三菱9F大型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)保護(hù)策略探討

華能重慶兩江燃機(jī)電廠 陳柄宏 向東 吳昌兵 鄧成承 丁飛宇

華能重慶兩江燃機(jī)電廠規(guī)劃建設(shè)5臺(tái)F級(jí)天然氣冷熱電三聯(lián)供機(jī)組，先期建設(shè)2臺(tái)47萬千瓦F級(jí)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，是目前國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)首座燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)三聯(lián)供綜合清潔能源電廠。兩江燃機(jī)本期機(jī)組采用三菱M701F4型“一拖一、單軸”聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，發(fā)電機(jī)為東方電氣生產(chǎn)的QFR-480-2-21.5全氫冷發(fā)電機(jī)，變頻啟動(dòng)裝置SFC(StaticFrequencyConverter)采 用ABB生產(chǎn)的MEGADRIVELCI.STA0606，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用南瑞電控生產(chǎn)的NES5100，發(fā)電機(jī)保護(hù)為南瑞繼保PCS-985BG發(fā)電機(jī)保護(hù)。發(fā)電機(jī)設(shè)出口斷路器，采用變線組方式接入500千伏（圖1），500千伏升壓站采用3/2接線。

燃?xì)廨啓C(jī)組不能自行啟動(dòng)，需要利用機(jī)組外的動(dòng)力源起動(dòng)機(jī)組，大容量燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)一般采用SFC變頻啟動(dòng)方式，發(fā)電機(jī)的保護(hù)與傳統(tǒng)的燃煤機(jī)組大體上一致。

介于燃機(jī)結(jié)構(gòu)特殊性，在啟動(dòng)與停運(yùn)過程差異較大，使得機(jī)組保護(hù)的具有某些特殊性，在保護(hù)配置時(shí)應(yīng)考慮如下因素：燃?xì)鈾C(jī)組的特性；聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系配置方式；機(jī)組在起動(dòng)過程中作為降壓/低頻同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)；靜態(tài)變頻起動(dòng)裝置電力電子線路的影響；保護(hù)裝置低頻特性和軟件算法的適應(yīng)性。

圖1 機(jī)組主接線圖

1 啟動(dòng)過程中，SFC與保護(hù)的配合

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)變頻啟動(dòng)過程中，發(fā)電機(jī)電氣量的頻率遠(yuǎn)低于工頻，受低頻的影響，差動(dòng)保護(hù)、相間后備保護(hù)、定子接地保護(hù)（除受頻率影響外，由于起動(dòng)過程中的電壓較低，按照發(fā)電模式整定的零序電壓定值較高，在起動(dòng)過程保護(hù)范圍極?。┑瓤赡軣o法動(dòng)作，為了反映發(fā)電機(jī)定子相間短路和定子接地故障，需要補(bǔ)充變頻起動(dòng)過程中的低頻過流保護(hù)和起動(dòng)過程中的定子接地保護(hù)功能，補(bǔ)充的保護(hù)功能需采用與頻率無關(guān)的算法，且在進(jìn)入發(fā)電機(jī)模式后應(yīng)能自動(dòng)退出相應(yīng)保護(hù)功能。

1.1 SFC與發(fā)電機(jī)低頻過流配合

在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中，發(fā)電機(jī)的定子電流較小，最大約為7%額定電流，頻率變化范圍為0.05～35.8赫茲（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0～2150轉(zhuǎn)/分鐘)，機(jī)端電壓約為17%額定電壓（圖2）。與頻率成正比的發(fā)電機(jī)電抗也由工頻值下降到相應(yīng)值，盡管機(jī)端電壓維持在較低值，此短路電流也是相當(dāng)大的，啟動(dòng)過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、相間后備保護(hù)在低頻時(shí)保護(hù)的靈敏性降低，且頻率越低，靈敏系數(shù)越低，因此必須增設(shè)專門針對(duì)啟動(dòng)期間相間故障的啟動(dòng)過流保護(hù)，低頻過流保護(hù)采用低頻特性優(yōu)良的小CT，并采用頻率跟蹤技術(shù)及與頻率無關(guān)的算法，該保護(hù)可按躲過變頻啟動(dòng)過程中的最大負(fù)荷電流(0.07Ie)整定。啟動(dòng)過流保護(hù)由SFC隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)（LCI）控制。當(dāng)SFC投入時(shí)，該保護(hù)投入運(yùn)行；當(dāng)SFC切除時(shí)，該保護(hù)立即退出。

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子電流和定子電壓的關(guān)系

1.2 SFC與發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)配合

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在變頻啟動(dòng)過程中，發(fā)電機(jī)的機(jī)端和中性點(diǎn)都有電流流過。對(duì)于兩江燃機(jī)發(fā)電機(jī)設(shè)有出口斷路器（GCB）來說，由于發(fā)電機(jī)差動(dòng)的差流計(jì)算取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和主變低壓側(cè)電流的差值，在GCB斷開由SFC帶動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程中，只有發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)有電流，此時(shí)發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)是有差流的。因此，國(guó)內(nèi)電廠的通常做法是，在變頻啟動(dòng)之前退出差動(dòng)保護(hù)，待SFC退出之后，再投入差動(dòng)保護(hù)。經(jīng)過論證，采用提高發(fā)電機(jī)差動(dòng)啟動(dòng)值的方法來解決這個(gè)問題。

兩江燃機(jī)的變頻啟動(dòng)最大電流為1265安培，發(fā)電機(jī)額定電流為15172安培，啟動(dòng)電流約為0.1Ie。最終確定保留原動(dòng)作特性，抬高啟動(dòng)電流定值到0.3Ie，但加入差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)告警判據(jù)，設(shè)定值為0.15In，不但提高了保護(hù)靈敏度，又不用在燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)變頻啟動(dòng)中退出差動(dòng)保護(hù)。

1.3 啟動(dòng)過程中，SFC直流側(cè)接地保護(hù)配合

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過程中，SFC作為啟動(dòng)設(shè)備和發(fā)電機(jī)連接，SFC的整流器出線側(cè)和逆變器進(jìn)線側(cè)之間是直流回路，假如在SFC直流回路發(fā)生接地故障，那么直流故障電流將流過發(fā)電機(jī)主回路，會(huì)有非常大的直流故障電流流過配電變壓器，由于配電變壓器容量較小，很可能在極短時(shí)間內(nèi)被燒毀。

為了防止SFC直流側(cè)發(fā)生接地?zé)龎陌l(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器，三菱燃機(jī)要求在投入SFC前，先拉開發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘，因此SFC直流側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的故障電流。另外，三菱燃機(jī)配置的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)隔刀都是電動(dòng)的，隔刀的分合可以通過TCS的邏輯來實(shí)現(xiàn)。

2 運(yùn)行中，勵(lì)磁低勵(lì)限制與保護(hù)配合

2.1 低勵(lì)限制不影響機(jī)組進(jìn)相問題

低勵(lì)限制動(dòng)作曲線是按發(fā)電機(jī)不同有功功率靜穩(wěn)定極限及發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱條件確定的。由系統(tǒng)靜穩(wěn)定條件確定進(jìn)相曲線時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的系統(tǒng)等值阻抗，確定該勵(lì)磁系統(tǒng)的低勵(lì)限制動(dòng)作曲線。要求有較大進(jìn)相時(shí)一般可按靜穩(wěn)定極限值留10%左右儲(chǔ)備系數(shù)整定，但不能超過制造廠提供的PQ運(yùn)行曲線（圖3）。

圖3 兩江燃機(jī)PQ圓圖

2.1.1 進(jìn)相試驗(yàn)條件

機(jī)端電壓，500千伏母線電壓，6千伏電壓和400伏電壓均取最低值，溫度均取最高值，以下各種工況類同。本機(jī)組受氣壓影響，當(dāng)前情況下機(jī)組最大出力為43.6萬千瓦，機(jī)組負(fù)荷為43.6萬千瓦時(shí)作為滿負(fù)荷進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)。

2.1.1 .1機(jī)組帶廠用電，有功功率為23.8萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)

機(jī)組帶廠用電時(shí)，23.8萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)過程中，機(jī)組吸收無功到120MVar時(shí)，功角達(dá)到62.1°，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到20.4千伏，停止進(jìn)相。

2.1.1 .2機(jī)組帶廠用電，有功功率為34.2萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)

機(jī)組帶廠用電時(shí)，在34.2萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)過程中，機(jī)組吸收無功到109MVar時(shí)，功角達(dá)到66.9°，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到20.4千伏，停止進(jìn)相。

2.1.1 .3機(jī)組帶廠用電，有功功率為43.6萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)

機(jī)組帶廠用電時(shí)，43.6萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)過程中，機(jī)組吸收無功到88MVar時(shí)，功角達(dá)到69.6°，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到20.4千伏，停止進(jìn)相。

2.1.1 .4機(jī)組不帶廠用電，有功功率為23.1萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)

廠用電切換到備用電源時(shí)，23.1萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)過程中，機(jī)組吸收無功到124MVar時(shí)，功角達(dá)到61.4°，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到20.4千伏，停止進(jìn)相。

2.1.1 .5機(jī)組不帶廠用電，有功功率為35.1萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)

在35.1萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)過程中，機(jī)組吸收無功到112MVar時(shí)，功角達(dá)到68.6°，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到20.4千伏，停止進(jìn)相。

2.1.1 .6機(jī)組不帶廠用電，有功功率為43.2萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)

廠用電切換到備用電源時(shí)，43.2萬千瓦工況進(jìn)相試驗(yàn)過程中，機(jī)組吸收無功到92MVar時(shí)，功角達(dá)到69.9°，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到20.4千伏，停止進(jìn)相。

2.1.2 進(jìn)相限制因素

發(fā)電機(jī)定子電流在進(jìn)相試驗(yàn)中有較大的裕度，在實(shí)際運(yùn)行可僅作為進(jìn)相運(yùn)行時(shí)弱限制因素，在大負(fù)荷進(jìn)相運(yùn)行時(shí)予以監(jiān)視。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組隨著進(jìn)相深度的加深，機(jī)端電壓降低至20.4千伏，非常接近進(jìn)相運(yùn)行的限制條件，因此，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓是制約進(jìn)相的主要因素之一。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)功角最大達(dá)到69.9°，因此功角是制約進(jìn)相深度的主要因素之一。

對(duì)比機(jī)組帶廠用電和不帶廠用電時(shí)的進(jìn)相數(shù)據(jù)，差別不大。因?yàn)閺S變采用有載調(diào)壓裝置，在試驗(yàn)過程中可以調(diào)整廠變的檔位，所以6千伏廠用電壓和400伏電壓在試驗(yàn)中下降不是很低，6千伏電壓最低達(dá)到6.0千伏，400伏電壓在試驗(yàn)中最低降低到382伏。如果不作廠變檔位的調(diào)整，廠用系統(tǒng)電壓也是制約進(jìn)相深度的主要因素。

在不同工況下，發(fā)電機(jī)端部溫度變化如下（表4）所示?？梢钥闯?，在整個(gè)進(jìn)相試驗(yàn)過程中，發(fā)電機(jī)定子線圈溫度最高達(dá)63.7℃，據(jù)發(fā)電機(jī)廠給出的允許溫度75℃；鐵芯溫度達(dá)到50.3℃，距發(fā)電機(jī)廠給出的允許溫度限制值100℃相差較大，因此發(fā)電機(jī)溫度在試驗(yàn)進(jìn)相深度內(nèi)，是可以滿足要求的。

許多進(jìn)相資料表明，對(duì)于純氫冷卻方式的大型新型機(jī)組而言，由于采用了新材料和新工藝，端部鐵芯及金屬構(gòu)件溫升已不再是限制進(jìn)相運(yùn)行的主要因素，從試驗(yàn)中也驗(yàn)證了這個(gè)說法。

表4 不同進(jìn)相工況下發(fā)電機(jī)端部溫度變化

2.2 低勵(lì)限制的動(dòng)作曲線應(yīng)注意與失磁保護(hù)配合

2臺(tái)機(jī)的失磁保護(hù)4段都有無功反向判據(jù)。但無功反向判據(jù)均要與定子阻抗判據(jù)結(jié)合使用。正常進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，阻抗落在第一象限，不滿足進(jìn)入異步阻抗圓的條件。包括2臺(tái)機(jī)的進(jìn)相試驗(yàn)，都驗(yàn)證了低勵(lì)限制邊界不會(huì)導(dǎo)致失磁保護(hù)動(dòng)作。

在勵(lì)磁電流過小或失磁時(shí)，低勵(lì)限制應(yīng)首先動(dòng)作，如限制無效，則在發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作以前，自動(dòng)切換備用通道。阻抗失磁保護(hù)的失磁阻抗是基于異步邊界條件，根據(jù)發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗、同步電抗以及系統(tǒng)電抗形成的阻抗軌跡。勵(lì)磁低勵(lì)限制的限制曲線是基于進(jìn)相穩(wěn)定試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)測(cè)得的軌跡。

異步圓邊界（圖4）：

R2+（X-X0）2=R02，式中X0為異步圓圓心（#1、2機(jī)為 -17.6Ω）。

圖4 失磁保護(hù)阻抗特性

失磁保護(hù)阻抗動(dòng)作判據(jù)：

機(jī)組失磁保護(hù)中設(shè)置反向無功定值為20%，母線低電壓定值設(shè)置為94.5%，機(jī)端電壓定值設(shè)置為85%，轉(zhuǎn)子低壓壓定值為128伏，當(dāng)滿足以上條件之一且進(jìn)入失磁阻抗圓后才會(huì)動(dòng)作。

根據(jù)試驗(yàn)，反向無功最大值為23%，母線低電壓最低為98.3%，機(jī)端電壓最低為94.8%，轉(zhuǎn)子電壓最低為144伏，因此除反向無功定值需要根據(jù)電網(wǎng)進(jìn)相深度要求更改外，其他定值不需要修改，正常運(yùn)行時(shí)是不會(huì)導(dǎo)致失磁保護(hù)誤動(dòng)。實(shí)際采用基于阻抗特性的功率曲線的勵(lì)磁低勵(lì)限制，與以異步阻抗圓為依據(jù)的失磁保護(hù)，在動(dòng)作原理、定值整定上是保持一致的。

3 正常停機(jī)中，與燃煤機(jī)組保護(hù)動(dòng)作差異

兩江燃機(jī)在正常停機(jī)過程中，靠的是燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）程序控制。在機(jī)組負(fù)荷約22.5萬千瓦左右，通過TCS發(fā)停機(jī)指令，然后程序自動(dòng)開始減負(fù)荷至2萬千瓦以下（通常在1.5萬千瓦時(shí)），TCS自動(dòng)斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)與系統(tǒng)解列，同時(shí)TCS發(fā)熱工保護(hù)信號(hào)至非電量保護(hù)動(dòng)作跳開滅磁開關(guān)。

而一般燃煤電廠正常停機(jī)時(shí)，機(jī)組由程序逆功率動(dòng)作停機(jī)解列而防止機(jī)組超速。9F燃機(jī)因結(jié)構(gòu)因素，單軸一拖一機(jī)組上的壓氣機(jī)約消耗30～50%的汽輪機(jī)的機(jī)械功率，不會(huì)出現(xiàn)汽輪機(jī)超速現(xiàn)象，且燃機(jī)在停機(jī)后仍需要機(jī)組維持3000轉(zhuǎn)運(yùn)行約5分鐘進(jìn)行機(jī)組冷卻，所以燃機(jī)不采用程序逆功率停機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合兩江燃機(jī)發(fā)電機(jī)正常工況情況下各種的保護(hù)配合，以常規(guī)燃煤機(jī)組的保護(hù)配置差異為切入，總結(jié)得出燃機(jī)電廠與燃煤電廠保護(hù)策略的主要差異在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，其因在于燃機(jī)壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)所致。分析得出空冷燃?xì)獍l(fā)電機(jī)進(jìn)相深度限制的主要因素不再是端部溫升，而是發(fā)電機(jī)出口電壓及功角關(guān)系。由于燃機(jī)電廠自動(dòng)化程度的提高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)配置策略提出更高要求，希望通過本文的分析對(duì)同類型電廠現(xiàn)場(chǎng)工作提供參考。

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[1]范瑾，牛利濤.燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)變頻啟動(dòng)特點(diǎn)和保護(hù)配置分析[J].電力能源，2012(10)：433-436.

[2]DL/T970-2005，大型汽輪發(fā)電機(jī)非正常和特殊運(yùn)行及維護(hù)導(dǎo)則[S].

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