负序电流对发电机转子的危害分析及防范措施_沈波

2007 年第 5 期
沈 波 , 等 :负序电流对发电机转子的危害分析及防范措施
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绝热过程中 , 忽略热量的传导作用 , 损耗和 转子本身的热容量决定转子温升 。
运行实践表明 , 容量较小的发电机因定 子线负荷较低 , 转子热容量相对负荷而言较 大 , 同时转子机械强度相对额定扭矩的裕量 较大 , 因而承受稳态和暂态负序电流的能力 都较强 。 大容量发电机的定子线负荷较高 , 转子本身热容量相对于负荷来说较小 , 正常 运行时主要依靠高效的冷却系统散热 。 发生 短时不对称故障的绝热过程中 , 转子结构件 温升大 , 容易造成转子过热甚至烧损 。
以(I 2/I N)2t =A 作为判据即能反映转子对 负序电流所产生的损耗的承受能力 。 同时转 子表面的局部温度与平均温度之比为 2 。(I 2/ IN)2t =A 是 负 序 电流 I 2 与故 障 时 间 t 的函 数 , 通常发电机的负序保护即以(I 2/IN)2t =A 作为反时限整定的依据 。 国标 《透平型同步 电机技术要求》 (GB/T 7064 -1996)规定的负 序能力如表 3 。
表 2 是国内 一些制造厂(单位)提出 的汽 轮发电机稳态负序能力的试验值 。 正常结构 设计的发电机 , 其 I 2/IN 皆大于 0 .1 。 2 .2 暂态负序能力分析
表 2 汽轮发电机稳态负 序能力
发电机型号
容量/MW
冷却方式
I2/ IN试验值
SQF-100 -2
100
QFS -125 -2
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浙江电力
2007 年第 5 期
决定 , 由于持续时间较短 , 故不受转子绝缘 材料的长期允许温度限制 。 国标 JB/T 8445 1996 规定的 转子结构件材料(金属)允 许最高 温度见表 1 。
表 1 转子结构件材料(金属)的允许最高 温度
材料
结构件
允许最高温度/ ℃
长期值
短期值
转子钢
大小齿
某电厂 3 号机组 , 主变发生两相接地故 障 , 造成发电机出口 A 、 C 两相突然短路 。由 于所产生的负序电流持续时间比较短 , 当时 未能对发电机转子进行检查 , 在变压器修复 后机组便投入运行 。
在机组大修时发现转子磁极表面阻尼槽楔 与横向槽结合部位多处过热烧黑 、 烧熔 , 局 部温度可能达到 1 000 ℃以上 。 经计算两相短 路后的I 22 t 达到 5 .8 s , 未超规定允许值 。 分析 原因是因为转子阻尼槽形设计不合理 , 使装 配中不能保证槽楔与阻尼槽壁良好接触 。 在 接触不良情况下 , 阻尼槽楔不能实现有效分 流 , 转子大齿表面的涡流主要集中在月牙槽 尖角处通过 , 导致槽楔与横向槽结合部位多 处过热烧黑 、 烧熔 。
基于 电机制造 厂提供的 发电机转 子典型 参数 , 通过电磁场数值计算 , 可以形象的描 绘出定子负序电流作用下 , 转子表面的涡流 的分布 。 如图 3[ 4]所示为聚集在月牙槽尖角附 近的涡流 。
4 防止负序电流烧损发电机的措施
4 .1 重视发电机出口断路器 由于国内尚不能生产大容量质量可靠的发
b电力系统短时间的不对称运行主要指电力系统或发电机发生不对称故障包括单相接地两相短路及采用单相重合闸时的动作过程或发电机出口开关在正常及故障状态下未能将三相全部合人或断开的操作过程这种过程虽然时间很短但在继电保护不完善操作设备存在缺陷或事故处理不当的情况下产生的负序电流可能引起发电机转子严重损伤严重的会导致转子直接报废
关 键词 :发电 机 ;不对称 运行 ;负序电 流 ; 防范
中 图分类号 :TM301 .4 +1
文献标 识码 : B
文章 编号 :1007 -1881(2007)05 -0035 -04
电力系统短时间的不对称运行 , 主要指电 力系统或发电机发生不对称故障 , 包括单相接 地 、 两相短路及采用单相重合闸时的动作过 程 , 或发电机出口开关在正常及故障状态下未 能将三相全部合入或断开的操作过程 , 这种过 程虽然时间很短 , 但在继电保护不完善 、 操作 设备存在缺陷或事故处理不当的情况下 , 产生 的负序电流可能引起发电机转子严重损伤 , 严 重的会导致转子直接报废 。 因此 , 如何防范发 电机非全相运行 , 是必须高度重视的问题 。
由于 GCB 的重要作用 , 对它的选型 、 运 行和维修要高度重视 。 发电机开关应选用操 作系统为三相联动的开关 。 对已经采用分相 操作的开关 , 主要应做好以下工作 。
00
起的发电机热负荷以(I 2/IN)2t =A 表示 [ 3] 。 图 1 、 图 2 为 不同类型 300 MW 级汽轮发
电机暂态负序能力曲线 , 是判断负序电流标 幺值与发电机承受负序能力的标准曲线 。
2 .1 稳态负序能力分析 稳态 负序能力 是指发电机 在额定运 行方
式下能够长时间承受负序电流的能力 。 它取 决于转子表面各结构件的温度不超过表 1 所 规定的数值 , 并以负序电 流的标幺值(I 2/IN) 表示 。 表 1 所规定的温度值 , 考虑了避免金 属结构件抗蠕变 强度明显降低 及其相邻 的绝 缘材料的过热等问题 。 转子通常使用 B 级绝 缘 材 料 (B 级 绝 缘 材 允 许 长 时 间 工 作 温 度 130 ℃), 且构件各材料在 130 ℃时屈服强度的 下降值不大于 10%, 所以我国国家标 准规定 允许最高温 度为 130°, 由于硬 铝的机械 强度 差些 , 新标准规定硬铝的长期温度限额为 100 ℃。 有的制造商还规定在护环嵌装处的温 度差不超过 45 ℃, 以防止热套公盈减 小而造 成护环转子本体嵌装松动 。
子两侧端部槽楔及护环内表面有多处严重的蓝 色灼伤痕迹 , 个别槽楔发生变形和局部熔化 ; 部分转子端部槽中主绝缘大面积严重炭化 。
经 计算 , 两 相运 行中(I 2/IN)2t =A 达到 383 .46 s , 已经远超过规定值 , 烧损情况十分 严重 。 起始原因是发电机出口闸刀 B 相动触 头脱落 , 运行人员对此类问题认识不够 , 事 故处理不当 , 以至两相运行长达 25 min , 最终 导致转子严重烧损 。
表 3 汽轮发电机负序能 力
名称
间接冷 却转子
电机型式
空冷 氢冷
连续运行最大 允许值I 2/ IN
0.1 0.1
短时运行最 大允许值
(I2/ IN)2 t =A
15 10
≤350 MVA
0 .08
直接冷 却转子
>350～ 900 MVA
>900～ 1 250 MVA >1 250～ 1 600 MVA
1 负序电流的产生和影响
发电机不对称运行时 , 定子电压和电流 都会出现不对称 , 尤以电流不对称对发电机 的影响最为明显 。 发电机不对称运行时负序 电流分量在定转 子气隙中产生 与转子转 动方 向相反 、 转速为同步转速的旋转磁势 , 该磁 势在转子表面各个部件(大齿 、 小齿 、 槽楔及 护环等)、 阻尼绕组和励磁绕组中感应出两倍 额定 频率(2 f =100 Hz)的涡 流 , 引起 转子 发 热 。 汽轮发电机转子为导电 、 导磁材料锻造 成的单一体 , 涡流在铁芯内部形成回路 , 损 耗很大 。 再加上转子大齿上横向月牙槽影 响 , 转子的涡流分布极不均匀 , 加大了局部 温升效应 。 此外 , 还应考虑发生不对称故障
(1 .浙江能 源投资集团有 限公司 , 浙 江 杭州 310007 ; 2 .浙 江省电力试 验研究院 , 浙 江 杭州 310014)
摘 要 :阐 述了发电 机负序 电流产生 及危害 转子的机 理 , 以 此为理论 依据 分析了 两个负 序电 流损伤 发
电 机转子的实 例 , 并针对 性的提出防范 措施 。
浙 江电 力
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ZHEJIANG ELECTRIC POWER
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负序电流对发电机转子的危害分析及防范措施
Analysis of Negative Sequence Current Harm to Rotor and Preventive Measures
沈 波 1 , 董建洋 2
正如前述 , 槽楔变形与局部熔化为对转子 铁芯的一个保护性设计 , 但由于人为原因造成 负序时间过长 , 起分流保护作用的槽楔烧损 , 槽中主绝缘也由于承受长时间高温而炭化 。由 于小机组转子护环组结构中未装设阻尼绕组 , 从而造成护环与转子搭接的护环接触面 , 尤其 是接触不良的部位 , 出现烧伤的斑点 。 3 .2 QFSN -600 -2YH 型发 电机负序电流烧 损转子
某电厂 1 号发电机 , 额定电压 6 .3 kV , 额 定电流 1 375 A 。运行中发现 B 相电流为零 , 历时 25 min 后机组解列 。停机后检查发电机定 转子绝缘电阻和直流电阻正常(但在发电机附 近已经闻到烧焦的气味), 机组恢复运行 。
几个月后 , 停机检查发电机转子 , 发现转
125
QFQS -200-2
200
QFSN -300-2
300
直接水冷 直接水冷 直接氢冷 直接氢冷
0.160 0.126 0.150 0.12
图 1 国产 QFSN -300 -2 型发电机暂态负 序能力曲线
图 2 法国(CEM)WT235 -083AF3 型 313 MW 发电 机 暂态负序能力 曲线
0.08 -0.333 (S N -350)×10-4
同上 0 .05
8
8-0.005 45 (S N -350)
5 5
3 典型事例分析
近年来 , 国内因负序电流烧损发电机转 子的事例时有发生 。 下面就两起负序电流烧 伤发电机转子的典型事例进行分析 。 3 .1 QF2 -12 -2 型发电机负序烧损转子
时 , 定子直流分量在转子表面产生的工频(50 Hz)电流 , 它在转子表面也会引起损耗 。
为改善损耗分布 , 在汽轮发电机转子大齿 表面开阻尼槽 , 阻尼槽楔与线槽槽楔均选用导 电率高 、 强度高 、 抗火花能力强的材料 [ 1] 。由 于槽楔比铁芯材料的电导率小 , 转子上有负序 电流时槽楔的电位较低 , 它与齿壁之间有压 差 , 从而分流铁芯回路中的涡流 , 减少转子铁 芯中的总电流 。 但这将造成槽楔上的电流增 大 , 在分段槽楔的接头处产生较高的局部损耗 和温升 。另外涡流由铁芯流入槽楔的过程中 , 槽楔与齿壁的接触电阻引起损耗 , 特别是在接 触不好的情况下将造成局部损耗大 、 温升高 。
在负序运行情况下 , 转子上的各种损耗 将导致转子结构件, 特别是变段槽楔连接 处 、 槽楔与齿的接触面 、 大齿月牙槽两端 、 护环与转子本体嵌装面等过热甚至烧损 。
2 发电机承受负序能力分析
发电机承 受负序能 力由转 子表面 结构件 允许的最高温度决定 。 转子表面各结构件(金 属)长期允许的最高温度 , 受其附近所用绝缘 材料允许的最高温度限制 。 转子表面各结构 件允 许瞬时的 最高温度主 要根据材 料的瞬时 高温 机械特性 和该转子材 料的实际 受力情况
(I 2/I N)2t =A 适用于短时间内的事故 , 当 考虑转子局部温升时 , 通常假设这个初始阶 段为绝热过程 , 忽略热源向周围介质的传导 作用 。 这个假设在转子温升初始阶段误差较 小。
关于转子绝热时间的取值 , 各国意见不 一 , 英国认为不大于 5 s , 美国西屋公司的意 见为 120 s , 我国做暂态负序能力试验时 , 原标 准为 60 s , 修订后的新标准为 30 s [ 1] 。 在这个
450
护环钢
护环
400
铝青铜
槽楔பைடு நூலகம்
130
250
紫铜
阻尼条
220
阻尼环
300
硬铝
槽楔
100
200
暂态负序 能力是指 发电机 在额定 运行方 式下 发生不对 称故障及单 相重合闸 操作过程 所能承受的短时负序电流的能力 。 暂态负序 能力 由转子表 面金属结构 件的最高 允许温度 所决定 , 不受转子绝缘材料的长期允许温度 限制 。 在暂态事故情况下转子的发热和事故 时间内 tt i 22dt 密切相关 , 所以由不对称短路引
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图 3 转子大齿涡流 分布
电 机出口断 路器(GCB), 而进 口的 GCB 价格 太昂贵 , 国内原有的大型火电机组鲜有装设 的 , 前些年只有核电机组装设 , 近两年新建 火电机组开始采用 。
装设发电机出口断路器后 , 在变压器高 压侧 断路器操作如 出现非全 相 , GCB 可及时 跳开 , 避免负序损伤转 子 ;在变压 器发生故 障情 况下 , GCB 动作时 间快 , 避免 灭磁时间 长 , 故障电流衰减慢 , 对设备不利 , 并且 GCB 与灭磁开 关可以互 为备用 , 以 免灭磁开 关拒动造成设备 严重受损 ;装设 GCB 可以在 切除发电机的情况下 , 不切厂用电 , 从而提 高电厂的可靠性 。