发电机非全相运行的危害与预防策略

发电机非全相运行的危害与预防策略

江红军

（山西漳泽电力股份有限公司漳泽发电厂山西长治）

摘要：发电机非全相运行事故在电厂中虽然不很常见，但这种事故的危害极大，对发电厂的安全运行和系统的稳定性有着极大的威胁，所以必须认真研究这种事故发生的原因，并采取相应措施加以预防。本文主要阐述了非全相事故对发电机、主变压器、系统所产生的影响，事故发生后如何正确处理，以及如何预防类似事故的发生。

关键词：发电机；非全相；危害；预防

概况：漳泽发电厂#3—6发电机组为原苏联制造的型号TBB-220-2EY3的三相隐极式汽轮发电机组，设计容量为215WM, 冷却方式采用水氢氢，即转子线圈和静子铁芯采用氢气冷却，静子线圈采用蒸馏水直接冷却.主接线采用发电机变压器组形式，高压厂用工作变引自发电机出口。发电机转子用特殊钢整煅而成，绝缘等级为“F”级（155℃）。主变压器采用分级绝缘，中性点不接地，设置间隙保护。

该厂#3发电机曾发生了一起由于继电保护装置误动而引起的发电机非全相运行事故（B、C相跳闸，A相运行），事故直接经济损失数百万元，发电机转子烧损，主变压器中性点放电间隙被击穿，汽轮发电机转子主轴断裂为三节（发电机转子汽侧与励侧刚性连接螺栓被切断），影响电量一亿余千瓦时。抢修20余天恢复运行。这次事故甚至为发电机组今后的安全运行埋下很多隐患。

1发电机非全相运行运行的成因

1.1所谓发电机的非全相运行主要是由于断路器一相或两相未断开而造成不对称运行，这时在定子绕组中有负序电流，它产生的磁场对于转子是以2倍频率旋转，这种旋转磁场在转子本体、槽楔和护环感应出2倍频率的负序电流，该电流在这些部件上和各部件的接触处产生很大的附加损耗和温升，产生局部过热。负序电流过大将烧坏发电机转子齿部、槽楔和护环嵌装面烧熔和产生裂纹。1.2发变组出口断路器多采用分相操作，即各相有独立的操作机构，同时考虑了三相联动性和快速动作特性，也是保证发电机组安全的重要原因。发电机断路器的固有动作时间连同保护动作时间约为75ms，当发生故障(如单相或两相故障)时，发电机断路器会很快动作并切除故障，有效地避免了对发电机组的损害。相反，若没有发电机断路器，发电机更会继续提供不平衡电流，直到灭磁过程完成。如果发电机组发生非全相事故后，开关或保护拒绝动作，发电机静子线圈长时间流过负序电流，后果将不堪设想。

1.3发电机组非全相运行的主要原因是，一次回路断线；电气二次回路或机械原因，致使断路器一相或两相断不开；静子回路断线。

发电机变压器组非全相运行分析

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2.对发电机组的影响

2.1转子发热条件的考虑

对于发电机而言，非全相运行的能力主要取决于转子的发热条件，发电机非全相运行时负序感应磁场与正常运行时相反，相对于转子它以两倍的转速扫过转子表面，将在转子表面产生倍频（100HZ）电流，倍频电流主要部分是在转子表面沿轴向流动，在转子端部约为轴向长10%-30%的范围内沿轴界方向形成回路，这个电流可达很大数值，这样大的电流要引起槽楔与大小齿间的接触面、槽楔及大小齿与护环之间的接触面的局部高温，接触情况不良时，接触面发生严重电灼伤，另外，局部高温还会使护环有松脱的危险。所以对于汽轮发电机而言，其承受负序电流的能力主要取决于转子的负序附加发热。

设负序电流标幺值为I2,转子表面的电流密度为J r,转子直径为D2 (cm)，静子的内径为D1(cm)，根据磁势平衡原理列出下式：

K12I2ΔπD1=J r D2πd. （式1）

式中K12—静子转子间耦合系数，小于1；

d—转子表层深透度（cm ）；

J r—转子表层电流密度（A/c㎡）；

Δ—静子额定线负荷（A/cm ）

Δ=每回路的安培*每槽的导线数*槽数*K p K d/D1π

其中K p K d——节距系数*分布系数。

故Jr=(K12D1/D2)*(I2Δ/d) （式2）

按绝热温升过程，转子表面温升θ的表达式为

θ=P r t/C v=J r²ρt/C v （式3）

式中P t—转子负序损耗密度（W/cm³）；

t—负序电流持续时间（s）；

C v—转子表层材料的比热（J/cm³·℃）；

ρ—转子表层材料电阻系数（Ω·cm ）。

将（式2）代入（式3），得到

θ=I2²tρΔ²K²/C v d²(式4)

式中K=K12D1/D2约为0.95（考虑了气隙磁场分量）。

在式4中，对于某台发电机组，ρ、Δ、C v、及d 诸值均为一定，而允许温升θ有一限制值，因此由（式4）可导出如下允许承受负序电流的判据式：

I2²t=A

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由上式可知负序电流值越大，持续的时间越长，在转子表面的发热量A也就越大，而发电机静子额定负荷Δ数值随机组容量的增大而增大，同时正常运行时，由于气隙高次谐波所引起的转子表面损耗也随机组容量增大而增大，因而转子允许温升θ值大机组比中小型机组低。基于以上原因，故大型机组的A 值比中小型机组的A 值要小得多。当发生发电机非全相运行时，由上式可知，转子表面发热与负序电流的平方成正比，与持续时间成正比。可以证明，发电机缺两相时其负序电流最大，如果这时开关或保护拒动，那么负序电流持续的时间就等于人为切除故障的时间，这个时间发电机一般是无法承受的，它的直接后果就是发电机的严重损坏。

负序电流会引起发电机转子局部过热，其耐受能力由式I2²t=A表示，图1为I2²t=A发电机允许负序电流曲线，非全相运行引起负序过流保护应在这条曲线以下动作。由图1可知负序电流值越大要求其时间越短。

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图1

2.2转子振动条件的考虑

大型汽轮发电机转子一般都是隐极式，在发生非全相运行时主要是对负序电流对发电机转子表面发热考虑，对于隐极式发电机一般不再考虑机组振动条件。但当发生非全相运行事故时，保护或开关拒动，则另当别论。因为在这种情况下，发电机与系统失去同步，而且负序电流持续时间过长，转子的发热条件已经不能满足故障要求，转子表面局部高温必然会引起其变形，从而偏心，偏心的转子高速旋转而产生振动也就不能忽视了。如果振动过大，不仅会引起静转子动静摩擦，还有可能引起汽轮机转子叶片的严重损坏，以及各轴瓦的损坏，甚至烧毁。对于采用氢气内冷却的汽轮发电机组，若振动过大损坏密封瓦，造成漏氢，极有可能引起氢气爆炸（如内蒙丰镇电厂所发生的发电机非全相事故），从而扩大事故。

2.3负序电流所产生阻力矩的考虑

发电机正常运行时，静子旋转磁场与转子磁场大小相等转向一致即所谓的同步，转子承受两个力矩（若不计摩擦），由能量守恒定律知电磁力矩M e与原动机力矩M T相等即M e=M T，且方向相反，这样发电机转子才能维持匀速旋转。从空间上讲，转子按顺时针（即正序）方向旋转。当发生发电机非全相运行事故时，正序分量所占的比重将严重下降，取而代之的是负序分量占相当大的比重。我们知道，负序电流所产生的旋转磁场的方向与正序电流所产生的旋转磁场方向相反即按逆时针旋转，在灭磁开关未断开的情况下，通电的转子线圈必然会受到一个逆时针方向的力矩即阻力矩，而原动机汽轮机所传至大轴上的顺时针方向力矩不变，既使汽轮机主汽门已经关闭，由于惯性作用，大轴将维持顺时针高速旋转，而负序磁场作用使发电机转子逆时针旋转，则在整个大轴不同段上同时作用两个不同方向的力矩，此时M e就不再等于M T即M e≠M T，那么发生断轴事故也就不难解释了。

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