发电机负序过负荷及过电流分析和保护措施

发电机负序过负荷及过电流分析和保护措施

摘要：电力系统中发生不对称短路或者三相负荷不对称时，而后发电机定子绕组中将出现负序电流。负序电流产生负序旋转磁场，并且以两倍的同步速度切割转子，在转子的表面产生了感应电流，使得转子的表层热度过大，进而烧伤或者损坏转子。文章对两种发电机即负序过负荷和过电流的产生以及动作方程做出分析，并且在此基础上提出相应的保护措施，对汽轮发电机和水轮发电机的转子保护有十分重要的意义。

关键词：负序过负荷；负序过电流；汽轮发电机；水轮发电机负序过负荷和过电流主要造成的烧伤在于转子，因此，装设发电机负序过电流保护的主要目的在于保护发电机转子。某些情况下还可以作为发电机变压器内部或者系统不对称短路故障的后备保护。对于大型汽轮发电机，其承受的负序电流能力，主要取决其转子发热的条件。发热是一个积累的过程，因此，汽轮发电机的负序过电流保护应具有反时限动作特性。水轮发电机在负序电流的作用下，过热的程度比汽轮发电机小很多，约为汽轮发电机的1/10。但是，水轮机直径很大，焊接条件比较多，其承受负序电流能力应由100 Hz的振动的条件限制。因此，水轮发电机负序过电流保护可以没有反时限特性。

1 发电机负序过负荷及过电流分析

该部分将介绍发电机保护的构成，和负序过负荷及过电流的动作特性。

1.1 保护的构成

保护分为负序过负荷和负序过电流两部分组成。过负荷是作用于信号的，而过电流是作用于切机的。

中小型发电机和水轮发电机通常采用的是定时限负序过电流保护。然而大型汽轮发电机负序过电流保护是具有反时限特性的。该动作的特性通常是由三部分构成的。即反时限部分的上限以及下限定时限的部分。反时限部分的作用在于防止由于过热造成的损伤发电机转子，上限和下限定时限左右在于作为发变组内部短路和相邻元件后备的保护。

保护的接入电流，应为发电机中性点TA二次三相电流。

大型汽轮发电机负序过负荷及过电流保护的逻辑图如图1所示，其中A，B，C，D，分别为发电机TA二次三相电流；I2op为负序过负荷元件；I2op1为负序过电流下限定时限元件；I2oph为负序过负荷元件；I2t为负序过电流反时限元件。

1.2 动作方程

①负序过负荷元件I2≥I2op。

②过电流元件满足以下条件：I=IopI≥Iopt=

1.3 动作特性

负序过负荷保护的动作特性为定时限特性。负序过电流保护的动作特性如图2所示。其中，I2oph为上限动作负序电流；I2op1为下限动作负序电流；tup为上限动作时间，ts为下限动作时间。

2 保护措施

本部分将对定时限过负荷保护，反时限过电流保护，以及提高保护的动作可靠性措施做出介绍。

定子绕组通入三相交流电时，在定子铁心内产生旋转磁场。如果磁场旋转的方向是顺时针的方向，开始通电时，磁场方向上为N极，下为S极，转子处于

静止状态，与磁场有相对运动，相当于转子向逆时针方向运动，转子上部的导体相当于向左做切割磁力线运动，产生感应电动势，感应电动势的方向用右手准则判定，方向由纸面向外，转子下部的导体相当于向右做切割磁力线运动，因此导体内有感应电流通过。这样导体在磁场中又受到电磁力的作用，作用力的方向用左手定则判断。转子上、下部导体受力的方向为逆时针方向，所以转子在力矩作用下逆时针旋转起来。转子的旋转方向与旋转磁场的方向相同，转子的转速一定要小于磁场的转速，这样才能使转子与旋转磁场有相对运动，而受到电磁力的作用，否则转子的转速与旋转磁场的转速相同，转子导体不切割磁力线，也就不能产生感应电动势，没有感应电流，电磁力为零，转子也就不能转动了。所以，转子转速必须小于磁场的转速，即小于同步转速。

2.1 定时限过负荷保护

对负序过负荷保护整定，是要确定过负荷元件动作电流和动作的延时。

2.1.1 动作电流

在电力系统中，由于三相不肯能完全对称，总是有负序电流存在。当发电机的负序电流小于某一值，而长期运行对发电机无公害，将该某一值的负序电流定为发电机长期允许负序电流。用I2∞来表示。发电机负序过电流负荷元件的动作电流，应按发电机长期允许的负序电流I2∞来整定，即：

I2op=Krel

式中，I2op表示负序过负荷动作电流；Krel代表可靠系数；K代表返回系数。

2.1.2 发电机长期允许的负序电流

各国大型发电机长期允许的负序电流值如表1所示。

2.2 反时限过电流保护

2.2.1 下限动作电流及动作延时

下限动作电流，可以按照其定时限负序过负荷保护电流1.3倍整定，即：I2op1=0.1×1.3IN=0.13IN，ts=300~600 s

2.2.2 上限动作电流及动作延时

上限动作电流，应该按照发电厂的高压母线发生的两相短路发电机所提供负序电流1.1～1.5倍整定，而上限动作时间应该与高压母线出现综联保护或者距离保护动作时间配合来整定。上限动作电流的计算：

I2oph=（1.1--1.5）

式中，X为发电机负序电抗标么值；X为发电机次暂态阻抗标么值；X为变压器电抗标么值。

2.3 提高保护的动作可靠性措施

由于定值等计算造成的误差，造成负序反时限过流保护的不正确动作例子非常多。因此，为提高该类保护动作可靠性，对定值的正确整定是很有必要。

①关于上限定值的整定。整定原则：当发电厂高压母线及出线上发生故障，为了确保母线保护或者线路纵联保护首先运作，为此，反时上限动作电流应该略大于高压母线上的相间短路时供给最大的负序电流。

②关于定值的输入回路。由于该保护需要整定的参数很多，因此，在输入和固化整定值的时后应该特别注意的是，不能把各参数输错。否则，后果严重。

3 结语

本文对发电机负序过负荷以及发电机负序过电流的产生危害、以及对转子的保护做出了分析和说明，在发电机转子的保护具有十分重要的意义。

参考文献：