大型燃气轮发电机定子接地保护方案

沈全荣，王磊，陈俊，严伟

(1.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102； 2.上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240)

0 引言

国内大型燃气轮发电机组(以下简称燃气机组)由国外公司提供燃气轮发电机(以下简称燃机)成套设备的设计和供货，国内公司负责除了燃机以外的电厂其余部分的设计和供货。由于业内有关人员对燃气机组的设计缺乏了解，燃机电厂的继电保护方案基本上是参考相似容量的常规燃煤机组而进行设计的，这样会存在一定的安全隐患。已有不少文献对燃气机组的继电保护方案进行了探讨，克服了以往继电保护方案存在的一些不足[1-3]，但没有文献提出完整的大型燃机定子接地保护的解决方案，以往在大型燃机上应用的定子接地保护方案大多都有一些不足之处。

近年来，国内大型燃气机组项目越来越多，国内主机厂通过引进国外的技术，具备了燃机的生产和供货能力，燃机继电保护设备也逐步实现了国产化，积累了一些现场运行经验。分析国内三大主机厂的燃机工程设计方案发现，燃机机端电压互感器(PT)和中性点接地变压器的接地方式存在一定差异，不能直接套用传统燃煤机组定子接地保护方案(一般为基波零序电压型定子接地保护+三次谐波电压型定子接地保护)，需要根据其特殊的运行方式精心设计，提出完整的大型燃气轮发电机定子接地保护解决方案。

1 大型燃机的电气特点及其对定子接地保护的影响

1.1 大型燃机变频启动过程的电气特征

大型燃机机组不能自行启动，需要利用机组外的动力源启动机组。大容量燃机一般采用变频启动方式，由另外电源(如电厂6 kV厂用电源)经静止变频器(LCI)给发电机定子绕组供电，并经启动励磁装置供给励磁绕组励磁电源(如图1所示)，发电机处于同步电动机运行模式。

图1 燃气轮机组变频启动接线图

变频启动过程中的电气特征：以国内某主机厂供货的390 MW燃机为例，在变频启动过程中，发电机定子电流较小，最大为7%额定电流，机端电压较低，为17%额定电压，发电机转速为0～2 000 r/min(自保持转速)，频率为0～33.3 Hz，发电机的过励磁倍数范围为0.25～1.00，吸收有功功率，反向有功功率为1.2%额定有功功率。

1.2 LCI直流侧接地对中性点接地变压器的影响

由于发电机中性点接地变压器和发电机定子绕组的直流电阻均极低，中性点接地相当于直流一点接地，LCI在变频启动过程中，一旦LCI直流侧发生接地故障，相当于直流两点接地(如图2所示)，这样就会将产生极大的直流短路电流，可达到接地变压器额定电流的数百倍[4]，会在短时间内损伤发电机中性点接地变压器。

图2 LCI直流侧接地示意

为了保护发电机中性点接地变压器，一般采用以下2种解决方案：

(1)LCI在变频启动过程中，将中性点接地刀闸拉开，相当于取消了直流接地点，避免在LCI直流接地故障时形成直流两点接地，待LCI变频启动结束退出后，再自动投入接地变压器。

(2)LCI在变频启动过程中，发电机中性点接地刀闸处于合闸位置，在发电机中性点侧装设直流取样电阻，配置LCI直流接地保护，用于检测LCI直流接地故障，并快速动作于跳闸。

对于第1种方案，LCI变频启动过程中取自发电机中性点的零序电压型定子接地保护会失去作用。

对于第2种方案，作者认为不宜推荐，由于启动过程中发电机中性点存在直流接地点，一旦发生LCI直流侧接地故障，由于直流短路电流很大，即使LCI直流接地保护快速动作，也可能会造成接地变压器损伤。因此，作者建议采用第1种方案，即在LCI变频启动期间，将发电机中性点接地刀闸拉开，待启动过程结束后再将该刀闸合上。

1.3 机端PT谐振问题处理及对定子接地保护的影响

对于燃煤机组，发电机机端一般设置3组PT，其中2组PT的一次中性点接地(如图3a所示)，其开口三角可检测机端对地零序电压，用于定子单相接地故障检测，另一组PT的一次中性点不接地，与发电机中性点直接相连，该PT的开口三角可检测纵向零序电压，用于定子绕组匝间故障检测。

对于大型燃气机组来说，PT如果按照燃煤机组的方式配置，在工频条件下，一次中性点直接接地的电磁式PT的感抗远大于系统的容抗，但在变频启动过程的低频条件下，电磁式PT的感抗下降，而系统容抗却上升，为2个参数的匹配而引发PT谐振创造了可能。国内已有多个燃气电厂发生过机端PT谐振现象，引发发电机定子匝间保护和启、停机定子接地保护动作跳闸停机，甚至因谐振导致PT烧毁[3]。

为了避免变频启动过程中发电机机端PT产生谐振，有的燃机工程设计时将发电机机端PT的一次中性点不接地(如图3b所示)。

图3 机端PT示意

由于机端PT的一次中性点不接地，PT的开口三角无法测量机端对地零序电压，因此，同时利用机端和中性点零序电压构成的定子接地保护均受到影响，如三次谐波电压比率定子接地保护和三次谐波电压差动保护均无法应用。

2 大型燃机定子接地保护方案

2.1 机端PT一次中性点不接地情况下的定子接地保护

当机端PT的一次中性点不接地时，该PT的开口三角无法测量机端对地零序电压，若对发电机中性点附近的定子接地故障提供检测，可采取以下3种保护方案。

(1)中性点三次谐波欠电压定子接地保护。当发电机中性点附近发生单相接地故障时，中性点三次谐波电压降低，利用该特征构成如下判据

(1)

式中：Un3为发电机中性点零序电压三次谐波幅值，Un3.set为中性点三次谐波欠电压定值；U1为发电机机端正序电压；UN为发电机二次额定相电压。

当满足式(1)时，延时动作于信号。 根据并网前和并网后各种工况下的中性点最低三次谐波电压值来整定，可靠系数取1.3～1.5。该原理可对发电机中性点附近的定子接地故障起到一定的保护作用，但灵敏度比较低，对于某些气隙磁场正弦度较好的机组来说，由于定子绕组本体三次谐波电压比较小，该原理甚至无法应用。

(2)利用主变压器低压侧零序电压实现的三次谐波电压型定子接地保护。在该方案中，定子接地保护的机端零序电压取自发电机机端断路器(GCB)上方的主变压器低压侧PT开口三角，该PT的一次中性点是接地的，通常用于主变压器带厂用变压器在倒送电情况下的低压侧母线绝缘监测，在大型燃机变频启动过程中，由于发电机机端GCB未合闸，该PT与LCI没有电气联系，因此不受LCI变频启动的影响。当燃机机组并网后，该PT即可检测发电机机端对地零序电压，因此，可以用于机组并网后的三次谐波电压型定子接地保护。为了提高三次谐波电压型定子接地保护的可靠性，应增加主变压器低压侧PT开口三角断线判据，利用正常并网运行情况下PT开口三角零序电压中的三次谐波分量接近于零来判断是否断线，延时动作于报警，该判据在机组并网前退出。采用以上方案后，传统三次谐波电压比率保护和三次谐波电压差动保护均可在燃机机组并网后正常使用。

(3)注入低频电压式定子接地保护。大型燃机均采用发电机中性点经变压器电阻接地方式，且燃气机组的定子绕组对地电容不大，使得接地变压器二次负载电阻值不会太小，为应用注入式定子接地保护原理创造了良好的条件，可实现高灵敏100%定子接地保护。

注入式定子接地保护一般采用20 Hz和12.5 Hz低频注入电源，从发电机中性点接地变压器二次负载电阻上将低频信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中，实时求解接地过渡电阻值，从而判定定子接地故障。与传统定子接地保护原理相比，注入式定子接地保护的独特优势是不受发电机运行工况的影响，能够实现未加励磁电压状态下的定子对地绝缘监测。另外，该原理不依赖机端零序电压，保护范围覆盖整个定子绕组，且具有较高的灵敏度，比较适合在大型燃机上应用。对于机端PT一次中性点不接地的场合，无法实现三次谐波电压比率保护和三次谐波电压差动保护，注入式定子接地保护可以弥补中性点三次谐波欠电压定子接地保护灵敏度低的不足，提升了大型燃气轮机组定子接地保护的性能。

2.2 变频启动过程中的定子接地保护

在变频启动过程中，发电机中性点接地刀闸拉开无法取得中性点零序电压，因此，为兼顾该运行方式，在启动过程中的零序电压定子接地保护应取发电机机端零序电压，并采用不受频率影响的算法，以适应低频启动过程。该保护经过发电机GCB位置接点闭锁，在机组并网后退出运行。此外，由于中性点接地刀闸的拉开，使低频电压信号无法注入到定子绕组对地的零序回路，因此，在该过程中注入式定子接地保护也无法提供接地故障检测功能。

对于机端PT一次中性点不接地的机组，如果变频启动过程中发电机中性点接地刀闸拉开，则机端和中性点零序电压均无法获取，因此，无法实现启动过程定子接地保护，考虑到发电机中性点不接地，且变频启动过程中定子电压较低，即使发生定子单相接地故障，接地故障电流也比较小，不会损坏定子绕组绝缘，因此，没有发电机定子接地保护也是可以接受的。

2.3 大型燃机定子接地保护方案

根据以上分析结果，针对大型燃机的实际情况，作者提出了以下定子接地保护方案。

(1)发电机定子接地保护按双重化配置，第1套方案为100%定子接地保护采用基波零序电压定子接地保护+基于主变压器低压侧零序电压的三次谐波电压型定子接地保护(或发电机中性点三次谐波欠电压定子接地保护)；第2套方案为100%定子接地保护采用注入式定子接地保护。

(2)在变频启动过程中，定子接地保护取发电机机端零序电压。

以上大型燃机定子接地保护方案，兼顾了国内三大主机厂的设计需求，克服了以往定子接地保护方案存在的不足，为大型燃气轮发电机提供了完善的定子接地保护。

3 结论

本文分析了大型燃气轮发电机的特点及其对定子接地保护的要求，提出了完整的定子接地保护解决方案，得出了如下结论：

(1)对于机端PT一次中性点不接地的机组，三次谐波电压型定子接地保护宜取主变压器低压侧零序电压作为机端零序电压。

(2)宜配置注入式定子接地保护设施。

(3)在启动过程中，定子接地保护宜取发电机机端零序电压。

参考文献：

[1]孙茗.大型燃气-蒸汽联合循环电厂发电机保护设计特点[J].电力勘测设计，2005(6)：48-52.

[2]黄蕾，姚挺生，沈俪，等.9FA型燃气蒸汽联合循环发电机组的国产保护设备配置方案[J].电力自动化设备，2009，29(12)：122-126.

[3]王文志，余芳.浅析前湾燃气轮发电机继电保护配置及运行情况[J].电力系统保护与控制，2010，38(11)：130-132.

[4]吴聚业.关于大型燃气-蒸汽联合循环发电机组继电保护系统设计的若干问题[J].电力勘测设计，2008(4)：33-41.