发电机在启动或停机过程中有励磁电流流过励磁绕组（因误操作、机组低转速下并列、盘车状态利用励磁绕组对转子预热），此时定子电压的频率很低，许多保护在低频下不起作用，通常要装设反应定子接地故障和相间故障、由电磁式继电器构成的保护装置，这种保护称为启停机保护或启动保护，也称为低频运行保护。靠发电机出口开关合闸时的辅助接点自动投入。例如为发电机—变压器组启动和停机过程的保护可装设相间短路保护和定子接地保护各一套，将整定值降低，只作低频工况下的辅助保护，在正常工频运行时应退出，以免发生误动作。为此辅助保护的出口受断路器的辅助触点或低频继电器触点控制。

发电机差动保护在燃气轮机启动期间不仅方案复杂、实现困难，而且灵敏度也不如简单的过流保护，因此，在启动期间需要退出运行。考虑到燃气轮发电机不仅启动频繁，而且启动过程持续时间长，因此，有必要装设专门针对启动期间相间故障的低频过流保护，并能在发电机并网后自动退出。在微机保护技术日益进步和广泛应用的今天，对低频过流保护的研究不可能仍然停留在单纯的电流变换器或电磁型继电器的选型设计方面，更多的工作需要考虑保护原理的程序实现和定值整定问题。^[1]

启动过程中，燃气轮发电机转速极低，励磁调节器的性能不良或调节过慢极易导致发电机过激磁，须装设过激磁保护。SIEMENS公司7UM62的过激磁保护在11Hz~69Hz频率范围内均能正常运行，而ABB公司REG316的过激磁保护能够正确运行的频率范围为（0.5~1.2）

。但是，常规过激磁保护的程序实现均是以有效的电压和频率计算为前提，这对于处于启动过程的燃气轮发电机的过激磁保护来说，是一个严峻的挑战。^[1]

在燃气轮发电机启动期间，静止变频器直流侧出现的接地故障极有可能导致发电机中性点接地变压器损坏，因此，必须装设针对静止变频器直流侧接地故障的保护。当然，如果静止变频器本身已经具备直流侧接地保护功能，如GE公司的静止变频器，此时发电机保护可不必重复配置。实现静止变频器直流侧接地故障保护的关键在于设计可靠的直流电流测量回路，这需要在发电机或接地变压器的中性点侧装设专门的取样电阻，如图1所示。

取样电阻的取值需考虑下列因素：

1）启动期间，同时发生静止变频器直流侧接地和定子绕组单相接地，取样电阻两端的电压不应超过电压变送器允许的水平。

2）正常运行时，发生定子绕组单相接地，取样电阻两端的电压不应超过电压变送器允许的水平。静止变频器直流侧接地保护的动作方程为：

式中：

为继电器动作值。直流故障电流经采样电阻转换为电压量，经滤波处理后输入到一个典型的过量继电器。当故障电流超过一定值时，过量继电器动作，可将静止变频器整流桥置于逆变状态，然后闭锁换流器，直至跳开电源侧断路器。

保护定值的选取需要考虑接地变压器实际允许的过载能力，计算公式为：

式中：

为接地变压器的高压侧额定电流；

一 般取1.5。^[1]

燃气轮发电机启动期间是否有必要装设定子接地保护，需要根据燃气轮机的启动特性、发电机的定子绕组电容参数以及中性点接地方式来定。尽管现代燃气轮发电机的启动过程属于典型的降压和低频运行工况，但仍有可能出现较大的单相接地故障电流。

定子接地保护的原理很多，究竟选用何种原理，则需要考虑燃气轮发电机启动过程的电气特征。20Hz电源注入式定子接地保护尽管灵敏度高，对于常规机组能够全程投入，但是其动作性能对发电机的频率偏移比较敏感，一般不推荐在10Hz~40Hz范围内使用，而燃气轮发电机的启动过程大部分时间处于上述频段内，因此，不适合作为启动期间发电机定子绕组接地故障的保护。燃气轮发电机在启动期间，由于定子绕组始终带电，发生定子接地时肯定存在零序电压，可以选择基波零序电压保护作为启动期间定子绕组单相接地故障的主保护。同时，由于在启动期间燃气轮发电机组的出口断路器GCB打开，定子接地保护的灵敏度不必考虑外部系统单相接地故障的影响，保护定值可适当降低。^[1]

燃气轮发电机广泛采用静止变频器起动不仅因为变频器自身的性能优良，还因为这种起动方式对电机的绕组结构没有特殊要求，甚至同一电厂的多台机组可共用一台变频器起动。但是，采用静止变频器起动也使燃气轮发电机起动过程的电气特性明显区别于常规的水电和火电机组，主要表现在绕组电流的间断特性、起动过程的低频特性和严重的波形畸变特性。

从功能上划分，静止变频器可分为整流桥、逆变桥以及将二者连接在一起的直流平波电抗器三部分。除此以外，还有降低整流桥工作电压的隔离变压器和限制逆变器电流上升率的输出电抗器。图3给出了常见SFC的简化原理图。

根据发电机转速的高低，SFC具有两种运行模式：脉冲运行模式和自然换相模式，并能在起动过程中自动切换。由于除换相过程外，逆变器同时只能有两个阀元件导通，因此燃气轮发电机的定子绕组在起动过程中仅有两相绕组存在电流流通，定子电流呈现明显的间断性。电流互感器的二次侧输出电流与静止变频器的运行模式有关。在脉冲运行阶段，定子电流可认为是矩形直流，电流互感器仅在逆变桥强制换相期间才有电流输出。而在自然换相阶段，发电机的转速已经足够高，尽管定子电流仍存在间断性，但电流互感器二次绕组的续流作用足以维持连续的电流输出，此时我们可认为定子绕组的电流是存在严重畸变的正弦波。两种运行模式的切换频率与具体的工程条件有关，对国内使用的静止变频器来说，切换频率一般不会超过5Hz。从保护的角度出发，起停机保护应能在频率大于5Hz后正确运行。

图4是目前常见的燃气轮机电站工程的起动特性，图中Ne、Ie、Ue分别表示燃气轮发电机的额定转速、静止变频器输出电流和电压的额定值。其中，图4(a)表示燃气轮发电机的转速随时间的变化关系以及燃气轮机所处的起动进程。可以看出，在整个起动期间，发电机的相对转速均小于70%，因此燃气轮发电机组的起停机保护必须具有明显的低频特性。图4(c)表示发电机定子电压随时间变化的关系以及控制器在不同区段采用的控制策略。为了防止过激磁，在起动过程的初始阶段，SFC采取恒压频比控制；随着发电机转速的上升，SFC由恒压频比控制逐步过渡到恒压控制。从完善起停机保护的配置方案出发，必须考虑由于控制器失灵、响应速度过慢等原因所导致的过激磁事件的发生，因此起停机保护必须配置过激磁保护。

故障分析是继电保护原理设计、定值计算和元器件选型的基础，起停机保护必须考虑起动期间相间故障的具体特点才能保证正常运行和可靠动作。

假设发电机采用次暂态电抗后的电动势模型，发电机以额定电压和额定频率空载运行时发生机端三相短路，此式三相短路电流

的计算公式为：

其中，

为发电机的空载电势；

为发电机的直轴次暂态电抗；

为与对应的电感参数，一般可认为是恒值。

现代大型燃气轮发电机常采用降压起动方式。实际工程中，对发电机额定电压为18kV及以上的情况，静止变频器的输出电压约为发电机额定电压的1/6。考虑到燃气轮发电机在起动过程中，起动、清洗、暖机等过程时间较长，约10分钟；频率较低，约为额定频率的1/4，因此可选择此时为典型工况。当起动期间出现机端三相短路时，燃气轮发电机组的短路电流为：

上式中，

、

添加下标s表示起动期间相应的电气参数。可以看出，燃气轮发电机起动过程中的故障不会比正常运行时的同类故障更严重。考虑到大型燃气轮发电机直轴次暂态电抗的标幺值一般都在（2.0~15.0）之间，因此起动过程中的三相短路电流约为其额定电流的（3～5）倍。保护装置内部的电流变换器对装置的性能有重要影响，其传变特性依赖于铁心的磁感应强度。当互感器二次负载一定时，起动期间电流变换器铁心的磁感应强度

与电流的幅值-频率之比成正比，即有：

其中，

为电流变换器额定工况下的磁感应强度。因此，按照40倍过载能力选型的电流变换器在燃气轮发电机起动期间一般不会出现铁心饱和现象。