燃气涡轮发电机起停机保护的特殊问题

燃气涡轮 发电机起停机保护的特殊问题

冯龙

上海铭蓝燃机工业科技有限公司

摘要：随着我国的经济发展，社会生产力的不断提高对电力也有着更多的要求，优化能源结构，提高电力供应量已成为了发电产业的重要目标。对于发电厂而言，燃气涡轮发电机邮政更高的发电效率，在发电机组的建设也相对简单，因此在发电领域上也逐渐受到人们的关注。在天然气被广泛应用的情况下，燃气涡轮发电机有着更好的建设优势，各发电厂也应当重视对相关技术的应用，其中在发电机起停机过程中需要对相关保护问题进行重点控制。为此，根据燃气涡轮发电机启动期间相间故障，结合静止变频器其直流侧接地故障的特点，对燃气涡轮发电机起停机保护的特殊问题进了深入探究。

关键词：燃气涡轮发电机；静止变频器；起停机保护

引言

在燃气涡轮发电机的正常运行中，一般使用常规的继电保护方法，以直接套用传统火电及水电机组的配置方案。但燃气涡轮发电机的启动相对其他发电机而言较为困难，其中存在着众多的影响因素，需要对发电机组的起停机制进行合理和设计，因此针对燃气涡轮发电机的稳定运行，应当结合起停机保护的特殊问题进行分析。在燃气涡轮发电机组的起停机过程中，主要影响内容在于燃气涡轮发电站的主接线、静止变频器以及相间故障等方面。需要针对此类问题进行深入的分析，借鉴其他类型发电机组的成熟技术，对燃气涡轮发电机起停机保护问题进行有效解决，从而提高我国燃气涡轮发电机的自主研发能力，减少对外成套进口设备的依赖。相关发电站应当明确燃气涡轮发电机起停机保护的重要作用，针对相关故障保护问题来采用科学合理的方案进行解决，进而实现燃气涡轮发电机的长期稳定运行，提高燃气涡轮发电站的发电效率，满足社会不断增长的电能需求。

1燃气涡轮发电站的主接线

对于燃气涡轮发电机而言，在移动发电领域中有着广泛的应用，而在发电厂中也能够用来建设发电机组。在燃气涡轮发电站中使用的发电机结构较大，能够实现大功率的发电效果，其采用的也是大菱形的主接线系统。与其他电站不同的是，燃气涡轮发电机组增加了静止变频器、电源侧短路器、侧隔离开关、辅助励磁变等设备，以实现对发电过程的有效保护，实现燃气涡轮发电机组的安全稳定运行^[1]。而大部分燃气涡轮发电机还装有出口断路器，从而提高对静止变频器的使用效果，避免在高低压绕组过程中出现分流问题，保障发电机的运行稳定。在发动机组启动时，需要经过一系列的启动流程，来确保发电机能够由静止状态转变为旋转状态，随后经过点火、暖机等流程来加速至高速旋转的状态。此过程中，由主接线直接提供电能，使静止变频器向发电机定子绕组提供电流，因此静止变频器的稳定与否也会严重影响发电机组的运行效果^[2]。同时，由于燃气涡轮发电机的设备部件需要带电运行，所以也需要相应的停机保护来确保发电机的运行安全，避免在故障发生时电流短路对发电机组造成影响。

2静止变频器对起停机保护的影响

在燃气涡轮发电机组的运行过程中，需要有高效的起停机保护机制来为其稳定运行提供保障，而在相关设备上也有着众多的运行影响因素。当燃气涡轮发电机组开始启动时，其电气特性与其他类型的发电机组有所不同，因此对起停机保护机制也有着跟对的要求，需要通过合理的设计来保证发电机组的顺利启动，同时也能在故障发生时快速停止。其中对起停机保护机制造成影响的主要问题有绕组电流的间断特性、起动过程的低频特性、严重的谐波畸变特性等，需要在起停机保护机制上对此类问题进行严格控制。

2.1绕组电流的间断特性

燃气涡轮发电机组中的静止变频器主要有整流桥、逆变桥、直流平波电抗器这几个部分。在发电机组的运行过程中，静止变频器能够根据转速的高低来采用不同的运行模式，可以在脉冲运行模式和自然换相模式中自动切换^[3]。静止变频器一般只有两个通导元件，因此在发电机组的启动过程中，通常也只有两相绕组电流通过，使绕组电流存在一定的间断特性。静止变频器在不同的运行模式下，其通过的电流特性也有所不同，电流互感器也会进行相应的二次侧输出电流。在燃气涡轮发电机组低速运行的情况下，静止变频器一般采用脉冲运行模式，而电流互感器也只在逆变桥强制换相时有电流输出；在燃气涡轮发电机组高速运行的情况下，静止变频器会自动转换为自然换相模式，此时的电流互感器能够有持续的电流输出，但发电机内定子的绕组电流依然存在间断特性。其中间断问题的严重性与静止变频器运行模式的切换频率有关，同时也受相应的设备条件限制，需要使静止变频器的切换频率大于5Hz，以此来保证燃气涡轮发电机有效的起停机保护。

2.2起动过程的低频特性

在燃气涡轮发电机组的启动过程中，有着启动、清洗、暖机、加速的启动流程，而不同的流程阶段也有着相应的运行速度，导致静止变频器的频率特性不一，启动前的低频特性也会不同的启动阶段而发生变化。在初步启动时，燃气涡轮发电机组的初始转速较小，因此也具有明显得低频特性，而在清洗过程中转速会有所增加，但仍处于低速运行的范围内。在暖机后的加速过程中，发电机的转速会逐渐上升至超过正常转速的70%，以此来达到发电机组的正常运行速度。对此，小于70%转速的启动过程中，都需要采用静止变频器的低频运行，从而达到有效的发电机起停机保护作用

^[4]。在静止变频器的运行过程中，为了避免燃气涡轮发电机启动时的过激磁，通常采用恒压频比的控制策略来保持定子电压的稳定，在启动后的不断减速过程中，该控制策略会逐渐过渡到恒压控制策略上。因此对发电机的起停机保护应当加强对过激磁问题的控制，从而达到静止变频器稳定运行对发电机的保护效果。

2.3严重的谐波畸变特性

静止变频器作为典型的谐波电流源，在运行过程中会向燃气涡轮发电机注入大量的谐波电流，从而导致发电机组内部母线电压出现严重的谐波畸变特性，根据设备条件和接入方式的不同，母线电压畸变最高可达20%。而燃气涡轮发电机组中通常使用6脉动型式静止变频器，相较于12脉动形式的静止变频器有着更严重谐波注入问题。此外，大型静止变频器的内部电流运行也形成了固有的电磁场，严重的影响了燃气涡轮发电机组的电磁环境，由此导致了香菇干继电保护装置的效果降低，对相关保护算法也提出了更高的要求。其中发电机的容量和电力系统的容量都对谐波畸变有着相应的影响，其容量越低，也就导致了燃气涡轮发电机的谐波畸变特性越严重，因此，需要针对静止变频器的谐波特性进行严格控制，从而减少谐波电流对发电机的影响，提高对发电机起停机的保护效果。

3起停机过程中的相间故障分析

在燃气涡轮发电机的起停机过程中，需要通过对相间故障进行全面的分析来对其保护机制进行合理设计，同时针对继电保护、定值计算和元件选型等问题进行科学规划。以此来建设有效的起停机保护机制，实现对起燃气涡轮发电机的有效保护，确保能够进行稳定运行，以避免故障发生时对发电机造成的影响。现代大型燃气涡轮发电机通常为低压启动，因此在明确发电机额定电压的基础上，需要对静止变频器的输出电压进程严格控制，根据启动流程中不同阶段的运行速度，将静止变频器的电压进行动态化控制，以对应启动过程中的电压变化。一般情况下燃气涡轮发电机的启动时常为10分钟左右，需要静止变频器控制在较低的频率，以达到启动时的工况要求。在燃气涡轮发电机组内部，设置有电流变换器来实现对电力系统进行保护，因此对该装置的性能有着较高的要求，确保在燃气涡轮发电机启动时能够有效的控制电流状况。在对燃气涡轮发电机起停机保护机制进行设计时，通过对相间故障的有效分析，能够有效的保证内部装置及系统的正常运转，利用相应的计算公式来实现对各个保护装置的参数进行调整，按照发电机组的运行需求来建立高效的起停机保护机制，从而实现燃气涡轮发电机的稳定启动和快速停机。

4静止变频器直流侧接地对燃气涡轮发电机的影响

对燃气涡轮发电机的起停机保护不仅需要对其内部运行故障进行控制，还应当对静止变频器等保护装置的运行状况进行维护，确保能够为发电机的启动过程提供有效的保护措施。其中需要重点关注的问题时静止变频器直流侧接地所造成的影响，需要在设备安装和维护是对该问题进行严格管理。通过对直流母线接地使的故障分量网络进行分析，结合对逆变桥的直流电压和直流母线的电压进行计算，能够及时的发现相关电网故障问题，从而为后续的故障处理工作提供有效的数据支持。在正常情况下，隔离变压器的绕组电阻较小，其额定容量也远大于接地变压器，因此直流接地故障的主要受接地变压器的影响。在直流母线接地电流小于静止变频器的输出电流时，通常不会对相关设备的运行效果造成影响，而由于接地变压器的容量较小，所以更容易在电流较大出现受损。对此，相关人员在安装和维护时应当设置对静止变频器的接地保护措施，从而减少对静止变频器的影响，确保燃气涡轮发电机的起停机保护机制的有效运作。

5保护算法面临的难题

区别于其他类型的发电机，燃气涡轮发电机的起停机保护算法更加困难，国际上常用的继电保护产品较为重视其低频性能，在算法上也有着显著的优势。针对相关算法问题，一般使用频率跟踪算法来调整相关保护机制的使用范围，从而使火力或水力等发电机组的保护算法应用到燃气涡轮发电机上。燃气涡轮发电机启动时的谐波畸变会对相关计算工作造成影响，其中硬件算法能够有效的抵抗信号干扰，但同时也会受内部装置和电流的限制。此外，利用数字滤波器计算有效值，能够根据燃气涡轮发电机的运行特点进行精确精算，且可以使用在多种范围的频率内，同时也能够有效的减少电磁干扰，从而保证算法设计与参数调整的有效性，确保能够为燃气涡轮发电机的启动提供有效保护。

结束语

燃气涡轮发电机作为能够高效发电的机组类型，在实际的建设过程中应当针对其起停机保护问题进行严格控制，以确保能够实现发电机组的稳定运行。燃气发电站在安装和维护过程中，需要针对静止变频器等装置的问题进行重点控制，通过对相关保护机制的高效建立，来提高对发电机启动的保护效果，进而保障燃气涡轮发电机的安全稳定运行。

参考文献

[1]钟守平,王洪林,陈佳胜,陈俊.大型燃气涡轮发电机组保护关键技术研究[J].电气技术,2021,22(12):67-72.

[2]伍赛特.燃气内燃发电机与燃气涡轮发电机的技术特点及其在分布式发电领域的应用对比[J].柴油机设计与制造,2021,27(01):57-58.

[3]伍赛特.燃气内燃发电机与燃气涡轮发电机的技术特点及其在分布式发电领域的应用对比[J].柴油机设计与制造,2020,26(04):29.

[4]冉毅.全氢冷燃气涡轮发电机空气间隙安装控制研究[J].东方电气评论,2020,34(01):60-63.DOI:10.13661/j.cnki.issn1001-9006.2020.01.014.