【技术】大型燃气一蒸汽联合循环电厂发电机保护设计特点


      目前国内大型燃气一蒸汽联合循环机组项目越来越多,基本采取由国外公司提供燃机成套设备的设计和供货,国内公司负责除燃机以外的电厂其余部分的设计和供货。由于对大型燃气机组设计缺乏了解,燃机电厂电气控制和继电保护方案基本上是参考相似容量的常规燃煤机组进行设计,但在实际工程中通过与国外公司进行多次设计联络和沟通发现,燃气机组运行方式和工艺系统与然煤机组有很多不同之处,因此在燃机发电机保护设计中不能简单套用常规燃煤机组的保护设计,应该针对燃机的特点进行设计,这样才能更好的满足燃机系统运行要求。
      工程概况
      BJSR 电厂工程属原国家计委大型燃机 ( (9F型 350M W 级燃气一蒸汽联合循环机组) 打捆招标项 目,按主机招标书和主机设备合同协议书要求,机岛供货商为 口木三菱重 L 株式会社(M H D ,发电机为日本三菱电机 (M E LC O ) 制造,负责的设计内容为机岛轴系范围内相关电气系统设计,包括: 发电机本体、励磁系统及交直流封闭母线、机岛控制 含机组 M C C ,E M CC 、发 电 机保 护 等) 、机 组 起 动 设 备(SF C)、发电机中性点设备 (含 中性点封闭母线) 等 主厂房机岛以外及厂区辅助车间所有电气系统的设计由北京国电华北电力工程有限公司负责 。
      9F 型单轴燃气一蒸汽联合循环发电机组包括燃机、汽机和发电机及其辅助设备。发电机额定 功率 409.  7  M W ,设 发电机 出 口断路 器(G CB ). 发电机以发电机一变压器组单元接线接入 22okV 系统。
      发电机保护配置
      本工程发电机、励磁系统保护由三菱电机(M ELCO) 负责设计和供货。主变和高厂变保护由我公司负责设计,国内供货。在项 目招标时. 发电机保护曾是作为选项,在合同谈判中发现,虽然发电机保护设计本身并不复杂,但因国内对燃气轮发电机组工艺系统和运行过程缺乏了解,国内常规发电机保护设计是否满足燃/汽机系统要求没有把握 ,且主机设备均由M ELC()供货,如将发电机保护由国内设计供货将大大增加与三菱公司的设计接日,影响机岛可靠性 以及责任划分。另外,M E LC O 在汽机房就地提供两个电气控制包 (每个包的外形尺寸约 3m X 12m ) ,将机岛范围内电气、仪表控制设备 (包括发电机保护柜、发电机辅助盘、A V R 柜、380V M CC 开关柜以及发电机控制盘、TCS, PCS 系统等) 均布置在电气包内,包内屏间电缆连接在二菱工厂内完成,可大幅度减少现场施工工作量,提高安装速度。因此,最终确定将发电机保护划归三菱电机 (M E L-C O ) 设计和供货范围。
      按三菱电机 (M E LC O ) 常规设计方案,设一面发电机保护柜。采用 G E 公司的 U R 系统数字式微机保护装置,配置的保护功能。
      故的二十五项重点要求”继电保护实施细则》〔简称 《实施细则 》〕: "l00M W 及以上容量的发电机变压器组微机保护应按双重化配置保护”。作为 9F 型 350M W 级燃气一蒸汽联合循环机组,月菱电机 (M E LC O ) 提供的发电机保护不满足 《实施细则 》的要求。通过多次沟通和解释,M E1.C0 同意提供 2 套发电机微机保护装置,但提出由于电气包空间限制,2 套保护装置只能布置在一面保护柜中。考虑到这种布置对将来的电厂运行检修会带来不便和安全隐患,通过详细设计和布置优化,最终实现了 2 套发电机保 护分别 布置 在 2 面发电机保护柜,每套保护系统的交流电压、交流电流分别取自不同电压互感器和电流互感器的独立绕组,
设置独立的保护出口,满足了 《实施细则 》的要求 。
      气轮发电机保护设计特点
      3.1 发电机接地保护
      在设计初期,三菱电机 (M E LC O ) 推荐的发电机中性点接地方式不是国内常规的配电变压器方式,而是经高电阻直接接地方式 。发电机接地保护功能由SFC 直流接地保 护 ( 51  N PG ) 和 交 流接 地 电 流 保 护(51PG ) 构成。
      三菱电机 (M EL CO ) 推荐的理由是: SFC作为G T 起动设各,在起动期间将与发电机主回路相连,SFC 整流器出线侧和 SF C 逆变器进线侧之间是直流回路,如在 SFC 直流回路发生接地故障,直流故障电流将按图一所示流过发电机主回路。通过安装在发电机中性点接地柜内的一 个直 流 C T 检测 到故 障 电流,保 护(51N PG ) 瞬时动作于跳闸,这是 M E L C()独有的技术。若采用配电变压器接地方式,会有非常大的直流故障电流流过接地配电变压器,将在极短时间内烧毁接地变压器。
      但在详细设计阶段,M E LCO 提出发电机中性点采用电阻直接接地方式后将无法实现合同中规定的发电机定子 ]00% 接地保护要求,原因是采用交流接地电流保护 (51  PG ) 存在保护死区,M E LC O 说明在其设计的国外工程中没有要求装设定子 100 % 接地保护。因此 M E LC O 提出将发电机中性点接地方式修改为配电变压器接地 ,由此带来的问题是在起动过程中,为保证接地隔离变压器的安全,发电机中性点接地隔离开关 ( D S 一N G R ) 在 SFC 起动期间需要断开,起动结束后再闭合,所以无法检测 SF C直流回路接地和发电机主回路交流接地故障。
      经过与 M E LC () 的多次沟通和交流,对两种接地方案的利弊进行分析:
      (1) 鉴于中国国家标准 《继电保护和安全自动装置技术规程》(G B 14285 一93) 第 2.  2.  4.  3条明确规定: “??对 l00M W 及 以上的发电机,应装设保护区为 100% 的定子接地保护”。
      中方不接受保护区小于100% 的发电机定子接地保护。同时作为发电机正常运行时的保护功能,发电机定子接地保护的运行时间远远大于直流接地保护 51N PG ,对保护发电机更为重要。
      (2) 直流接地保护 51N PG 保护仅在起动过程中 (约30 分钟) 起作用,保护范围为 SFC 整流器出线侧和 SFC 逆变器进线侧之间直流回路部分,保护时间和保护范围十分有限,且 SF C整流器柜与逆变器柜、D C 电抗器之间是采用母线桥连接,距离不到 lom ,发生接地故障的几率很低。M E LC O 承认迄今为止其设计的燃机电厂没有发生过 SFC 直流回路接地故障。
      (3) 在发电机中性点接地隔离开关 ( D S -N G R ) 打开期间,发电机处于中性点不接地状态,SFC 输出到发电机主回路电压约为 3.  A V ,若发生发电机定子绕组发生单相接地故障时,接地点电流是发电机本身及其引出回路所连接元件 〔主封母、G CB 发电机侧、SF C 隔离开关至 SF C 逆变器柜之间电缆) 的对地电容电流。
三菱电机 (M EL C O ) 提供的发电机定子绕组单相接地允许电流为 20A ,在绝大部分时间内单相接地电容电流小于发电机允许值  (1A) ,基本对发电机定子绕组绝缘没有损坏
      (4) 其它燃机供货商 (如美国 G E 公司等),也是采用发电机中性点经配电变压器接地方案。
      国内对这种接地方式也比较熟悉,实际运行经验丰富。基于以上原因,中方最终接受发电机中性点采用配电变压器接地方案,发电机 100 % 定子接地保护 由 G 60 装 置的 27T N 和 59N 功能实现。
      3.2 差动保护用电流互感器的选择
      根据我国电力行业标准DL/T866 一2004“电流互感器和电压互感器选择及计算导则”规定: “容量为 300  M W 级及以上的发电机和发电机变压器组的差动保护回路 ,宜选用 T P Y 级电流互感器。”因此,在合同中规定了发电机出线侧和中性点侧各装设 2 组 T PY 级电流互感器,变比 18, OOOA /5A , 额定负载50V A .
      在第一次设 计联 络 会期 间,三菱 电机(M EL CO ) 技术人员对采用 T P Y 型 C I‘提出异议 ,认为发电机套管 CT 在 22okV 系统故障时,流过该C T 的故障短路电流约为C T 一次额定电流的2 倍,因此 C T 不会饱和,显然,他们没有考虑C T 暂态特性和剩磁的影响。通过讨论和沟通,中方对采用 T P Y 型 CT 的原因进行了说明,并指出 IEC 60044 一6 标准对此有明确的要求 。
      在第二次设计联络会巾三菱 电机 (M E L-C O ) 提供 了由东芝和三菱合资厂生产的电流互感器。
从三菱电机 (M E K C O ) 提供 的以上数据看,部分参数与实际情 况不符,如短路电流、一次时间常数等; C T 额定负载也远小于合同中要求的50V A 。三菱电机技术人员说明: 发电机套管CT 所接发电机保护装置负载只有。2V A ,从发电机套管 C r 到就地电气控制包 内发电机保护柜之间的 电缆负载为 7V A ,因此将 CT(T PY ) 额定负载从 50V A 降到20V A 也能满足要求,否则 CT 尺寸过大无法安装。考虑到发电机套管安装空间有限的实际情况,对三菱电机提供的C T 按以下原则进行了校验计算。
      (1) 发电机中性点侧 C T (T PY 型) 按22okV 系统三相短路,发电机差动保护不误动,即保证 C 一O 和 C 一O 一C 一O 工作循环 C T 暂态不饱和。
      (2) 发电机出线侧 CT (T PY 型) 分别按
系统三相短路和发电机三相短路主变差动保护不误动,即保证 C 一O 工作循环 C T 不暂态饱和。
      从验算结果可以看出,发电机出线侧 CT额定等效二次极限电动势小于实际等效二次极限电动势,不满足要求。根据计算结果: 三菱电机 (M E LC O ) 同意将 CT 保持准确限值时间从 30m s 修改为40m s, C T 额定等效二次极限电动势提高到2620.  74V , 可以满足实际需要。
      3.3 保护 出口设置
      保护出口方式除与电气故障和异常运行情况有关外,还与热力系统及其控制系统是否具有 FC B 功能及机炉是否允许甩负荷带厂用电运行 (孤岛运行) 方式有关。一般对 300M W 及以上燃煤机组保护出口主要有以下几种:
      (1) 全停: 跳主变高压侧和高厂变低压侧断路器; 灭磁; 关主汽门
      (2) 程序跳闸: 先关主汽门,待逆功率继电器动作后再跳主变高压侧和高] 一变低压侧断路器并灭磁设置程序跳 闸 出 口是 为 了避免 在反应 机组异常运行的保护动作后立即停机造成对汽机和锅炉的冲击,防止发生汽机超速,保证机组的安全。只有机务系统装有 100% 大旁路时,才考虑设置解列和解列灭磁出口,允许在发生 电气异常运行工况时,只停发电机,维持汽机和锅炉的空载运行,便于机组迅速恢复正常运行。
      然而,对于 9F 型燃气机组,与一般燃煤机组情况不同。因为燃机有压气机作为汽轮机负载,可占整个负载的 1/2- 11/3,在 G M C B 跳闸后 ,不会 出现汽轮 发 电机 的超 速 问题 . 目_燃机在停机过程中应该保持 5m in 的冷却时问,否则会影响燃机的寿命,因此燃机保护动作不设程序跳闸出口。
      根据电气故障类型设置以下保护出口:
      (1) 全停 (T urbine train trip ): 当发电机内部发生故障时,发电机和燃机同时停机。
      (2) 发电机停机 (G CB and FC B trip) : 在发电机外部发生故障或可以短时修复/消失的故障时,跳 G C B and F CB ,不停燃机。跳开G M -CB 后,使燃料阀瞬间关闭,再打开调整到维持G /T 转速 300。转/分,可实现燃机无负载运转。因不设程序跳闸出口,在发电机保护配置中也取消了程序逆功率保护。
      3.4 保护信息输出
      对保护信息数量及输出方式,国内与国外在设计理念有很大 不同。国内设计习惯是: 每种保护功能应给出 1个跳闸出口硬接点,该接点输人至跳闸出口逻辑箱,通过跳闸矩阵来启动不同跳闸功能的跳出日继电器,以及每种保护动作信号继电器。跳闸出口继电器接点动作于相应的电气断路器和热工系统等,信号继电器输出 2 个接点分别至机组故障录波器和 D CS 控制系统。
      三菱电机 (M ELCO ) 设计的发电机保护系统不设跳闸出口逻辑箱,而是利用保护装置内部具有的逻辑组态功能,按照故障类f 将各种保护功能划分到 “全停”和 “发电机停机”跳闸出口,通过设置总跳Im 继电器 86G A /86TA /86T EA 去动作于断路器跳闸和向TCS 系统发出信号。由于受到保护装置输出硬接点数量的限值,无法将每种保护动作信号都通过硬接点输出。
      三菱认为,微机保护装置具有完善的故障记录和故障录波功能,不需要将每个保护动作信号都送人监控系统,只需要发送一个总的保护动作信号。
      另外,还需要注意的是,国外设计的保护跳闸出口继电器 (L O C K O U T R E L A Y ) 是采用拴锁继电器,具有自保持功能,需复归。因此,必须要求加设不带 自保的快速复归中间继电器,以满足发电机断路器失灵保护起动回路的要求。

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