电流。

1.4 变频启动期间需闭锁的保护功能

如1.1节所述，在燃气轮机变频启动过程中，发电机的频率变化为0.05～33.3 Hz，机端电压很低，约为17%额定电压，因此发电机低频保护、低电压保护、频率异常保护应闭锁，发电机并网后再投入运行。

燃气轮机变频启动过程中，电机处于同步电动机运行模式，吸收有功，尽管该逆功率较小，但此时机端阻抗仍有可能进入发电机失磁保护阻抗圆之内而使之动作，因此发电机失磁保护也宜闭锁，待发电机并网后再投入运行。

上述保护闭锁都可经发电机出口断路器辅助接点实现。

需要指出的是，燃气轮发电机组启动过程中发电机作为同步电动机运行，也存在失步异常工况的可能，但考虑启动时间较短，系统发生失步振荡的几率低，专设复杂的同步电动机失步保护和再整步自动装置必要性不大。

2 同步发电机并网模式下保护的特点

2.1 逆功率保护

文献［8］规定，燃气轮发电机应装设逆功率保护，保护宜带时限动作于信号，并应延时动作于解列。常规燃煤机组的发电机逆功率保护定值一般整定为(0.5% ～1%)Pn。

变频启动期间，燃气轮机吸收有功功率，电机处于同步电动机运行模式，电机本身的最大反向功率约为1.2%Pn，且燃气轮机还需拖动同轴的压气机［9］，而后者消耗的压缩功率较大，即逆功率值可达到其燃气发电功率的数量级。因此，燃气轮机的逆功率保护定值需适当提高，可按躲过机组启动的最大功率进行整定，一般为10%Pn以上，这样，保护在燃机变频启动过程中也不会误动，无需闭锁。

2.2 程序跳闸逆功率保护

程序跳闸出口的作用是防止某些异常运行保护动作于停机时，发电机出口断路器断开，而燃气轮机燃气关断门或蒸汽轮机主汽门未关闭导致的原动机超速“飞车”事故。但对燃气轮机组而言，此时仍需拖动同轴的压气机，因此，燃机保护动作可不设程序跳闸出口，在发电机保护配置时可取消程序跳闸逆功率保护。

2.3 发电机频率异常保护

文献［10］规定，300 MW及以上的汽轮机，运行中允许的频率变化为48.5～50.5 Hz。

与汽轮机组不同，燃气轮机组异频运行时，除考虑叶片的频率特性外，还需考虑燃气轮机低频燃烧时的稳定性，以及由此而带来的联合循环机组出力的变化。目前，对燃气轮机组异频运行及时间无统一标准，应综合考虑发电机组和电力系统的要求，并根据制造厂家提供的技术参数确定。

3 燃气轮机组继电保护典型配置方案

文献［7］规定，对于100 MW及以上发电机变压器组的保护，除非电量保护外，应双重化配置。由于发电机与变压器之间设有断路器，发电机与变压器单独装设纵联差动保护。考虑主变带高厂变倒送电运行的工况，为方便运行，主变和高厂变保护宜与发电机保护相互独立，整套保护按5面屏配置，其中主变和高厂变保护组2面屏，发电机和励磁变组2面屏，非电量保护和其他辅助装置组1面屏。

300 MW及以上燃气轮发电机组典型的继电保护配置见表1，主变保护配置为:主变差动保护(87 MT)、主变相间后备保护、主变接地后备保护、主变过励磁保护、主变过负荷保护、主变启动风冷、主变低压零序电压报警、PT断线判别、CT断线判别及其他保护功能。

表1 典型300 MW及以上燃气轮发电机保护投退情况Tab.1 Input and withdrawal situation of protection in gas

4 结论

(1)增设启动工况下的发电机启动过流保护、定子接地保护，在SFC切除时保护立即退出。

(2)燃气轮机变频启动过程中，发电机频率低、定子电压低，发电机低频保护、定子低电压保护、频率异常保护在启动期间应闭锁;电机处于同步电动机运行模式，发电机失磁保护也宜闭锁，上述保护待发电机并网后再投入运行。

(3)通过SFC输出端隔离开关的辅助触点，可动态控制主变差动保护的范围，实现启动期间的两侧差动和并网后的三侧差动。

(4)燃气轮发电机应装设逆功率保护，但逆功率保护定值需适当提高，保护在燃气轮机变频启动过程中也不会误动。

(5)燃气轮机不会出现汽轮发电机的超速问题，燃气轮机保护动作可不设程序跳闸出口，可取消程序跳闸逆功率保护。

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