轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護(負序電流保護)

轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護(負序電流保護)第一頁，共21頁。楔與槽壁之間等接觸面上，形成過熱點，將轉(zhuǎn)子燒傷。倍頻電流還將使轉(zhuǎn)子的平均溫度升高，使轉(zhuǎn)子撓性槽附近斷面較小的部位和槽楔、阻尼環(huán)與阻尼條等分流較大的部位，形成局部高溫，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面金屬材料的強度下降，危機機組的安全。此外，若轉(zhuǎn)子本體與護環(huán)的溫差超過允許限度，將導(dǎo)致護環(huán)松脫，造成嚴重的破壞。國內(nèi)外發(fā)電機（特別是汽輪發(fā)電機）因負序電流燒傷轉(zhuǎn)子的事例屢見不鮮。因此，為防止發(fā)電機的轉(zhuǎn)子遭受負序電流的損傷，大型汽輪發(fā)電機都要求裝設(shè)比較完善的負序電流保護。發(fā)電機有一定的承受負序電流的能力。流過發(fā)電機定子繞組的負序電流，只要不超過規(guī)定的限度，轉(zhuǎn)子就不會遭到損傷。因此，發(fā)電機承受負序電流的能力，就是構(gòu)成和整定負序電流保護的主要依據(jù)。2第二頁，共21頁。對于水輪發(fā)電機，轉(zhuǎn)子各極都由疊片構(gòu)成，在相同的負序電流作用下，其附加損耗要比汽輪發(fā)電機小得多。例如一臺10萬kW汽輪發(fā)電機，當負序電流（以額定電流為基值的標幺值）時，轉(zhuǎn)子的附加損耗是轉(zhuǎn)子額定損耗的33倍；而無阻尼的水輪發(fā)電機，在相同的負序電流下，卻只有3~4倍。對有阻尼的水輪發(fā)電機，這個值還要小一些。因此，對水輪發(fā)電機負序電流保護的構(gòu)成方式，將于汽輪發(fā)電機有所不同。此外，負序電流流過定子繞組時，由于負序旋轉(zhuǎn)磁場相對于正序旋轉(zhuǎn)磁場以兩倍同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了倍頻交變電磁力矩，作用在轉(zhuǎn)子軸系和定子機座上，引起倍頻振動。通常，這種倍頻振動不是確定發(fā)電機承受負序電流能力的決定條件。3第三頁，共21頁。（二）發(fā)電機長期承受負序電流的能力發(fā)電機定子繞組中流過負序電流后，如其值超過一定數(shù)值，則轉(zhuǎn)子將受到損傷，甚至遭受破壞。因此發(fā)電機都要依其轉(zhuǎn)子的材料和結(jié)構(gòu)特點，規(guī)定長期承受負序電流的限額。這一限額我們用表示。汽輪發(fā)電機單機容量的增長，一方面靠增大電機尺寸，另一方面是改進冷卻方式，提高材料的利用率,因而電機尺寸并不隨容量成比例增長。這樣，大機組轉(zhuǎn)子表面的熱負荷便相應(yīng)提高，除勵磁電流產(chǎn)生的熱負荷增加外，氣隙磁密高次諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的熱負荷也明顯提高。例如，10萬kW汽輪發(fā)電機氣隙磁密高次諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的熱負荷約為5kW/，20萬kW機約為7kW/,而60萬kW機要增加到10~25kW/。因此對于大型汽輪發(fā)電機，其負序電流產(chǎn)生的熱負荷允許值要相應(yīng)降低，也就是承受負序電流的能力相應(yīng)降低為了提高長期承受負序電流的能力，大型汽輪發(fā)電4第四頁，共21頁。機要采取專門的措施。例如，裝設(shè)阻尼條和阻尼環(huán)、槽楔鍍銀、采用鋁青銅槽楔等。各國、各制造廠制造的汽輪發(fā)電機，長期承受的負序電流以額定電流為基值的標幺值表示時，一般有，容量較大的機組，其較小。對個別機組有的情況。對于水輪發(fā)電機，一般有阻尼繞組的，無阻尼繞組的。從電力系統(tǒng)的運行需要方面看，在有電氣機車等大型不對稱負荷的電力系統(tǒng)中，可取，其它情況下可取?？梢?，上述發(fā)電機長期承受負序電流的能力，在絕大多數(shù)情況下已滿足電力系統(tǒng)的實際需要。但是，由于定子額定線負荷的差異、轉(zhuǎn)子所用材料和允許溫升值的不同以及轉(zhuǎn)子正常熱負荷的差異,使不同廠的同一容量等級的發(fā)電機值也可能不同。5第五頁，共21頁。發(fā)電機長期承受負序電流的實際能力，要通過負序電流試驗加以校驗。施加負序電流后，測量轉(zhuǎn)子各部位的溫升，由轉(zhuǎn)子各部件允許溫度所限定的最小負序電流，即為值。因為是長期承受負序電流，所以材料的允許溫度要取比較低的數(shù)值。例如對鋁、鋁合金槽楔允許溫度不宜取得高于100，轉(zhuǎn)子本體鋼材不宜超過300。長期承受負序電流的能力，是負序電流保護的整定依據(jù)之一。當出現(xiàn)超過的負序電流時，保護裝置要可靠動作，發(fā)出聲光信號，以便及時處理。當其持續(xù)時間達到規(guī)定值，而負序電流尚未消除時，則應(yīng)當動作于切除發(fā)電機，以防負序電流造成損害。國外大型發(fā)電機的規(guī)定如下：日、捷、瑞典等8%6第六頁，共21頁。法國（50萬kW及以上）<6%~8%德國（30~40萬kVA）6%~8%（40萬kVA以上）<4%~6%意大利（32萬kW）6%英國10%~15%俄羅斯5%~6%美國間接冷卻式隱極機10%96萬kVA以下8%96.1~120萬kVA6%120.1~150萬kVA5%有阻尼10%無阻尼5%凸極機隱極機（直接冷卻式）7第七頁，共21頁。

對汽輪發(fā)電機的負序電流允許值，我國作如下規(guī)定：表5轉(zhuǎn)子直接冷卻式汽輪發(fā)電機的和8第八頁，共21頁。（三）發(fā)電機短時承受負序電流的能力1、發(fā)電機短時負序轉(zhuǎn)子發(fā)熱常數(shù)A在短時間內(nèi)，負序電流使轉(zhuǎn)子溫度升高的程度,與負序電流的大小及其持續(xù)時間t的長短有關(guān)。在給定的允許溫升下，若大則允許時間t就短。由于討論短時間內(nèi)負序電流對轉(zhuǎn)子的作用，所以將轉(zhuǎn)子視為絕熱體，并假設(shè)負序磁場產(chǎn)生的倍頻電流只在轉(zhuǎn)子本體和槽楔表面流動，所產(chǎn)生損耗全部用于轉(zhuǎn)子表面溫升，既不向周圍介質(zhì)散熱，也不沿轉(zhuǎn)子本體向大軸中心傳熱。汽輪發(fā)電機的短時負序轉(zhuǎn)子發(fā)熱常數(shù)A為：

（6-3-1）9第九頁，共21頁?；?/p>

（6-3-2）

式中：—以發(fā)電機額定電流為基值負序電流標幺值—持續(xù)時間

—發(fā)熱部分的表面平均溫升

—材料比熱

—感應(yīng)電流在轉(zhuǎn)子本體的透入深度

—感應(yīng)電流在槽楔中的透入深度

—槽楔的電阻率

—轉(zhuǎn)子鋼的電阻率

—定子額定線負荷10第十頁，共21頁。當持續(xù)時間t、所得時，發(fā)電機可以安全運行，因此發(fā)電機轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護的動作判據(jù)為：（6-3-3）對于間接冷卻式汽輪發(fā)電機，A=30；間接冷卻式水輪發(fā)電機，A=40。直接冷卻式發(fā)電機的A值小得多，這首先是因為這類機組的定子線負荷高。我國對轉(zhuǎn)子直接冷卻式汽輪發(fā)電機的A值見表5，即350MVA（即30萬kW）及以下，A=8；60萬kW機組A=7。美國ANSI規(guī)定，800MVA及以下汽輪發(fā)電機組A=10；800~1600MVA汽輪發(fā)電機組的A值為：由式（6-3-1）和式（6-3-2）可以看出：欲增大A值，必須首先減小定子額定線負荷，這就必然導(dǎo)致機組尺寸加大。A值還于轉(zhuǎn)子各部分材料性能有關(guān)。11第十一頁，共21頁。片面地為節(jié)省材料而過分降低A值是不恰當?shù)?，因為發(fā)電機在系統(tǒng)中運行要承受一定的，特別是系統(tǒng)采用單相重合閘的時候，發(fā)電機承受的時間t較長，較大。因此發(fā)電機合理的A值應(yīng)兼顧運行的需要和制造的節(jié)約。12第十二頁，共21頁。2、電力系統(tǒng)對A值的要求機端兩相短路即使住保護迅速跳開主斷路器，但滅磁過程較長，持續(xù)時間相應(yīng)也會增長，數(shù)值如圖68。最快的快速滅磁有；對于不可逆的晶閘管勵磁，可滿足要求；若磁場開關(guān)在140ms后斷流，則要求。若機端兩相短路由遠后備保護切除（切除時間設(shè)為3.5s），即使不考慮滅磁過程的殘磁影響，其為：

美國轉(zhuǎn)子負序允許值5.0140ms斷流的勵磁機磁場開關(guān)轉(zhuǎn)子負序允許值4.0英國轉(zhuǎn)子負序允許值2.5發(fā)電機磁場開關(guān)快速滅磁不可逆晶閘管勵磁圖68機端兩相短路時的13第十三頁，共21頁。要求A>19.6，對大型直接冷卻方式的汽輪發(fā)電機來說是太大了，為此應(yīng)從運行方面設(shè)法減小，最簡單有效的方法是摒棄大型發(fā)電機的遠后備保護方式，該用雙重快速主保護，使大大縮短，例如=0.1s，而=0.559，電機制造廠家就很容易滿足了。高壓系統(tǒng)兩相短路當升壓變高壓母線兩相短路時，對于不同的系統(tǒng)阻抗和不同的故障切除時間，（發(fā)電機負序電抗）關(guān)系曲線如圖69所示。按系統(tǒng)穩(wěn)定需要的故障切除時間，A值只要求不小于1.0；即使故障切除時間延長到0.5s，，A值也不大過1.5。如果采用遠后備保護，A值急劇增大。當高壓系統(tǒng)經(jīng)分支電抗兩相短路時，若A=5.0,對于不同，，允許持續(xù)時間t如圖7014第十四頁，共21頁。所示。圖71所示為美國的與允許持續(xù)時間t之間的關(guān)系，對于圖中討論的發(fā)電機組，定子繞組的溫升極限比轉(zhuǎn)子的負序過熱更威脅機組安全。根據(jù)以上分析可知：對于大型發(fā)-變組，只要不采用遠后備保護方式，從運行觀點出發(fā)，對A值要求并不高。如果采用重合閘和遠后備保護方式，對發(fā)電機A值的要求將大大提高，往往不能為電機制造廠接受。（故障切除時間）穩(wěn)定邊界定子繞組溫升極限（美）圖69系統(tǒng)兩相短路時的關(guān)系圖70經(jīng)兩相短路時發(fā)電機允許持續(xù)時間（）圖71經(jīng)兩相短路時發(fā)電機允許的關(guān)系（美）15第十五頁，共21頁。3、判據(jù)的運行實踐和修正國內(nèi)外發(fā)電機不對稱運行或短路的實踐結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有兩種不符合上述理論的情況，分述如下：，但發(fā)電機轉(zhuǎn)子已燒損（t<1s）這一情況可能由于該電機在制造過程中工藝有缺陷所引起，屬偶然因素，不必討論。（t>5s），發(fā)電機轉(zhuǎn)子并未燒壞對于t>5s后的散熱問題，曾提出轉(zhuǎn)子負序過負荷保護的第二個動作判據(jù)為：（6-3-4）式中：（6-3-5）其中：—轉(zhuǎn)子鋼導(dǎo)熱系數(shù)，。兩級A、B判據(jù)改進了A判據(jù)的不足，但目前國內(nèi)外對A判據(jù)尚有爭議，推廣應(yīng)用B判據(jù)為時尚早。16第十六頁，共21頁。（四）轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護的構(gòu)成由于大型發(fā)電機承受負序過負荷能力的下降，對負序保護的性能提出了較高的要求。對于中小型機組，國內(nèi)通常采用兩段定時限負序電流保護。Ⅰ段動作電流按與相鄰元件后備保護配合的條件整定。這種整定計算是復(fù)雜的。一般情況下，根據(jù)選擇性條取經(jīng)3~5s動作于跳閘。Ⅱ段動作電流按躲過長期允許的負序電流整定，一般取，經(jīng)5~10s動作于聲光信號。當把這兩段定時限負序電流保護用于A值2.51.02.01.50.50.0043.01016400I段動作區(qū)II段動作區(qū)圖72兩段定時限負序電流保護的動作特性與發(fā)電機承受負序電流能力的匹配情況17第十七頁，共21頁。（發(fā)電機短時負序轉(zhuǎn)子發(fā)熱常數(shù)）較小的大型汽輪發(fā)電機時，保護裝置的動作特性與按判據(jù)確定的允許負序電流曲線的匹配情況，如圖72所示。由圖中看出：在ab段內(nèi)，保護裝置的動作時間大于發(fā)電機允許時間，不安全。在bc段內(nèi)，保護裝置的動作時間小于發(fā)電機的允許時間，可以保證發(fā)電機的安全，但沒有充分利用發(fā)電機承受負序電流的能力。在cd段內(nèi)，保護裝置Ⅰ段不會動作。此時Ⅱ段動作后發(fā)出聲光信號，然后由值班人員處理。但在靠近C點的區(qū)域內(nèi)，實際上來不及處理。因此在這個區(qū)域內(nèi)，只靠發(fā)信號是不夠安全的。18第十八頁，共21頁。如果發(fā)電機長期允許的負序電流為，而Ⅱ段動作值為時，則在范圍內(nèi)，定時限負序電流保護裝置不能反應(yīng)。此外，上述兩段定時限負序電流保護，不能反應(yīng)負序電流變化時發(fā)電機轉(zhuǎn)子的熱積累過程，一