转子表层负序过负荷保护(负序电流保护)

转子表层负序过负荷保护（负序电流保护）（一）概述电力系统中发生不对称短路，或三相负荷不对称（例如电气机车、电弧炉等单相负荷）时，将有负序电流流过发电机的定子绕组，并在发电机中产生对转子以两倍同步转速旋转的磁场，从而在转子中产生倍频电流。对于汽轮发电机，上述倍频电流由于集肤效应的作用，主要在转子表面流通，并经转子本体、槽楔和阻尼条，在转子的端部附近约10%~30%的区域内沿周向构成闭合回路。这一周相电流，有很大的数值。例如，对一台50万kW汽轮发电机机端两相短路的估算，倍频电流在端部可达100~250kA；对一台60万kW机组，可达250~300kA。这样大的倍频电流流过转子表层时，将在护环与转子本体之间和槽1楔与槽壁之间等接触面上，形成过热点，将转子烧伤。倍频电流还将使转子的平均温度升高，使转子挠性槽附近断面较小的部位和槽楔、阻尼环与阻尼条等分流较大的部位，形成局部高温，从而导致转子表面金属材料的强度下降，危机机组的安全。此外，若转子本体与护环的温差超过允许限度，将导致护环松脱，造成严重的破坏。国内外发电机（特别是汽轮发电机）因负序电流烧伤转子的事例屡见不鲜。因此，为防止发电机的转子遭受负序电流的损伤，大型汽轮发电机都要求装设比较完善的负序电流保护。发电机有一定的承受负序电流的能力。流过发电机定子绕组的负序电流，只要不超过规定的限度，转子就不会遭到损伤。因此，发电机承受负序电流的能力，就是构成和整定负序电流保护的主要依据。2对于水轮发电机，转子各极都由叠片构成，在相同的负序电流作用下，其附加损耗要比汽轮发电机小得多。例如一台10万kW汽轮发电机，当负序电流（以额定电流为基值的标幺值）时，转子的附加损耗是转子额定损耗的33倍；而无阻尼的水轮发电机，在相同的负序电流下，却只有3~4倍。对有阻尼的水轮发电机，这个值还要小一些。因此，对水轮发电机负序电流保护的构成方式，将于汽轮发电机有所不同。此外，负序电流流过定子绕组时，由于负序旋转磁场相对于正序旋转磁场以两倍同步转速旋转，从而产生了倍频交变电磁力矩，作用在转子轴系和定子机座上，引起倍频振动。通常，这种倍频振动不是确定发电机承受负序电流能力的决定条件。3（二）发电机长期承受负序电流的能力发电机定子绕组中流过负序电流后，如其值超过一定数值，则转子将受到损伤，甚至遭受破坏。因此发电机都要依其转子的材料和结构特点，规定长期承受负序电流的限额。这一限额我们用表示。汽轮发电机单机容量的增长，一方面靠增大电机尺寸，另一方面是改进冷却方式，提高材料的利用率,因而电机尺寸并不随容量成比例增长。这样，大机组转子表面的热负荷便相应提高，除励磁电流产生的热负荷增加外，气隙磁密高次谐波在转子表面产生的热负荷也明显提高。例如，10万kW汽轮发电机气隙磁密高次谐波在转子表面产生的热负荷约为5kW/，20万kW机约为7kW/,而60万kW机要增加到10~25kW/。因此对于大型汽轮发电机，其负序电流产生的热负荷允许值要相应降低，也就是承受负序电流的能力相应降低为了提高长期承受负序电流的能力，大型汽轮发电4机要采取专门的措施。例如，装设阻尼条和阻尼环、槽楔镀银、采用铝青铜槽楔等。各国、各制造厂制造的汽轮发电机，长期承受的负序电流以额定电流为基值的标幺值表示时，一般有，容量较大的机组，其较小。对个别机组有的情况。对于水轮发电机，一般有阻尼绕组的，无阻尼绕组的。从电力系统的运行需要方面看，在有电气机车等大型不对称负荷的电力系统中，可取，其它情况下可取。可见，上述发电机长期承受负序电流的能力，在绝大多数情况下已满足电力系统的实际需要。但是，由于定子额定线负荷的差异、转子所用材料和允许温升值的不同以及转子正常热负荷的差异,使不同厂的同一容量等级的发电机值也可能不同。5发电机长期承受负序电流的实际能力，要通过负序电流试验加以校验。施加负序电流后，测量转子各部位的温升，由转子各部件允许温度所限定的最小负序电流，即为值。因为是长期承受负序电流，所以材料的允许温度要取比较低的数值。例如对铝、铝合金槽楔允许温度不宜取得高于100，转子本体钢材不宜超过300。长期承受负序电流的能力，是负序电流保护的整定依据之一。当出现超过的负序电流时，保护装置要可靠动作，发出声光信号，以便及时处理。当其持续时间达到规定值，而负序电流尚未消除时，则应当动作于切除发电机，以防负序电流造成损害。国外大型发电机的规定如下：日、捷、瑞典等8%6法国（50万kW及以上）<6%~8%德国（30~40万kVA）6%~8%（40万kVA以上）<4%~6%意大利（32万kW）6%英国10%~15%俄罗斯5%~6%美国间接冷却式隐极机10%96万kVA以下8%96.1~120万kVA6%120.1~150万kVA5%有阻尼10%无阻尼5%凸极机隐极机（直接冷却式）7

对汽轮发电机的负序电流允许值，我国作如下规定：表5转子直接冷却式汽轮发电机的和8（三）发电机短时承受负序电流的能力1、发电机短时负序转子发热常数A在短时间内，负序电流使转子温度升高的程度,与负序电流的大小及其持续时间t的长短有关。在给定的允许温升下，若大则允许时间t就短。由于讨论短时间内负序电流对转子的作用，所以将转子视为绝热体，并假设负序磁场产生的倍频电流只在转子本体和槽楔表面流动，所产生损耗全部用于转子表面温升，既不向周围介质散热，也不沿转子本体向大轴中心传热。汽轮发电机的短时负序转子发热常数A为：

（6-3-1）9或

（6-3-2）

式中：—以发电机额定电流为基值负序电流标幺值—持续时间

—发热部分的表面平均温升

—材料比热

—感应电流在转子本体的透入深度

—感应电流在槽楔中的透入深度

—槽楔的电阻率

—转子钢的电阻率

—定子额定线负荷10当持续时间t、所得时，发电机可以安全运行，因此发电机转子表层负序过负荷保护的动作判据为：（6-3-3）对于间接冷却式汽轮发电机，A=30；间接冷却式水轮发电机，A=40。直接冷却式发电机的A值小得多，这首先是因为这类机组的定子线负荷高。我国对转子直接冷却式汽轮发电机的A值见表5，即350MVA（即30万kW）及以下，A=8；60万kW机组A=7。美国ANSI规定，800MVA及以下汽轮发电机组A=10；800~1600MVA汽轮发电机组的A值为：由式（6-3-1）和式（6-3-2）可以看出：欲增大A值，必须首先减小定子额定线负荷，这就必然导致机组尺寸加大。A值还于转子各部分材料性能有关。11片面地为节省材料而过分降低A值是不恰当的，因为发电机在系统中运行要承受一定的，特别是系统采用单相重合闸的时候，发电机承受的时间t较长，较大。因此发电机合理的A值应兼顾运行的需要和制造的节约。122、电力系统对A值的要求机端两相短路即使住保护迅速跳开主断路器，但灭磁过程较长，持续时间相应也会增长，数值如图68。最快的快速灭磁有；对于不可逆的晶闸管励磁，可满足要求；若磁场开关在140ms后断流，则要求。若机端两相短路由远后备保护切除（切除时间设为3.5s），即使不考虑灭磁过程的残磁影响，其为：

美国转子负序允许值5.0140ms断流的励磁机磁场开关转子负序允许值4.0英国转子负序允许值2.5发电机磁场开关快速灭磁不可逆晶闸管励磁图68机端两相短路时的13要求A>19.6，对大型直接冷却方式的汽轮发电机来说是太大了，为此应从运行方面设法减小，最简单有效的方法是摒弃大型发电机的远后备保护方式，该用双重快速主保护，使大大缩短，例如=0.1s，而=0.559，电机制造厂家就很容易满足了。高压系统两相短路当升压变高压母线两相短路时，对于不同的系统阻抗和不同的故障切除时间，（发电机负序电抗）关系曲线如图69所示。按系统稳定需要的故障切除时间，A值只要求不小于1.0；即使故障切除时间延长到0.5s，，A值也不大过1.5。如果采用远后备保护，A值急剧增大。当高压系统经分支电抗两相短路时，若A=5.0,对于不同，，允许持续时间t如图7014所示。图71所示为美国的与允许持续时间t之间的关系，对于图中讨论的发电机组，定子绕组的温升极限比转子的负序过热更威胁机组安全。根据以上分析可知：对于大型发-变组，只要不采用远后备保护方式，从运行观点出发，对A值要求并不高。如果采用重合闸和远后备保护方式，对发电机A值的要求将大大提高，往往不能为电机制造厂接受。（故障切除时间）稳定边界定子绕组温升极限（美）图69系统两相短路时的关系图70经两相短路时发电机允许持续时间（）图71经两相短路时发电机允许的关系（美）153、判据的运行实践和修正国内外发电机不对称运行或短路的实践结果，发现有两种不符合上述理论的情况，分述如下：，但发电机转子已烧损（t<1s）这一情况可能由于该电机在制造过程中工艺有缺陷所引起，属偶然因素，不必讨论。（t>5s），发电机转子并未烧坏对于t>5s后的散热问题，曾提出转子负序过负荷保护的第二个动作判据为：（6-3-4）式中：（6-3-5）其中：—转子钢导热系数，。两级A、B判据改进了A判据的不足，但目前国内外对A判据尚有争议，推广应用B判据为时尚早。16（四）转子表层负序过负荷保护的构成由于大型发电机承受负序过负荷能力的下降，对负序保护的性能提出了较高的要求。对于中小型机组，国内通常采用两段定时限负序电流保护。Ⅰ段动作电流按与相邻元件后备保护配合的条件整定。这种整定计算是复杂的。一般情况下，根据选择性条取经3~5s动作于跳闸。Ⅱ段动作电流按躲过长期允许的负序电流整定，一般取，经5~10s动作于声光信号。当把这两段定时限负序电流保护用于A值2.51.02.01.50.50.0043.01016400I段动作区II段动作区图72两段定时限负序电流保护的动作特性与发电机承受负序电流能力的匹配情况17（发电机短时负序转子发热常数）较小的大型汽轮发电机时，保护装置的动作特性与按判据确定的允许负序电流曲线的匹配情况，如图72所示。由图中看出：在ab段内，保护装置的动作时间大于发电机允许时间，不安全。在bc段内，保护装置的动作时间小于发电机的允许时间，可以保证发电机的安全，但没有充分利用发电机承受负序电流的能力。在cd段内，保护装置Ⅰ段不会动作。此时Ⅱ段动作后发出声光信号，然后由值班人员处理。但在靠近C点的区域内，实际上来不及处理。因此在这个区域内，只靠发信号是不够安全的。18如果发电机长期允许的负序电流为，而Ⅱ段动作值为时，则在范围内，定时限负序电流保护装置不能反应。此外，上述两段定时限负序电流保护，不能反应负序电流变化时发电机转子的热积累过程，一般只用于A值很大的空冷式机组，特别是水轮发电机组。为防止发电机转子遭受负序电流的损害，对于大型汽轮发电机，国内外都要求装设与发电机承受能力相匹配的反时限负序电流保护。保护装置动作特性曲线保护装置动作特性曲线(a)图73反时限负序电流保护动作特性与发电机的匹配情况保护动作特性在允许的负序电流曲线的上面(b)保护动作特性在允许的负序电流曲线的下面(b)19反时限负序电流保护的动作特性与发电机承受负序电流能力的匹配情况如图73所示。图73(a)中，动作特性在允许的负序电流曲线上面。这种匹配方式可以避免在发电机还没有危险的情况下切除发电机。图73(b)中，动作特性则在下面。其特点是在负序电流尚未达到但已接近允许值的情况下将发电机切除，在安全方面比较有利。但是，由于这一判据在长时间区域内是偏于保守的，实际允许的负序电流值要比按确定的大。因此，负序保护的动作特性通常采取图73(a)所示的匹配方式。此时，保护装置的动作特性可表示为：