轉(zhuǎn)子表層負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)(負(fù)序電流保護(hù))

轉(zhuǎn)子表層負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)(負(fù)序電流保護(hù))第一頁，共21頁。楔與槽壁之間等接觸面上，形成過熱點(diǎn)，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(qiáng)度下降，危機(jī)機(jī)組的安全。此外，若轉(zhuǎn)子本體與護(hù)環(huán)的溫差超過允許限度，將導(dǎo)致護(hù)環(huán)松脫，造成嚴(yán)重的破壞。國內(nèi)外發(fā)電機(jī)（特別是汽輪發(fā)電機(jī)）因負(fù)序電流燒傷轉(zhuǎn)子的事例屢見不鮮。因此，為防止發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子遭受負(fù)序電流的損傷，大型汽輪發(fā)電機(jī)都要求裝設(shè)比較完善的負(fù)序電流保護(hù)。發(fā)電機(jī)有一定的承受負(fù)序電流的能力。流過發(fā)電機(jī)定子繞組的負(fù)序電流，只要不超過規(guī)定的限度，轉(zhuǎn)子就不會(huì)遭到損傷。因此，發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流的能力，就是構(gòu)成和整定負(fù)序電流保護(hù)的主要依據(jù)。2第二頁，共21頁。對于水輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子各極都由疊片構(gòu)成，在相同的負(fù)序電流作用下，其附加損耗要比汽輪發(fā)電機(jī)小得多。例如一臺10萬kW汽輪發(fā)電機(jī)，當(dāng)負(fù)序電流（以額定電流為基值的標(biāo)幺值）時(shí)，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(jī)，在相同的負(fù)序電流下，卻只有3~4倍。對有阻尼的水輪發(fā)電機(jī)，這個(gè)值還要小一些。因此，對水輪發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)的構(gòu)成方式，將于汽輪發(fā)電機(jī)有所不同。此外，負(fù)序電流流過定子繞組時(shí)，由于負(fù)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(jī)座上，引起倍頻振動(dòng)。通常，這種倍頻振動(dòng)不是確定發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流能力的決定條件。3第三頁，共21頁。（二）發(fā)電機(jī)長期承受負(fù)序電流的能力發(fā)電機(jī)定子繞組中流過負(fù)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(jī)都要依其轉(zhuǎn)子的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，規(guī)定長期承受負(fù)序電流的限額。這一限額我們用表示。汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增長，一方面靠增大電機(jī)尺寸，另一方面是改進(jìn)冷卻方式，提高材料的利用率,因而電機(jī)尺寸并不隨容量成比例增長。這樣，大機(jī)組轉(zhuǎn)子表面的熱負(fù)荷便相應(yīng)提高，除勵(lì)磁電流產(chǎn)生的熱負(fù)荷增加外，氣隙磁密高次諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的熱負(fù)荷也明顯提高。例如，10萬kW汽輪發(fā)電機(jī)氣隙磁密高次諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的熱負(fù)荷約為5kW/，20萬kW機(jī)約為7kW/,而60萬kW機(jī)要增加到10~25kW/。因此對于大型汽輪發(fā)電機(jī)，其負(fù)序電流產(chǎn)生的熱負(fù)荷允許值要相應(yīng)降低，也就是承受負(fù)序電流的能力相應(yīng)降低為了提高長期承受負(fù)序電流的能力，大型汽輪發(fā)電4第四頁，共21頁。機(jī)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(jī)，長期承受的負(fù)序電流以額定電流為基值的標(biāo)幺值表示時(shí)，一般有，容量較大的機(jī)組，其較小。對個(gè)別機(jī)組有的情況。對于水輪發(fā)電機(jī)，一般有阻尼繞組的，無阻尼繞組的。從電力系統(tǒng)的運(yùn)行需要方面看，在有電氣機(jī)車等大型不對稱負(fù)荷的電力系統(tǒng)中，可取，其它情況下可取。可見，上述發(fā)電機(jī)長期承受負(fù)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(shí)際需要。但是，由于定子額定線負(fù)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(fù)荷的差異,使不同廠的同一容量等級的發(fā)電機(jī)值也可能不同。5第五頁，共21頁。發(fā)電機(jī)長期承受負(fù)序電流的實(shí)際能力，要通過負(fù)序電流試驗(yàn)加以校驗(yàn)。施加負(fù)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(fù)序電流，即為值。因?yàn)槭情L期承受負(fù)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(fù)序電流的能力，是負(fù)序電流保護(hù)的整定依據(jù)之一。當(dāng)出現(xiàn)超過的負(fù)序電流時(shí)，保護(hù)裝置要可靠動(dòng)作，發(fā)出聲光信號，以便及時(shí)處理。當(dāng)其持續(xù)時(shí)間達(dá)到規(guī)定值，而負(fù)序電流尚未消除時(shí)，則應(yīng)當(dāng)動(dòng)作于切除發(fā)電機(jī)，以防負(fù)序電流造成損害。國外大型發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)隱極機(jī)（直接冷卻式）7第七頁，共21頁。

對汽輪發(fā)電機(jī)的負(fù)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(jī)的和8第八頁，共21頁。（三）發(fā)電機(jī)短時(shí)承受負(fù)序電流的能力1、發(fā)電機(jī)短時(shí)負(fù)序轉(zhuǎn)子發(fā)熱常數(shù)A在短時(shí)間內(nèi)，負(fù)序電流使轉(zhuǎn)子溫度升高的程度,與負(fù)序電流的大小及其持續(xù)時(shí)間t的長短有關(guān)。在給定的允許溫升下，若大則允許時(shí)間t就短。由于討論短時(shí)間內(nèi)負(fù)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(fù)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(dòng)，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(jī)的短時(shí)負(fù)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(jī)額定電流為基值負(fù)序電流標(biāo)幺值—持續(xù)時(shí)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(fù)荷10第十頁，共21頁。當(dāng)持續(xù)時(shí)間t、所得時(shí)，發(fā)電機(jī)可以安全運(yùn)行，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表層負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為：（6-3-3）對于間接冷卻式汽輪發(fā)電機(jī)，A=30；間接冷卻式水輪發(fā)電機(jī)，A=40。直接冷卻式發(fā)電機(jī)的A值小得多，這首先是因?yàn)檫@類機(jī)組的定子線負(fù)荷高。我國對轉(zhuǎn)子直接冷卻式汽輪發(fā)電機(jī)的A值見表5，即350MVA（即30萬kW）及以下，A=8；60萬kW機(jī)組A=7。美國ANSI規(guī)定，800MVA及以下汽輪發(fā)電機(jī)組A=10；800~1600MVA汽輪發(fā)電機(jī)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(fù)荷，這就必然導(dǎo)致機(jī)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(dāng)?shù)?，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在系統(tǒng)中運(yùn)行要承受一定的，特別是系統(tǒng)采用單相重合閘的時(shí)候，發(fā)電機(jī)承受的時(shí)間t較長，較大。因此發(fā)電機(jī)合理的A值應(yīng)兼顧運(yùn)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(jī)端兩相短路即使住保護(hù)迅速跳開主斷路器，但滅磁過程較長，持續(xù)時(shí)間相應(yīng)也會(huì)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(lì)磁，可滿足要求；若磁場開關(guān)在140ms后斷流，則要求。若機(jī)端兩相短路由遠(yuǎn)后備保護(hù)切除（切除時(shí)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(fù)序允許值5.0140ms斷流的勵(lì)磁機(jī)磁場開關(guān)轉(zhuǎn)子負(fù)序允許值4.0英國轉(zhuǎn)子負(fù)序允許值2.5發(fā)電機(jī)磁場開關(guān)快速滅磁不可逆晶閘管勵(lì)磁圖68機(jī)端兩相短路時(shí)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(jī)來說是太大了，為此應(yīng)從運(yùn)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(jī)的遠(yuǎn)后備保護(hù)方式，該用雙重快速主保護(hù)，使大大縮短，例如=0.1s，而=0.559，電機(jī)制造廠家就很容易滿足了。高壓系統(tǒng)兩相短路當(dāng)升壓變高壓母線兩相短路時(shí)，對于不同的系統(tǒng)阻抗和不同的故障切除時(shí)間，（發(fā)電機(jī)負(fù)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(shí)間，A值只要求不小于1.0；即使故障切除時(shí)間延長到0.5s，，A值也不大過1.5。如果采用遠(yuǎn)后備保護(hù)，A值急劇增大。當(dāng)高壓系統(tǒng)經(jīng)分支電抗兩相短路時(shí)，若A=5.0,對于不同，，允許持續(xù)時(shí)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(shí)間t之間的關(guān)系，對于圖中討論的發(fā)電機(jī)組，定子繞組的溫升極限比轉(zhuǎn)子的負(fù)序過熱更威脅機(jī)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(yuǎn)后備保護(hù)方式，從運(yùn)行觀點(diǎn)出發(fā)，對A值要求并不高。如果采用重合閘和遠(yuǎn)后備保護(hù)方式，對發(fā)電機(jī)A值的要求將大大提高，往往不能為電機(jī)制造廠接受。（故障切除時(shí)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(shí)的關(guān)系圖70經(jīng)兩相短路時(shí)發(fā)電機(jī)允許持續(xù)時(shí)間（）圖71經(jīng)兩相短路時(shí)發(fā)電機(jī)允許的關(guān)系（美）15第十五頁，共21頁。3、判據(jù)的運(yùn)行實(shí)踐和修正國內(nèi)外發(fā)電機(jī)不對稱運(yùn)行或短路的實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子已燒損（t<1s）這一情況可能由于該電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子并未燒壞對于t>5s后的散熱問題，曾提出轉(zhuǎn)子負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)的第二個(gè)動(dòng)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(jìn)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(shí)尚早。16第十六頁，共21頁。（四）轉(zhuǎn)子表層負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)的構(gòu)成由于大型發(fā)電機(jī)承受負(fù)序過負(fù)荷能力的下降，對負(fù)序保護(hù)的性能提出了較高的要求。對于中小型機(jī)組，國內(nèi)通常采用兩段定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù)。Ⅰ段動(dòng)作電流按與相鄰元件后備保護(hù)配合的條件整定。這種整定計(jì)算是復(fù)雜的。一般情況下，根據(jù)選擇性條取經(jīng)3~5s動(dòng)作于跳閘。Ⅱ段動(dòng)作電流按躲過長期允許的負(fù)序電流整定，一般取，經(jīng)5~10s動(dòng)作于聲光信號。當(dāng)把這兩段定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù)用于A值2.51.02.01.50.50.0043.01016400I段動(dòng)作區(qū)II段動(dòng)作區(qū)圖72兩段定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù)的動(dòng)作特性與發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流能力的匹配情況17第十七頁，共21頁。（發(fā)電機(jī)短時(shí)負(fù)序轉(zhuǎn)子發(fā)熱常數(shù)）較小的大型汽輪發(fā)電機(jī)時(shí)，保護(hù)裝置的動(dòng)作特性與按判據(jù)確定的允許負(fù)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(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間大于發(fā)電機(jī)允許時(shí)間，不安全。在bc段內(nèi)，保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間小于發(fā)電機(jī)的允許時(shí)間，可以保證發(fā)電機(jī)的安全，但沒有充分利用發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流的能力。在cd段內(nèi)，保護(hù)裝置Ⅰ段不會(huì)動(dòng)作。此時(shí)Ⅱ段動(dòng)作后發(fā)出聲光信號，然后由值班人員處理。但在靠近C點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，實(shí)際上來不及處理。因此在這個(gè)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(jī)長期允許的負(fù)序電流為，而Ⅱ段動(dòng)作值為時(shí)，則在范圍內(nèi)，定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù)裝置不能反應(yīng)。此外，上述兩段定時(shí)限負(fù)序電流保護(hù)，不能反應(yīng)負(fù)序電流變化時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱積累過程，一