转子表层负序过负荷保护(负序电流保护)

2 A I2 t
cv 0.4d a


0.9 a A
a 0.6d c c
2 1
2
（6-3-1）
9
或
c cv 0.6d c 0.4d a a 2 A I2 t 0.9 c A12
2
（6-3-2）
I 2—以发电机额定电流为基值负序电流标幺值 式中： t —持续时间 s —发热部分的表面平均温升 C 3 cv —材料比热 W S cm C d c —感应电流在转子本体的透入深度 cm d a —感应电流在槽楔中的透入深度 cm a —槽楔的电阻率 cm c —转子钢的电阻率 cm A1—定子额定线负荷 A cm
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当 I 2持续时间t、所得 I 22t A 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 2 据为： （6-3-3） I2 t A 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： A 10 0.00625 Sn MVA 800 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 A1，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
7
对汽轮发电机的负序电流允许值，我 国作如下规定：
表5
2 转子直接冷却式汽轮发电机的 I 2 和 I 2 tA
Sn MVA
I 2
2 A I2 t
350 350 ~ 900 900 ~ 1250 1250 ~ 1600
0.08
8
0.08 Sn 350 3104 8 0.00545 Sn 350 0.08 Sn 350 3104
允许的 I 2 t 关系（美）
定子绕组温升
1 0.2s 0 0.1s 0.1 0.2
x2 0.16
0.3
0.4
2 2
0.5 x2
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 xb
图69 系统两相短路时 I t x2的关系
图70 经 xb两相短路时发电机 2 t 5） 允许持续时间（ I 2
所示。图71所示为美国的 I 2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 I 22t 5.0 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。 15
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
2 I2 t
6 5
xt 0.1
t s
~
xs
30 20 10 0
~
xt 0.1 xb x2 0.3
xs 0.15
I2
1.5
2 I2 t 10
4
3

2
1s（故障切除时间） 0.5s xs 0.7 1s xs 0
稳定边界
1.0
2 I2 t 5
2 I2 t 5
0.5 0.2 极限（美） 0.1 510 20 50 t s 图71 经 xb两相短路时发电机
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。
5 5
8
0.05
（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 I 2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 I 2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：
3、判据 I 22t A 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： 2 I 2 t A ，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。 2 I2 t A （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 2 保护的第二个动作判据为： （6-3-4） I2 t B 2 式中： B 1.77 dc cv 0.95 2 dc cv A12 c （6-3-5） W cm C 。 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。

美国转子负序允许值5.0 140ms断流的励 磁机磁场开关
5
4
3
转子负序允许值4.0
不可逆晶闸管励磁 英国转子负序允许值2.5
2 1
0
发电机磁场开 关快速灭磁
1
2
3
t s
图68 机端两相短路时的 I 22t
机端两相短路 即使住保护迅速跳开主断 I2 持 路器，但灭磁过程较长， 续时间相应也会增长，I 22t 数 值如图68。最快的快速灭磁 有I 22t 2.5 ；对于不可逆的晶闸 A 4 可满足要求；若 管励磁， 磁场开关在140ms后断流，则 要求 A 5 。 若机端两相短路由远后 备保护切除（切除时间 td 设 为3.5s），即使不考虑灭磁 2 I 过程的残磁影响，其 2 t为：
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 I 2 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/m 2，20万kW 机约为7kW/m 2,而60万kW机要增加到10~25kW/m 2。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 I 2 0.04 ~ 0.10 ，容量较大的机组，其 I 2 较小。对个别 机组有 I 2 0.10 ~ 0.15 的情况。对于水轮发电机，一般 有阻尼绕组的 I 2 0.10 ，无阻尼绕组的 I 2 0.05 。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 I 2 0.07 ~ 0.10 ，其它情况下 可取 I 2 0.04 ~ 0.06 。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 I 2值也可能不同。
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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 I 2 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 C ，转子本体钢材 不宜超过300 C 。 长期承受负序电流的能力 I 2 ，是负序电流保护的 整定依据之一。当出现超过 I 2 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 I 2 规定如下： 日、捷、瑞典等 8% 6