燃汽轮发电机断路器拒动的危害性分析及解决方案

李嘉翔

前言

M251S型燃汽轮发电机机组是由日本三菱重工高砂制作所制造，其发电机组采用的是济南发电机厂生产的WY16Z-037LLT型发电机。某日燃气轮机正常停机过程中，发电机出口断路器未能正常分开，发电机变成电动机逆功率运行，其运行功率达到38 MW，远远超出发电机额定功率28.5 MW。短时间的严重超负荷运行造成发电机严重烧毁。

1　M251S型燃气轮发电机组的结构

1.1　本体结构

M251S型燃机本体内的动力及传动设备，主要由燃机透平、空气压缩机、煤气压缩机、发电机组以及联接它们的主齿轮箱组成。

在正常的工作状态，由燃料通过管道进入本体燃烧室内燃烧，产生的高温高压气体通过燃机透平做功。燃机透平通过主齿轮箱带动其他几大动力设备运转。燃机透平是整个机组的动力输出设备。

1.2　故障原因

根据现场数据估算各设备的额定功率如表1。

图1　主要动力设备结构图

表1　各设备额定功率表 MW

如表1，正常工作时燃机透平Q1为系统提供原动力，满足：Q1=Q2+Q3+Q4

各设备都在额定功率范围内运行。

当发生燃机透平熄火失去原动力，且发电机无法正常与电网解列时,其发电机将变成电动机成为系统的原动力（若发电机励磁跳开，发电机将变成异步电动机运行；若发电机励磁正常工作，发电机将变成同步电动机运行）。

此时的功率分布为：Q4=Q1+Q2+Q3

此时，如表1所示，发电机逆功率时负荷达到38 MW，严重超负荷运行，将导致发电机损毁。

2　消除燃气轮发电机组逆功率故障的方案

根据上述情况分析，运行过程必须保证燃气轮机停、跳机时，发电机同步解列。根据现场具体情况，提出3种消除该隐患的方案。

2.1　串接断路器（方案一）2.1.1 原理

在发电机出口增设1台断路器（发电机1#断路器），与原有发电机出口断路器（发电机0#断路器）共同串接在发电机出线上，如图2所示。常规状况下，“发电机1#断路器”处于合位，由“发电机0#断路器”完成日常的并网、解列工作。只有在“发电机0#断路器”拒动时，联跳“发电机1#断路器”，完成发电机解列动作，从而提升发电解列的可靠性（取2 s的延时是为了躲避发电机出口断路器的动作时间）。

图2　发电机电气主接线图

图3　串接断路器流程图

2.1.2优缺点

优点：发电机采用双出口断路器能够大大提升设备动作的可靠性，同时其逻辑非常简单，易于日常的生产运行和设备维护，且不会造成事故的进一步扩大，益于生产的稳定。

缺点：由于增设了1台断路器，其投资成本将大大提高，同时需要增设1面出线柜和1面线路中转柜。其设备占用空间也将受到限制。

2.2　DCS上增设连锁跳上一级进线开关（方案二）

2.2.1原理

在燃气配套余热汽轮机组DCS系统中，增设联锁装置。检测燃机（GTC）的运行信号、燃机发电机出口断路器的分、合状态信号。当系统检测到燃机（GTC）停运状态且燃机发电机出口断路器未及时分开时，DCS联锁装置将动作，发电跳闸信号，经过2 s延时后联跳发电机所在的母线的进线，通过切除母线上的所有电源，从而将发电机与电网分开（取2 s的延时是为了躲避发电机出口断路器的动作时间）。

图4　发电机电气主接线图

图5　逻辑图

2.2.2优缺点

优点：无需追加投资，只需要采集现有的信号，通过DCS系统增设联锁实现。

缺点：当故障发生，通过跳开进线从而停发电母线，将导致事故面积进一步扩大，同时DCS的可靠性、灵敏度满足不了电气保护的要求，有出现误动或者拒动的可能。

2.3　采用专用的发电机断路器失灵保护装置（方案三）

2.3.1原理

目前300 MW 及以上并且机端有断路器的机组，应装设机端断路器失灵保护。当发电机保护动作于机端断路器跳闸但断路器失灵时，跳开主变高压侧断路器并启动厂用电切换。机端断路器失灵保护。

由发电机保护出口接点和能快速返回的相电流、负序电流判别元件组成。

其原理图如图6。

图6　发电机失灵保护原理图

该装置为了躲避发电机出口断路器的动作时间，因此其控制精度取0.2～0.5 s的延时。

2.3.2优缺点

优点：采用了专门的失灵保护装置，能保证发电机组停、跳机过程的稳定性，能有效地避免发电机组严重损毁和电网崩溃等问题。相对于方案二更加专业，可靠性更强。

缺点：与方案二相似的，增设失灵保护，同样存在保护误动的可能，同样会造成事故范围进一步扩大。

3　结束语

发电机出口断路器拒动，对于小型的常规发电机组来说无非是短时间逆功率运行，通过人为断开上级和相邻的电源，能够确保发电机组安全停下来。但是对于燃气轮机以及大型的发电机组来说，发电机出口断路器失灵拒动将导致机组的严重损坏甚至危及电网安全。因此必须对其增设相应的保护措施。

一般机组建议采用专用的发电机断路器失灵保护装置；对于发电母线运行要求高，不允许轻易停电的情况下，建议采用第一种增设断路器的方法；对于老旧的发电机组保护改造升级困难的可参考方案二临时性预防风险。

[参考文献]

[1]徐颖娟.浅谈断路器失灵保护在电力系统的应用[J].广东科技，2012，21（13）：82－83.

[2]兀鹏越，孙钢虎，徐金，许寅智，刘国荣.发电机断路器失灵保护判据问题探讨[J]. 电气技术，2012（12）：74－77.