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1、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100250kA；对一 台60万kW机组，可达250300kA。这样大的倍频电 流流过转
2、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
3、 ，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34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
4、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
5、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1025kW/ 。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，
6、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30
7、0 。 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） 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
8、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。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35s动作于跳闸。段动作电流 按躲过长期允许 的负序电流 整定，一般取 ，经510s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 2.5 1.0 2.0 1.5 0.5 0.0 0 4 3.0 1016 400 I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
9、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： n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。 n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。 n在cd段内，保护装置段不会动作。此时段动作后 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 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
10、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 (a)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
11、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： （5-2-1） 其中a值是决定转子温升特性的常数，借以考虑转 子散热的影响。随着t增加，使动作特性适当上移。可 以取 。 20 对于大型机组,短 路电流中的非周期分 量所产生的影响比较 显著，以 为判据 的负序电流保护，在电 流大时间短的情况下， 并不能可靠地保障机组的安全。因此大型机组应有完 善的相间短路保护。另外考虑到反时限负序电流保护 继电器的 范围过大时制造有困难，因此割除反时限 特性中 值较大的部分，保留 较小部分的反时限特 性是比较合理的。 按照这一原则，反时限特性的上限电流，可按小 于变压器高压侧两相短路流过保护装置的负序电流整 定；而下限电流则按照接近信号段动作电流的条件来 进行整定。 2.5 1.0 2.0 1.5 0.5 0 图74 反时限负序电流保护的动作区 定时限 动作区 反时限 动作区 21
