西門(mén)子發(fā)電機(jī)保護(hù)在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組應(yīng)用的研究

楊杰

(上海申能崇明發(fā)電有限公司，上海 202155)

西門(mén)子發(fā)電機(jī)保護(hù)在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組應(yīng)用的研究

楊杰

(上海申能崇明發(fā)電有限公司，上海 202155)

燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)配置與燃煤機(jī)組基本相同，但是上海崇明燃機(jī)電廠的電氣主接線的特殊性給發(fā)電機(jī)保護(hù)提出了部分新的要求，通過(guò)對(duì)上海崇明燃機(jī)電廠的全廠的保護(hù)設(shè)計(jì)、整定、調(diào)試的全程參與，對(duì)西門(mén)子發(fā)電機(jī)保護(hù)在燃機(jī)電廠中的應(yīng)用和應(yīng)注意的事項(xiàng)提出個(gè)人的見(jiàn)解。

西門(mén)子；燃機(jī)；變頻；發(fā)電機(jī)出口斷路器；數(shù)字保護(hù)

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)大型燃?xì)鈾C(jī)組以哈動(dòng)力(GE技術(shù))、上海電氣(SIEMENS技術(shù))和東方電氣(三菱技術(shù))三家的產(chǎn)品為代表，隨著環(huán)保壓力的增大，燃?xì)鈾C(jī)組因其低排放、啟動(dòng)迅速等特點(diǎn)在發(fā)電市場(chǎng)的占比越來(lái)越大，特別是在沿海大中型城市尤為明顯。但是由于歷史原因，燃?xì)鈾C(jī)組主機(jī)島的設(shè)計(jì)供貨都是由主機(jī)生產(chǎn)商總包，設(shè)備的選型以進(jìn)口產(chǎn)品為主。上海崇明燃機(jī)電廠新建2×424.2 MW單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，主機(jī)島由上海電氣總包，發(fā)電機(jī)保護(hù)采用進(jìn)口西門(mén)子7UM62系列產(chǎn)品。

與常規(guī)燃煤機(jī)組不同，燃?xì)鈾C(jī)組一般設(shè)置有發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)和靜態(tài)變頻裝置(SFC)。崇明電廠的兩臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組按發(fā)變組接入220 kV升壓站，升壓站雙母線接線，2回出線1回接于江蘇電網(wǎng)，1回接于上海電網(wǎng)，母聯(lián)開(kāi)關(guān)正常時(shí)斷開(kāi)。SFC和勵(lì)磁系統(tǒng)(AVR)電源接于廠用6 kV母線，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，啟動(dòng)電源由220 kV母線經(jīng)主變、廠高變倒送至廠用6 kV母線，發(fā)電機(jī)首先工作在同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，由SFC變頻拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的70%左右，再由燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火沖轉(zhuǎn)，最終達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，經(jīng)GCB同期并網(wǎng)[1]。電氣主接線圖如圖1所示。

圖1 電氣主接線圖

崇明電廠發(fā)電機(jī)定子額定電壓21 kV，定子額定電流13.721 kA，變頻啟動(dòng)階段發(fā)電機(jī)定子電壓最大約2.7 kV，定子電流最大約996 A。

因此，崇明電廠發(fā)電機(jī)主要有兩種運(yùn)行工況：變頻啟動(dòng)和并網(wǎng)運(yùn)行，繼電保護(hù)要在這兩種工況下都要起作用，不允許有死區(qū)。

1 保護(hù)配置

發(fā)電機(jī)保護(hù)按設(shè)計(jì)規(guī)程要求雙重化配置，兩套保護(hù)除定子接地和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用了不同的原理外(第一套定子接地保護(hù)采用雙頻式，轉(zhuǎn)子接地采用20 Hz注入式，第二套定子接地保護(hù)采用工頻注入式，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用方波注入式)，其余保護(hù)配置均相同。具體保護(hù)配置如表1所示。

按此保護(hù)配置方案，崇明電廠一套發(fā)電機(jī)保護(hù)應(yīng)設(shè)置兩個(gè)快速閉鎖出口(Lockout)繼電器：變頻啟動(dòng)時(shí)停SFC出口繼電器和并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的停發(fā)電機(jī)出口繼電器，但是變頻啟動(dòng)和并網(wǎng)運(yùn)行期間大多數(shù)保護(hù)的投退要求是相同的。因此崇明電廠通過(guò)研究同類(lèi)型機(jī)組的保護(hù)設(shè)計(jì)、配置方案做了以下優(yōu)化工作：

(1)將SFC啟動(dòng)閘刀常開(kāi)接點(diǎn)接入發(fā)電機(jī)保護(hù)屏內(nèi)的大功率重動(dòng)繼電器，將此繼電器常開(kāi)接點(diǎn)串入跳閘出口至SFC的通道中，變頻啟動(dòng)過(guò)程中，SFC啟動(dòng)閘刀閉合，跳閘矩陣至SFC的通道才會(huì)接通。這樣一套發(fā)電機(jī)保護(hù)屏僅設(shè)置一個(gè)Lockout出口繼電器。

(2)在變頻啟動(dòng)過(guò)程中，使用西門(mén)子保護(hù)裝置的連續(xù)功能圖(CFC)編程和外部開(kāi)入量接點(diǎn)閉鎖部分可能會(huì)誤動(dòng)的保護(hù)功能，如逆功率保護(hù)和過(guò)激磁保護(hù)。

(3)在整定計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)區(qū)分變頻啟動(dòng)與正常運(yùn)行各種特征電量，合理整定保護(hù)定值以躲過(guò)變頻啟動(dòng)過(guò)程。

表1 保護(hù)配置表

√保護(hù)投入

×保護(hù)退出

2 具體問(wèn)題及應(yīng)對(duì)方案

2.1 差動(dòng)保護(hù)

為避免死區(qū)，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)電流取自主變低壓側(cè)CT與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)CT。因此變頻啟動(dòng)階段發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT電流為發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的差流，有意見(jiàn)認(rèn)為此差流(最大約996 A)小于對(duì)差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)值(一般整定為被保護(hù)對(duì)象額定電流的20%，約2 744 A)，不會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)作，但筆者認(rèn)為，主變低壓側(cè)CT和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT往往由不同廠家生產(chǎn)，CT特性差異較大；另一方面，在保護(hù)裝置運(yùn)行頻率低于額定頻率時(shí)，西門(mén)子7UM保護(hù)裝置的傳變精度也較低，還是存在保護(hù)誤動(dòng)作的可能性的。且啟動(dòng)過(guò)程中SFC的急停對(duì)機(jī)組軸系損害較大，變頻啟動(dòng)階段有必要閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

為防止保護(hù)誤動(dòng)作，早期曾有兩種方案：一是采用GCB的常開(kāi)接點(diǎn)閉鎖差動(dòng)保護(hù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT輸入通道，但發(fā)電機(jī)機(jī)端電流衰減較慢，與GCB的常開(kāi)接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間有30 ms的時(shí)間延遲，仍可能導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)；二是采用SFC啟動(dòng)閘刀閉鎖差動(dòng)保護(hù)且同時(shí)提高差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)定值。相對(duì)來(lái)說(shuō)第二種方案更加可靠。

崇明電廠在第二種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，根據(jù)變頻啟動(dòng)階段發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓較低的特點(diǎn)，利用發(fā)電機(jī)保護(hù)備用的輸出繼電器輸出“發(fā)電機(jī)出口有壓”，利用CFC實(shí)現(xiàn)“SFC啟動(dòng)閘刀常閉接點(diǎn)”與“發(fā)電機(jī)出口PT有壓”來(lái)開(kāi)放差動(dòng)保護(hù)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT輸入。

需注意：發(fā)電機(jī)出口PT有壓定值不能太低，應(yīng)可靠躲過(guò)變頻啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，定值可設(shè)置為50%Ugn～60%Ugn(Ugn發(fā)電機(jī)定子額定電壓)。

2.2 失步保護(hù)

西門(mén)子保護(hù)裝置失步保護(hù)基于常規(guī)的機(jī)端阻抗的測(cè)量來(lái)判斷震蕩的運(yùn)動(dòng)軌跡及震蕩中心的位置，由此確定是否要發(fā)出停機(jī)指令。保護(hù)的測(cè)量特性是一個(gè)震蕩四邊形。機(jī)端阻抗來(lái)自機(jī)端正序電壓和機(jī)端正序電流的計(jì)算值，且受機(jī)端正序電流和負(fù)序電流閉鎖。

一般整定機(jī)端正序電流閉鎖定值不小于發(fā)電機(jī)額定電流，機(jī)端負(fù)序電流閉鎖定值不大于發(fā)電機(jī)額定電流的20%，在變頻啟動(dòng)階段可確保保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

需注意：動(dòng)作特性四邊形的傾角應(yīng)由電網(wǎng)系統(tǒng)部門(mén)提供。

2.3 失磁保護(hù)

由于歷史上機(jī)電式繼電器的阻抗測(cè)量廣泛應(yīng)用于失磁保護(hù)上，后來(lái)的微機(jī)保護(hù)也多采用阻抗測(cè)量的原理，但是西門(mén)子保護(hù)的動(dòng)作特性創(chuàng)新性的采用了發(fā)電機(jī)機(jī)端導(dǎo)納測(cè)量原理，將發(fā)電機(jī)的運(yùn)行極限平面轉(zhuǎn)換至發(fā)電機(jī)機(jī)端導(dǎo)納平面，通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)的機(jī)端導(dǎo)納來(lái)評(píng)估失磁的嚴(yán)重性。機(jī)端導(dǎo)納來(lái)自機(jī)端正序電流和機(jī)端正序電壓的計(jì)算值。

當(dāng)由于短路出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓下降時(shí)，本保護(hù)將被閉鎖[2]。針對(duì)等效發(fā)電機(jī)機(jī)端勵(lì)磁的崇明電廠，為避免機(jī)端短路發(fā)電機(jī)定子電壓跌落過(guò)快導(dǎo)致本保護(hù)被閉鎖，此定值也不能設(shè)置的過(guò)高。閉鎖定值按照變頻啟動(dòng)時(shí)失磁保護(hù)能夠可靠被閉鎖即可。

2.4 次同步過(guò)流保護(hù)

西門(mén)子SFC裝置變頻輸出電壓2×1.5 kV，運(yùn)行頻率范圍為0～35 Hz，如果發(fā)電機(jī)在變頻啟動(dòng)階段發(fā)生定子短路故障，雖然定子電壓低于額定電壓，但頻率也低于額定頻率，發(fā)電機(jī)的等效次暫態(tài)電抗等比例變小，短路電流仍然比較大，另一方面，西門(mén)子保護(hù)裝置常規(guī)短路保護(hù)(如相過(guò)流、差動(dòng))在頻率大于10 Hz時(shí)才投入運(yùn)行，SFC的6 kV綜保裝置的過(guò)流保護(hù)經(jīng)過(guò)隔離變、整流器、電抗器、逆變器等效短路阻抗，保護(hù)范圍難以量化[3]，因此有必要配置低頻率范圍的短路保護(hù)。

調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：運(yùn)行頻率在2 Hz～10 Hz范圍時(shí)，西門(mén)子次同步電流保護(hù)自動(dòng)投入，而常規(guī)運(yùn)行方式下的電流保護(hù)(如相過(guò)流、差動(dòng))采樣精度出現(xiàn)不規(guī)則的飄移，西門(mén)子保護(hù)裝置將其自動(dòng)閉鎖；次同步過(guò)流保護(hù)的電流輸入CT是可以選擇的，為保證保護(hù)范圍包括發(fā)電機(jī)定子繞組，應(yīng)選擇發(fā)電機(jī)機(jī)端CT，而非常規(guī)電流保護(hù)的選用的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT[4]。

2.5 正向低功率保護(hù)

國(guó)內(nèi)電廠一般很少使用此保護(hù)，但是由于崇明電廠的220 kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)應(yīng)系統(tǒng)要求長(zhǎng)期處于斷開(kāi)狀態(tài)，兩臺(tái)機(jī)組分別通過(guò)單回線路接入不同電網(wǎng)，主接線方式等同于發(fā)-變-線路組，線路開(kāi)關(guān)跳閘，將導(dǎo)致至少一臺(tái)機(jī)組迅速?gòu)念~定功率降至自帶廠用電孤島運(yùn)行。為保證機(jī)組能夠安全停機(jī)，崇明電廠在發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置新增正向低功率保護(hù)，出口于停機(jī)。當(dāng)機(jī)組發(fā)出的正向功率降落速度大于設(shè)定值時(shí)，保護(hù)立即動(dòng)作。

2.6 SFC直流接地保護(hù)

為避免啟動(dòng)過(guò)程中變頻電流三相不平衡燒毀發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器，同類(lèi)型電廠要求在啟動(dòng)過(guò)程接地閘刀打開(kāi)，但發(fā)電機(jī)的接地方式由大電阻接地系統(tǒng)改為不接地系統(tǒng)，因而相繼發(fā)生過(guò)發(fā)電機(jī)出口PT諧振爆炸事故[5]，為避免此類(lèi)事故，上海電氣要求崇明電廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地閘刀在啟動(dòng)過(guò)程中保持在合閘位置。

由于發(fā)電機(jī)定子繞組直流電阻較小忽略不計(jì)，中性點(diǎn)接地變高壓繞組直流電阻24.19 Ω，UAC=1.45 kV啟動(dòng)階段若SFC直流側(cè)發(fā)生接地故障，故障電流：

遠(yuǎn)超發(fā)電機(jī)定子繞組及接地變一次繞組的允許運(yùn)行電流，必須配置SFC直流接地保護(hù)[6]。

在崇明電廠的調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)此保護(hù)多次誤動(dòng)，經(jīng)分析原因?yàn)橛捎诖吮Ｗo(hù)的變送器安裝在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)柜內(nèi)，與保護(hù)裝置距離較遠(yuǎn)，長(zhǎng)距離弱電信號(hào)易受干擾，后將此保護(hù)定值按照最小靈敏度重新整定。

在正常并網(wǎng)運(yùn)行階段應(yīng)采用SFC分閘接點(diǎn)閉鎖此保護(hù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)配置與燃煤機(jī)組基本相同，但是要考慮在燃機(jī)電氣主接線的特點(diǎn)和變頻啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行的特點(diǎn)。同時(shí)燃機(jī)機(jī)島設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化還有較長(zhǎng)一段路要走，近期還是以進(jìn)口設(shè)備為主。本文針對(duì)市場(chǎng)占有率較高的進(jìn)口西門(mén)子發(fā)電機(jī)保護(hù)在設(shè)計(jì)、整定、調(diào)試中遇到的問(wèn)題，提出個(gè)人的應(yīng)對(duì)方案和措施，希望對(duì)后來(lái)者起到幫助。

[1] 吳聚業(yè).關(guān)于大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì), 2008, 2 (4):33-41.

[2] SIPROTEC 7UM62 Manual V4.7[K]. 2013-09. https://www.downloads.siemens.com/download-center/Download.aspx?pos=download&fct=getasset&mandator=ic_sg&id1=DLA06_4782.

[3] 林偉.考慮燃?xì)廨啓C(jī)變頻啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)研究[D].北京:華北電力大學(xué)，2014.

[4] 劉志文,趙斌,沈艷華.大容量燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中繼電保護(hù)應(yīng)采取的措施[J].繼電器,2006,34(24) :16-19.

[5] 王文志,余芳.淺析前灣燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)繼電保護(hù)配置及運(yùn)行情況[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(11):130-132.

[6] 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].電力與能源,2012,33(5),433-435

Research of Application of Siemens Generator Protection in Gas Generator Set

Yang Jie

(Shanghai Shenneng Chongming Power Generation Co., Ltd., Shanghai 202155, China)

Gas generator set has basically the same protection configuration as the coal-fired generator set, but the features of main electrical wiring in Shanghai Chongming Gas-turbine Power Plant put forward some new requests for generator protection. Based on the experience of participation in the whole process of design, adjustment and debugging of the protection of the whole plant, I give my personal ideas about the application of Siemens generator protection in gas-turbine power plants as well as notes for attention.

Siemens; gas-turbine; variable frequency; generator outlet circuit breaker; digital protection

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.021

TM77

A

1000-3886(2016)06-0068-02

楊杰(1981-)，男，河南人，碩士生，工程師，主要從事火力發(fā)電廠繼電保護(hù)檢修工作。

定稿日期: 2016-06-14