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烧结余热发电项目发电机保护定值计算与分析
摘要：以钢厂烧结余热利用发电项目为对象，在钢厂配电网络复杂多元的情况下，研究自备电厂发电机的保护配置及整定计算。阐述整定计算过程，确保小型自备电厂的稳定运行，为类似发电机组整定计算提供参考。
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为响应国家“节能、减排”的号召，充分利用烧结环冷机废气的余热，本着“节约能源，保护环境”的原则，某钢厂决定新建烧结机余热发电项目。本烧结余热利用回收项目方案如下：二台180 m2烧结环冷机分别配置2台双压余热锅炉，产生的蒸汽汇集后进入一台15 MW补汽凝汽式汽轮发电机组，实现烧结矿余热回收、节能减排。利用烧结矿余热进行发电，缓解钢厂能源紧张局面。
余热电站发电机出口电压为10.5 kV。余热电站设10.5 kV母线，采用单母线分段，设置母联断路器的接线方式。发电自用后，余电通过1回10.5 kV并网联络线返送至烧结机高配室10.5 kV母线。
1、厂网状况
钢厂现有1座110 kV变电站，6座35 kV变电站，6台发电机组，30余座10 kV变电所。近几年厂内由于生产工艺需要，供电系统不断改造及扩容，同时上级电力系统短路参数发生了变化，运行方式不断调整，再加上大容量发电机组陆续并网接入，这些变化都对供配电系统的安全可靠性产生一定的影响。本次余热发电机组容量虽然不大，但并入的烧结机高配室10 kV段母线侧的短路电流峰值，已接近现有断路器的额定开断电流值。并网后若发生故障将对整个系统的稳定性产生较大影响，因此发电机组继电保护配置和保护定值计算至关重要。
2、发电机继电保护配置
发电机配置差动保护，定子绕组90%接地保护，发电机外部短路故障的复合电压起动的过电流保护，定子绕组的过负荷保护，励磁绕组过负荷保护，转子绕组一点、二点接地保护，发电机失磁等保护。同时10 kV联络线配置线路光纤差动保护，方向过电流，单相接地保护，复合电压闭锁过流保护。
3、发电机保护定值计算和分析
3.1 电气主接线
余热发电项目主接线图见图1。发电机直接接入10.5 kV厂用电母线，无主变。10.5 kV母线上接有电动机，并安装断路器。发电机出口设置10.5 kV母线，10.5 kV母线为单母线分段。设置一回并网线，高压母线承载高压电动机及厂用变压器。
图1机组主接线图
3.2 发电机参数及归算
额定功率：15 MW;额定电流：1031 A;额定电压：10500 V;额定转速：3000 r/min; 功率因数：0.8;效率：97.3%;直轴同步电抗(Xd):232.5%;直轴瞬变电抗(Xd′):23.2 %;直轴超瞬变电抗(Xd″):13.63%;最大运行方式：7564.1 A;最小运行方式：13101.5 A;电流互感器变比：1500/5。
3.3 发电机保护定值计算
3.3.1 差动保护
差动保护为加速切除保护范围内严重故障而设置，当任一相差流大于整定值，该保护瞬动。发电机差动保护动作特性采用传统两折线方式实现。
发电机二次额定电流：
差动速断电流定值：Idsd=3Ie=3×3.44=10.32A
灵敏度校验：发电机在以最小方式运行时，发电机机端发生两相短路时折算到二次侧的电流为：
比率差动启动电流值：Idqd=0.3Ie=0.3×3.44=1.032A
比率制动系数取0.6,拐点电流：Ir1=0.97Ie=0.97×3.44=3.337Α。
3.3.2 复合电压过电流保护
复压启动过流保护的配置为：两段2时限的复压过流和一段1时限的纯过流保护。分别动作于信号、停机或后备保护。
相低电压启动定值：Uop=0.65UN=0.65×100=65V
负序电压定值U
满足要求。延时整定：3.0s。
3.3.3 定子接地保护
发电机定子接地是保护发电机定子绕组单相接地故障，延时动作于跳闸。
基波零序电压：UOP=0.09UN=0.09×100=9.0V,延时取0.5 s。
3.3.4 转子接地保护
发电机转子接地保护反应励磁回路的一点或两点接地故障。装置采用“乒乓式”原理做到无死区的励磁绕组接地保护。
一点接地灵敏段电阻本工程取40 kΩ。延时t=5 s, 动作于信号。
一点接地普通段电阻本工程整定为20 kΩ。延时t=5 s。
当转子一点接地保护报警后，自动投入转子两点接地保护。保护装置继续测量接地电阻和接地位置，若再发生另一点接地故障，测得α位置值发生变化，当△α超过整定值，延时跳闸。△α取值10%,两点接地保护延时2 s。
3.3.5 低励/失磁保护
发电机低励或失磁是常见的故障形式，发生低励或失磁后，发电机将过渡到异步运行，转子转差，定子电流、电压，有功功率，无功功率等电量值将发生摆动，影响系统稳定运行，威胁发电机安全。
图2静稳边界阻抗圆特性图
保护装置采用静稳边界阻抗圆计算方法，两个定值为：
机端低电压保护定值
以系统允许的最低运行电压整定，本工程取0.95,Uset=95 V。延时0.5 s。
负序电流闭锁定值：I2set=(1.2-1.4)I2∞=1.4×0.08IGN=0.385A。
3.3.6 发电机逆功率保护
逆功率保护原理和判据
逆功率保护反应发电机从系统吸收有功功率的大小。电压取自发电机机端TV,电流取自中性点。
逆功率动作值
,信号延时5s,动作延时30s。
程跳逆功率保护，可有效的避免汽轮发电机组在停机过程中可能产生的超速或飞车损坏，其跳闸方式是：当异常运行保护动作后，不是首先跳发变组断路器，而是先关闭主汽门，通过程跳逆功率保护确认主汽门关闭且逆功率动作后，再解列灭磁。
程跳逆功率动作值为10W,延时为0.5s。
3.3.7 发电机定子对称过负荷保护定值
发电机定子由对称过负荷而引起的定子绕组过热，会导致绝缘老化、烧毁等故障。保护动作量取发电机机端的最大相电流，由定时限过负荷和反时限过电流组成。
定时限电流定值按发电机长期允许的负荷电流下能够可靠返回的条件整定。
,保护延时设置为5s。
反时限过负荷定值：Idn=KrelIop=1.05×4.013=4.214Α。
反时限特性的上限电流定值Iup按大于机端三相金属性短路的条件整定。
图3定子对称过负荷反时限动作特性
3.3.8 过电压
发电机过电压发应各种运行工况下的定子过电压，延时动作于解列灭磁。
过电压I段电压定值：
,延时0.5s动作于告警。
4、结束语
该项目发电机为利旧设备，投运前冷态试验，各项参数指标均合格，但考虑运行年限，在保护整定时，优先考虑了可靠性和速动性，适当降低选择性和灵敏性。机组投运2年，在厂网几次故障中，保护装置均可靠的保障了机组的安全运行，未出现拒动或者误动等现象。
参考文献:
[1] GB 14285—2023.继电保护和安全自动装置技术规程[S].
[2] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京:中国电力出版社.
文章来源:姜家志,赵鸿强,白金峰.烧结余热发电项目发电机保护定值计算与分析[J].电站系统工程,2024,40(06):57-58+61.
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