燃气汽轮机启动过程对发电机差动保护的影响分析

李 颖

（唐山中厚板材有限公司，河北 唐山 063000）

燃气汽轮机作为一种新型的发电装置，不仅内部的结构较为紧凑，而且体积也较小，不少控制设计的理念也较为先进。可以看出燃气汽轮机启动系统是一套非常先进的启动系统。本文结合实际案例具体分析燃气汽轮机启动过程对发电机差动保护的影响。

1 燃气汽轮机概述

1.1 燃气汽轮机概念

燃气汽轮机本身是以连续流动的气体作为动力来带动叶轮进行高速运转，并将燃料的能源转化为内燃动力的一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平机三大部件组成。大多数燃气轮机都是采用最为简单的循环方式来进行建设[1]。一般而言，燃气轮机的结构较为简单，且在使用的过程中不仅体积较轻，启动的速度也较快，具有较多的优点。近年来，燃气汽轮机作为一种高效环保的装置一直都在推动世界向前发展。包括世界著名的西门子和三菱公司都有生产燃气汽轮机，其本身运行的效率都较高。

1.2 燃气轮机启动系统

燃气轮机是一种新型的发电装置，不仅结构非常紧凑，而且体积较小。另外燃气轮机本身的控制系统和控制理念都相对较为先进。但是，从使用的过程中看，燃气轮机启动系统是一套非常稳定和成熟的系统，由于涉及的理念和要求有所不同，可以有效地设计不同样式的燃气轮机。单轴布置方式和多轴布置方式为最常用的燃气轮机。而燃气轮机的启动系统会对电机差动保护产生较大的影响。

1.3 燃气轮机组的启动方式

一般而言，燃气轮机组的启动方式如下：第一，直接断开机断路器GCB和接地开关，就能够在之后直接断开低压侧开关DSE。第二，作为高压侧的断路器DL,可以直接向其他工厂内部的用电系统供电[2]。第三，如果燃气轮机组的转速一旦达到整体的27%，则可以先清洗燃气轮机组，之后再通过点火的方式来暖机。第四，可以先按照启动、清洗、点火和其他顺序来控制变频电流，之后再在SFC和燃气轮机组相互联合的基础上缓慢上升，并让其转速达到额定转速的70%。

2 发电机差动保护

发电机差动保护又被称为比率纵差保护。这是一种比较发电机两端电流大小和方向的保护。这种保护方式能够灵敏地反映出发电机组和线相之间的故障。这也属于一种发电机相间短路之间的主保护。

在发电机差动保护的背景下，其可以表现出如下几点优势：第一用户可以根据实际运行的情况来进行相应的保护，真正做到适合实际情况。第二，各大保护功能都会相对独立，并可以将保护定值、时限和闭锁条件结合在一起，并有效地进行配置。第三，发电机差动保护能够不依赖任何的通信网络及逆行保护，从而满足电力系统对保护提出的要求。

3 燃气汽轮机启动过程对发电机差动保护的影响

在燃气汽轮机运行的过程中，其会对发电机差动保护产生如下的影响：

3.1 对相关参数的影响

在一般情况下，其大型燃汽机组将会直接从静止变频器一端开始拖动，从而有效地启动。可以看出，静止变频器本身的容量会是发电机额定容量的2%。二期额定电压也会是发电额定电压的1/6。可以看出，其额定输出的电流为：

可以看出，算式中的SsN指的是静止变频器内部的额定容量，USN指的是变频器内部额输出电压，SgN、UgN和IgN指的分别是发电机的额定容量、发电机的额定电压和发电机的额定电流。

3.2 启动过程中存在的短路电流

在启动短路电流时，需要全面考虑燃气发电机组在启动、清洗和暖机过程中所耗费的时间。在实际刚启动的过程中，发电机的频率较低，大约只是额定功率的1/10。在计算启动过程中的三相短路电流值为：

其中，式子中的Iks.max指的是启动过程中存在的三相短路电流，Eqos指的是启动过程中，发电机所产生的横轴感应电势，xds指的是启动过程中发电机本身的额电抗状态。只有明确每个变量不同的内涵，才能够更好地明确燃气汽轮机启动过程中对发电机差动保护的影响。

3.3 发电机中性点侧TA的正确传变

一般而言，发电机用的电流互感器内部的二次容量值一般较大，但是，其最小值也只有50VA。如果二次额定电流为5A，所带的最大的负荷阻抗为ZTR/fzn=2Ω。当二次额定电流设定为1A时，其所带的最大的负荷阻抗为ZTAfzn=50Ω。从以上的数据可以看出，1A所能够带来的最大负载是5A的25倍。所以，在一般工程发展的过程中，都可以选择1A电流。但是，大多数人还是选择5A的器具。

3.4 TA二次负荷

电流互感器内部的TA的二次负荷主要是由连线导线抗组、保护装置和接触电阻组成的。内部的TA二次负荷可以被写成：

Zfzn=Rjx+Rjx+jXsr+Rjc

其中，算式中的Rjx和Xjx分别表示导线内部的连线电阻和电抗。如果其电阻的截面积为2.5mm2，其长度为50m，则其电阻率会变为9.22Ω.m，电抗率主要为0.12Mω/m。其电阻率将为电抗率的76倍[3]。其中，Rsr和Xsr主要为保护装置内部的输入电阻电抗。如果保护装置内部的值表明为5A，则其最大功率的消耗值将不大于1VA，最终，其输入阻抗的值为0.04Ω，但接触头内部的电阻不会相差超过0.05Ω。如果只是按照4个接触头来计算，则其接触电阻最终为0.2Ω。

3.5 低频启动TA励磁阻抗

在实际操作的过程中，低频过程中启动的机端短路电流将会是发电机额定电流的6.65倍。其流过中性点一侧互感器内部的最小电流也将会是接近发电机的额定电流。内部最大的电流将会比正常运行的三相电流大1.7倍。所以，整体工作的磁场和密度都不会小，励磁阻抗并没有发生实质性的变化。所以，在实际执行的过程中，TA即便不会饱和却也能够传输二次电流，但是却也不会影响发电机差动保护的发生。

3.6 低频过流保护

低频过流保护装置与发电机中性点侧互感器将会保持一致。内部的短路点与保护区外部的点将会保持一致。所以，从实际发展的过程看，差动保护将不能够反应保护状态。SFC能够在短时间内能够快速关断所提供的短路电流。但是，在实际发电励磁作用下仍然会存在较大大电流，必要时则需要靠新增设的低频过流保护动作来有效地停机。

可以看出，TA确实能够传递二次电流，所有低频过流保护都能够反应正确的动作。其与动作相关的整定值可以和变频器的额定电流联合在一起，最终变成低频过流保护整定值。

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

可以看出，算式中的Is.max指的是静止变频器，SFC表示的最大额定输出电流。通过计算可以得知Is.max=0.12。其中，Krel为可靠的系数，总体数值介于1.2-1.3。从上文的描述也可以看出，低频过流保护是由低频过流元件和SFC起动装置、合闸开关、主断路器和其他辅助接点有效地组成的。一般也可以设定短延时值来有效地躲避变频器产生的干扰影响。

4 结论

通过分析汽轮机启动过程中所表现出的特征，就可以明白启动过程中短路电流产生的变化和其他负载的情况。因此可以得知，虽然燃气轮机的容量和汽轮机配置大致相同。但是，在实际启动的过程中，发电机差动保护的性能也就会随之下降，甚至在操作的过程中存在死区[4]。在实际操作的过程中，SFC开关虽能够在短时间内斩断短路电流，但在电机励磁作用下仍然会产生较大的短路电流。所以，必要时一定要通过增设低频过流保护装置来提升发电机本身的流动性和灵敏性。