摘要：近年来，燃气轮机联合循环电站在世界上发展十分迅速，燃气轮机只能通过其他动力来启动。用燃气轮机发电机通过SFC供电来拖动燃气轮机成为越来越普遍的启动方式。本文章从变频启动（SFC）系统和20Hz注入式定子接地保护技术特点，为燃机电厂SFC系统与定子接地保护的配合在启动调试过程出现的问题提供可参考文件。
关键词：燃机电站、变频启动、SFC、20Hz注入式定子接地保护
1引言
燃机电站的快速启动调峰，热效率利用高，能集体供热，低环境污染，厂用面积占地少等特点逐步成为大中型城市供热电厂替代电站，随着燃机发电机组容量不断提高，原由的异步电动机启动燃机的方式不能满足现设备启动要求，同时因轴系的启动力矩使启动电流瞬时增大对厂用电系统影响，提高了机组整体设备成本造价等因素；现阶段发展通过将同步发电机经SFC（变频器）转变为同步电动机来满足燃机机组的前期启动需求，满足了以设备技术缺陷，从而可以实现一套变频器装置系统可以为多台机组提供电源等优点。
2设备原理
2.1变频器启动系统介绍
启动初期同步发电机会以同步电动机的方式运行：静止变频器为发电机定子提供电压建立定子磁场，SEE（励磁系统）为发电子转子提供励磁电流建立转子磁场，发电机转子上产生的磁场与发电机定子磁场产生力矩带动燃机转子旋转， SFC通过控制逆变器晶闸管导通角度调节输出频率范围调节转速上升，当燃机转速达到65%或85%额定转速时（视不同机组而定），SFC和SEE同时退出运行即断开变频器输出隔离开关和励磁开关，此时燃机通过自身燃料做功继续维持转速上升，当转速至95%额定转速时燃控系统内的转速继电器动作，使SEE系统再次投入，为发电机转子提供励磁电流使发电机定子建压发电机并网。
按照SFC的运行设计一般分为不带发电机出口开关（GCB）和带发电机GCB两种，前者通过主变高压侧开关并网，并网前SFC直接输出至发电机和主变压器低压侧连接的母线上，并网带负荷后通过厂用电快切切换厂用电源；也不利之处在于当发电机故障时只能断开主变高压侧开关实现停机，扩大了保护范围。
发电机带GCB的一般是常用设计的燃机机组系统方式，在发电机和主变中间加设GCB，这样能减少发电机故障时的设备保护范围，还避免了机组事故停机或发电机停运时切换厂用电的操作等，正常启动运行时启动电源通过GCB的发电机侧SFC变频专用隔刀供至发电机出线母线上去。
2.2变频器（SFC）技术特点
启动变频器是通过整流逆变原通过改变逆变器输出频率调节同步电动机的转速，有SFC断路器、变压器、整流器、直流电抗器、逆变器、变频出口断路器、脉冲触发单元、控制单元等。
其中整流器将交流电压整为直流电源，在输出直流侧配有直流电抗器用来减少叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值,保持整流电流连续，减小电流脉动值,改善输出功率因数，逆变器是经大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的信号装置。
在逆变输出回路中，输出电路信号PMW载波调制等效于正弦波的脉宽变化的方波和整流、逆变器都是由非线性原件组成，在输出方波波形是近似于稳态正玄波波形在启动过程中变频器输入输出端都会产生高次谐波，从而偶次谐波和奇次谐波出现在系统当，但燃气在启动时大多数都处于低频阶段，在低频阶段系统中的谐波也会引起PT互感器二次线圈励磁饱和等。
同步发电机变频启时由两种运行方式：
一是在SFC和SEE投入前通过燃机控制系统将发电机中性点接地电阻前隔离刀断开，由于发电机中性点断开使发电机成为了三相不接地系统，会使系统在启动过程中产生不对称，一般来讲系统不对称会产生偶次谐波和奇次谐波出现在系统当中（例如3次谐波或9次谐波等），会对继电保护的零序分量保护造成误动等。
二是在SFC和SEE投入时不将发电机中性接地断开，发电机还是中性点接地系统，正常的中性点接地系统是一个三相对称系统不会出偶次谐波和奇次谐波，但是因SFC设备由较多非线性原件构成和发电机定子绕组工艺的细微差别，从而会出现不对称电流产生的零序电流从中性点流过，如在上文中所述的情况一样，系统在输出时也出现偶次谐波和奇次谐波，这也会引起继电保护装置误动。
2.3 20HZ注入式定子接地保护
100%定子接地保护采用外部注入20Hz低频交流电源的方法，与发生接地故障时产生的工频零序电压无关，可以测量包括发电机中性点在内的定子绕组的全部接地故障。它采用的测量原理完全不受发电机运行工况和停机状态下的的影响，测量工作持续进行。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆以下按照西门子100%定子接地保护原理介绍：
从发电机中性点注入一外部低频（20Hz）的交流电压源，其电源电压约为发电机额定电压的1％。如果在发电机中性点发生接地故障， 20Hz交流电压通过接地电阻产生电流。通过测量产生的驱动电压和故障电流，继电保护计算故障电阻。这个原理也检测在发电机端子发生的接地故障，也包括连接在机端的电压互感器。
从上述的保护原理，外部增加的20Hz信号发生器产生一个方波电压，幅值约为20Hz。通过带通滤波器，方波信号注入到接地变压器或者中性点变压器的二次侧负载电阻，带通滤波装是将方波信号转成正玄波信号，同时存储能量。带通滤波器20Hz时等值电阻约为8Ω。假设也有保护功能，在发电机机端发生接地保护故障时，负载电阻承受了全部的零序电压，带通滤波器本身有较高的串联电阻有效保护了20Hz信号发生器不受点的反馈电流冲击。
该保护功能具有报警和跳闸两个阶段。这两个阶段可用同一个时间继电器延时。检测接地电流只用于跳闸阶段。接地电阻测量值的判断被闭锁在10Hz和40Hz之间，因为在该频率范围内的零电压也可通过发电机启动或停机时产生。此零序电压会与注入到发电机中性点系统内的使20Hz电压叠加，从而导致测量误动和拒动。但是电阻测量功能在低于10Hz时投入，并在高于40 Hz时在整个系统当中测量到的接地电流是有效的。
3.案例叙述
沙特某燃机电站，机组是SGT6-PAC5000型发电机额定转速3600r/min,机组额定功率221MW额定电压60Hz。机组整套设计采用西门子SFC、SEE、发电机保护采用不同厂家双重配置（西门子和GE），发电机定子保护采用中性点20Hz注入式定子接地，配一套20Hz源发生装置，1个block两台机组各配置一套SFC和SEE，SFC装置互为备用。
GT11机组在调试阶段，第一次燃机高速清吹顺控启动，发电机GCB变频启动隔刀Q91，GT11SFC出口隔离开关依次投入，13KV SFC和SEE高压开关合闸，SFC和SEE投入同步发电机转为电动机运行，发电机转速稳定逐步上升，当燃机转速升至16%时，发电机保护盘柜跳闸出口继电器动作发出跳闸指令，机组跳机；SFC和SEE接收跳闸信号，同时推出运行。经过查看保护动作记录为发电机定子接地保护动作。后逐一对双保护检查发电机保护定值、保护接线回路和保护装置配置参数是否符合设计等无误。再次启动机组，同在在上述问题是机组跳闸。
经调取相关记录分析发现当燃机转速在16%时发电机定子保护动作，与调取频率曲线对比发现此时发电机频率约在9.6Hz左右，同时在SFC输出电流曲线上分析三相系统存在三相电流不平衡和输出电压近似正玄波波形。
4.结合案例分析
4.1结合上述保护工作原理和设备技术特性分析保护动作原因:
1）发电机变频启动在燃气启动初期投入运行直到燃机自身做功能够维持机组转速继续上升时退出运行，大多时间发电机变频启动时长期在低频区域运行，保护动作时正好在频率为9.6Hz，根据保护原理当发电机频率在10Hz以下该保护功能不被闭锁跳闸输出。
2）SFC在工作阶段输出的数据分析时，三相电流、电压随着转速上升，在前期启动低频阶段因SFC原件和负载原因出现系统不对称，后随转速逐步升高后此现象消除，在变频启动阶段发电机中性点是不断开运行的，由于不对称系统产生零序电流、电压注入到发电机中性点系统内使20Hz电压叠加影响了保护测量，使保护装置误动
3）SFC输出的方波波形是近似于稳态正玄波波形，20Hz定子接地电源发生器输出的方波通过滤波器后近似正玄波波形，可能由于20Hz电源受SFC启动低频阶段输出电源，两个近似波形使20Hz输出的电源叠加影响了保护测量，使保护装置误动。
4.2 解决方法：
经与现场厂家研究，使用GCB Q91变频隔刀合闸位置闭锁该保护直至SFC系统推出运行后开放该功能保护。
5.结束语
SFC启动时输出的电源，不止因产生的谐波对3谐波定子接地保护产生影响，同时也因自身在低频阶段运行时产生的零序电压和波形对20Hz保护装置测量和电源装置在10Hz以下时也会产生影响引起保护误动作。所以在变频机组中配置20Hz注入式定子接地保护功能时也要考虑SFC启动在10Hz以时通过外部隔刀位置闭锁该保护功能防止保护误动。随着大型SFC启动燃机机组常态化建设，SFC系统对发变组保护的影响相关技术研究需进一步深入、拓展和实践。
参考文献
[1]设备厂家技术说明书.
[2]电气变频调速设计技术.
[3]陈伟[三次谐波电压与20Hz信号注入定子接地保护整定分析]《中国电业:技术版》, 2012(1)第3节.
[4]罗德庭[发电机变频起动时波形分析及对策] 《中国电机工程学会青年学术会议》 2008 第2节.
论文作者:孙鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/22
标签：发电机论文; 定子论文; 谐波论文; 电压论文; 系统论文; 机组论文; 转速论文; 《电力设备》2017年第19期论文;