大型燃氣輪發(fā)電機定子接地保護方案

沈全榮，王磊，陳俊，嚴偉

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102； 2.上海電氣電站設備有限公司發(fā)電機廠，上海 200240)

0 引言

國內(nèi)大型燃氣輪發(fā)電機組(以下簡稱燃氣機組)由國外公司提供燃氣輪發(fā)電機(以下簡稱燃機)成套設備的設計和供貨，國內(nèi)公司負責除了燃機以外的電廠其余部分的設計和供貨。由于業(yè)內(nèi)有關人員對燃氣機組的設計缺乏了解，燃機電廠的繼電保護方案基本上是參考相似容量的常規(guī)燃煤機組而進行設計的，這樣會存在一定的安全隱患。已有不少文獻對燃氣機組的繼電保護方案進行了探討，克服了以往繼電保護方案存在的一些不足[1-3]，但沒有文獻提出完整的大型燃機定子接地保護的解決方案，以往在大型燃機上應用的定子接地保護方案大多都有一些不足之處。

近年來，國內(nèi)大型燃氣機組項目越來越多，國內(nèi)主機廠通過引進國外的技術，具備了燃機的生產(chǎn)和供貨能力，燃機繼電保護設備也逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化，積累了一些現(xiàn)場運行經(jīng)驗。分析國內(nèi)三大主機廠的燃機工程設計方案發(fā)現(xiàn)，燃機機端電壓互感器(PT)和中性點接地變壓器的接地方式存在一定差異，不能直接套用傳統(tǒng)燃煤機組定子接地保護方案(一般為基波零序電壓型定子接地保護+三次諧波電壓型定子接地保護)，需要根據(jù)其特殊的運行方式精心設計，提出完整的大型燃氣輪發(fā)電機定子接地保護解決方案。

1 大型燃機的電氣特點及其對定子接地保護的影響

1.1 大型燃機變頻啟動過程的電氣特征

大型燃機機組不能自行啟動，需要利用機組外的動力源啟動機組。大容量燃機一般采用變頻啟動方式，由另外電源(如電廠6 kV廠用電源)經(jīng)靜止變頻器(LCI)給發(fā)電機定子繞組供電，并經(jīng)啟動勵磁裝置供給勵磁繞組勵磁電源(如圖1所示)，發(fā)電機處于同步電動機運行模式。

圖1 燃氣輪機組變頻啟動接線圖

變頻啟動過程中的電氣特征：以國內(nèi)某主機廠供貨的390 MW燃機為例，在變頻啟動過程中，發(fā)電機定子電流較小，最大為7%額定電流，機端電壓較低，為17%額定電壓，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為0～2 000 r/min(自保持轉(zhuǎn)速)，頻率為0～33.3 Hz，發(fā)電機的過勵磁倍數(shù)范圍為0.25～1.00，吸收有功功率，反向有功功率為1.2%額定有功功率。

1.2 LCI直流側接地對中性點接地變壓器的影響

由于發(fā)電機中性點接地變壓器和發(fā)電機定子繞組的直流電阻均極低，中性點接地相當于直流一點接地，LCI在變頻啟動過程中，一旦LCI直流側發(fā)生接地故障，相當于直流兩點接地(如圖2所示)，這樣就會將產(chǎn)生極大的直流短路電流，可達到接地變壓器額定電流的數(shù)百倍[4]，會在短時間內(nèi)損傷發(fā)電機中性點接地變壓器。

圖2 LCI直流側接地示意

為了保護發(fā)電機中性點接地變壓器，一般采用以下2種解決方案：

(1)LCI在變頻啟動過程中，將中性點接地刀閘拉開，相當于取消了直流接地點，避免在LCI直流接地故障時形成直流兩點接地，待LCI變頻啟動結束退出后，再自動投入接地變壓器。

(2)LCI在變頻啟動過程中，發(fā)電機中性點接地刀閘處于合閘位置，在發(fā)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。

對于第1種方案，LCI變頻啟動過程中取自發(fā)電機中性點的零序電壓型定子接地保護會失去作用。

對于第2種方案，作者認為不宜推薦，由于啟動過程中發(fā)電機中性點存在直流接地點，一旦發(fā)生LCI直流側接地故障，由于直流短路電流很大，即使LCI直流接地保護快速動作，也可能會造成接地變壓器損傷。因此，作者建議采用第1種方案，即在LCI變頻啟動期間，將發(fā)電機中性點接地刀閘拉開，待啟動過程結束后再將該刀閘合上。

1.3 機端PT諧振問題處理及對定子接地保護的影響

對于燃煤機組，發(fā)電機機端一般設置3組PT，其中2組PT的一次中性點接地(如圖3a所示)，其開口三角可檢測機端對地零序電壓，用于定子單相接地故障檢測，另一組PT的一次中性點不接地，與發(fā)電機中性點直接相連，該PT的開口三角可檢測縱向零序電壓，用于定子繞組匝間故障檢測。

對于大型燃氣機組來說，PT如果按照燃煤機組的方式配置，在工頻條件下，一次中性點直接接地的電磁式PT的感抗遠大于系統(tǒng)的容抗，但在變頻啟動過程的低頻條件下，電磁式PT的感抗下降，而系統(tǒng)容抗卻上升，為2個參數(shù)的匹配而引發(fā)PT諧振創(chuàng)造了可能。國內(nèi)已有多個燃氣電廠發(fā)生過機端PT諧振現(xiàn)象，引發(fā)發(fā)電機定子匝間保護和啟、停機定子接地保護動作跳閘停機，甚至因諧振導致PT燒毀[3]。

為了避免變頻啟動過程中發(fā)電機機端PT產(chǎn)生諧振，有的燃機工程設計時將發(fā)電機機端PT的一次中性點不接地(如圖3b所示)。

圖3 機端PT示意

由于機端PT的一次中性點不接地，PT的開口三角無法測量機端對地零序電壓，因此，同時利用機端和中性點零序電壓構成的定子接地保護均受到影響，如三次諧波電壓比率定子接地保護和三次諧波電壓差動保護均無法應用。

2 大型燃機定子接地保護方案

2.1 機端PT一次中性點不接地情況下的定子接地保護

當機端PT的一次中性點不接地時，該PT的開口三角無法測量機端對地零序電壓，若對發(fā)電機中性點附近的定子接地故障提供檢測，可采取以下3種保護方案。

(1)中性點三次諧波欠電壓定子接地保護。當發(fā)電機中性點附近發(fā)生單相接地故障時，中性點三次諧波電壓降低，利用該特征構成如下判據(jù)

(1)

式中：Un3為發(fā)電機中性點零序電壓三次諧波幅值，Un3.set為中性點三次諧波欠電壓定值；U1為發(fā)電機機端正序電壓；UN為發(fā)電機二次額定相電壓。

當滿足式(1)時，延時動作于信號。 根據(jù)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后各種工況下的中性點最低三次諧波電壓值來整定，可靠系數(shù)取1.3～1.5。該原理可對發(fā)電機中性點附近的定子接地故障起到一定的保護作用，但靈敏度比較低，對于某些氣隙磁場正弦度較好的機組來說，由于定子繞組本體三次諧波電壓比較小，該原理甚至無法應用。

(2)利用主變壓器低壓側零序電壓實現(xiàn)的三次諧波電壓型定子接地保護。在該方案中，定子接地保護的機端零序電壓取自發(fā)電機機端斷路器(GCB)上方的主變壓器低壓側PT開口三角，該PT的一次中性點是接地的，通常用于主變壓器帶廠用變壓器在倒送電情況下的低壓側母線絕緣監(jiān)測，在大型燃機變頻啟動過程中，由于發(fā)電機機端GCB未合閘，該PT與LCI沒有電氣聯(lián)系，因此不受LCI變頻啟動的影響。當燃機機組并網(wǎng)后，該PT即可檢測發(fā)電機機端對地零序電壓，因此，可以用于機組并網(wǎng)后的三次諧波電壓型定子接地保護。為了提高三次諧波電壓型定子接地保護的可靠性，應增加主變壓器低壓側PT開口三角斷線判據(jù)，利用正常并網(wǎng)運行情況下PT開口三角零序電壓中的三次諧波分量接近于零來判斷是否斷線，延時動作于報警，該判據(jù)在機組并網(wǎng)前退出。采用以上方案后，傳統(tǒng)三次諧波電壓比率保護和三次諧波電壓差動保護均可在燃機機組并網(wǎng)后正常使用。

(3)注入低頻電壓式定子接地保護。大型燃機均采用發(fā)電機中性點經(jīng)變壓器電阻接地方式，且燃氣機組的定子繞組對地電容不大，使得接地變壓器二次負載電阻值不會太小，為應用注入式定子接地保護原理創(chuàng)造了良好的條件，可實現(xiàn)高靈敏100%定子接地保護。

注入式定子接地保護一般采用20 Hz和12.5 Hz低頻注入電源，從發(fā)電機中性點接地變壓器二次負載電阻上將低頻信號注入到發(fā)電機定子繞組對地的零序回路中，實時求解接地過渡電阻值，從而判定定子接地故障。與傳統(tǒng)定子接地保護原理相比，注入式定子接地保護的獨特優(yōu)勢是不受發(fā)電機運行工況的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)未加勵磁電壓狀態(tài)下的定子對地絕緣監(jiān)測。另外，該原理不依賴機端零序電壓，保護范圍覆蓋整個定子繞組，且具有較高的靈敏度，比較適合在大型燃機上應用。對于機端PT一次中性點不接地的場合，無法實現(xiàn)三次諧波電壓比率保護和三次諧波電壓差動保護，注入式定子接地保護可以彌補中性點三次諧波欠電壓定子接地保護靈敏度低的不足，提升了大型燃氣輪機組定子接地保護的性能。

2.2 變頻啟動過程中的定子接地保護

在變頻啟動過程中，發(fā)電機中性點接地刀閘拉開無法取得中性點零序電壓，因此，為兼顧該運行方式，在啟動過程中的零序電壓定子接地保護應取發(fā)電機機端零序電壓，并采用不受頻率影響的算法，以適應低頻啟動過程。該保護經(jīng)過發(fā)電機GCB位置接點閉鎖，在機組并網(wǎng)后退出運行。此外，由于中性點接地刀閘的拉開，使低頻電壓信號無法注入到定子繞組對地的零序回路，因此，在該過程中注入式定子接地保護也無法提供接地故障檢測功能。

對于機端PT一次中性點不接地的機組，如果變頻啟動過程中發(fā)電機中性點接地刀閘拉開，則機端和中性點零序電壓均無法獲取，因此，無法實現(xiàn)啟動過程定子接地保護，考慮到發(fā)電機中性點不接地，且變頻啟動過程中定子電壓較低，即使發(fā)生定子單相接地故障，接地故障電流也比較小，不會損壞定子繞組絕緣，因此，沒有發(fā)電機定子接地保護也是可以接受的。

2.3 大型燃機定子接地保護方案

根據(jù)以上分析結果，針對大型燃機的實際情況，作者提出了以下定子接地保護方案。

(1)發(fā)電機定子接地保護按雙重化配置，第1套方案為100%定子接地保護采用基波零序電壓定子接地保護+基于主變壓器低壓側零序電壓的三次諧波電壓型定子接地保護(或發(fā)電機中性點三次諧波欠電壓定子接地保護)；第2套方案為100%定子接地保護采用注入式定子接地保護。

(2)在變頻啟動過程中，定子接地保護取發(fā)電機機端零序電壓。

以上大型燃機定子接地保護方案，兼顧了國內(nèi)三大主機廠的設計需求，克服了以往定子接地保護方案存在的不足，為大型燃氣輪發(fā)電機提供了完善的定子接地保護。

3 結論

本文分析了大型燃氣輪發(fā)電機的特點及其對定子接地保護的要求，提出了完整的定子接地保護解決方案，得出了如下結論：

(1)對于機端PT一次中性點不接地的機組，三次諧波電壓型定子接地保護宜取主變壓器低壓側零序電壓作為機端零序電壓。

(2)宜配置注入式定子接地保護設施。

(3)在啟動過程中，定子接地保護宜取發(fā)電機機端零序電壓。

參考文獻：

[1]孫茗.大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠發(fā)電機保護設計特點[J].電力勘測設計，2005(6)：48-52.

[2]黃蕾，姚挺生，沈儷，等.9FA型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的國產(chǎn)保護設備配置方案[J].電力自動化設備，2009，29(12)：122-126.

[3]王文志，余芳.淺析前灣燃氣輪發(fā)電機繼電保護配置及運行情況[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(11)：130-132.

[4]吳聚業(yè).關于大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組繼電保護系統(tǒng)設計的若干問題[J].電力勘測設計，2008(4)：33-41.