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转子表层负序过负荷保护(负序电流保护)
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  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 I2 ? 1 (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 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。 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 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 法国(50万kW及以上) 德国(30~40万kVA) (40万kVA以上) 意大利(32万kW) 英国 俄罗斯 美国 间接冷却式隐极机 隐极机 (直接冷却式) 96万kVA以下 96.1~120万kVA 120.1~150万kVA 凸极机 有阻尼 无阻尼 6%~8% 6%~8% 4%~6% 6% 10%~15% 5%~6% 10% 8% 6% 5% 10% 5% 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 t?A Sn ? MVA? I 2? 2 A ? I2 t ? 350 350 ~ 900 900 ~ 1250 1250 ~ 1600 0.08 8 0.08 ? ? Sn ? 350? 3?104 8 ? 0.00545 ? Sn ? 350?