电力发电机组负序电流产生及过热保护实现研究

周建生

摘要：文章分析了电力发电机组负序电流产生的原因，针对负序电流的危害，提出过热保护的措施和方法，经过对135MW发电机组端口负序电流测定，能够精确地对保护值进行整定，提高发电机组运行的安全性。

关键词：电力发电机组；负序电流；过热保护；电网系统；整定保护 文献标识码：A

中图分类号：TM772 文章编号：1009-2374（2015）14-0149-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.074

当电力电网系统中发生不对称短路、三相负荷不对称、某相出现断线等故障时，发电机定子绕组会在非对称大电压冲击下，产生很大的负序电流，造成电机性能迅速恶化，效率低下、输出转矩降低，甚至出现电机过热烧伤或损坏的严重故障，因此分析发电机负序电流的产生和影响，合理对负序电流进行整定保护非常重要。

1 电力发电机组负序电流产生的原因

三相不平衡产生的负序电流。在电力供配电及传输电系统中，电网结构比较复杂，设计合理性存在问题；或者在负载侧，某一相负荷容量较大，造成三相负载严重不平衡，就有可能造成发电机组运行不平衡，处于非对称运行状态这种情况，就有可能产生负序电流。电动机回路的负序电流为：

（1）

式中：

——电机启动电流

——电机启动电压

——电机额定电压

根据实际应用，一般取值为，启动电流为额定电流的5～8倍，电机启动电压允许最大为0.05倍额定电压，代入上式得：

（2）

由式（2）可知，因三相不平衡产生0.05倍电压差值时，产生的负序电流值为0.4倍额定电流的大电流。

因系统内或发电机本身产生不对称性短路故障也可能产生负序电流；设在电动机高压母线上发生A、B两相短路。忽略系统阻抗的影响，其短路点边界条件为：故障相电流IA-IB；故障相电压UA=UB；非故障相电流IC=0，负荷电流忽略不计。

设C相电压UC=E，则由对称分量法可求得各相全电压为：

（3）

则C相UA、UB、UC相序电压分量：

（4）

式（4）中，U1是正序电压，U2是负序电压，U0是零序电压，a是复量算子。

根据设计规范，a满足：

（5）

由实际计算得，负序电压U2=0.5E，UA=E=UN，Z-=ZAB，则回路产生负序电流：

（6）

发电机组并网时，或者输电线路存在单独相线重合闸机构装置，系统的出口断路器在合闸（断开）瞬间，有可能造成三相不同步现象，从而形成非全相合（开）故障运行状态，这样电机定子出现某一相断线，故障瞬时负序电流是：

（7）

式中：

Z+、Z-——负载正、负相序的阻抗

2 负序电流对电动机的危害

（1）引起电动机的转子表面局部过热，会产生很高的温度，这也将造成转子局部烧损或损坏；（2）引起电动转子震动。

3 过热保护分析

3.1 保护的构成

电动机启动时，开关合闸的非同期也会引起一定的负序电流，同时由于电流互感器饱和等因素容易造成波形失真。现在的中压开关三相同期性都比较好，按要求选用较好特性的TA，出现的负序电流一般不超过额定电流的1.5倍。启动时的负序电流保护整定必须对此予以考虑，最好是根据启动试验实测的最大负序电流值来确定。

3.2 动作方程的建立

3.2.1 负序过负荷方程：

（8）

式中：

——保护整定电流值

——电机启动瞬间单相断路故障时的负序电流值

——TA电流比值，为常数

——保护动作灵敏系数，可根据保护需要进行设定，取值范围是1.3～1.5之间

3.2.2 过电流计算方程：

（9）

式中：

——负序电流值

——负序过流下限保护整定值

——负序过流上限保护整定值

——发电机转子冷却常数

——热值常数

——负序电流标幺值，一般取TA二次值

t——延时时间

3.3 动作特性分析

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为反时限特性。如图1所示：

图1 负序反时限过流保护动作特性

如图1所示，是上限保护动作负序电流值；是下限动作负序电流值；为上限动作时间；是下限动作时间。

3.4 整定保护措施

3.4.1 负序定时限过负荷保护。定时限负序动作电流整定值一般原则是躲过发电机长期连续运行允许的负序电流计算，即：

（10）

式中：

——TA常数，一般取为1.2

——测量回馈系数，通常取值区间是0.85～0.95

——发电机负荷侧TA感应电流，也即额定二次电流（A）

负序定时限动作时间整定值的原则一般按与线路后备保护最大动作时间配合计算，即：

（11）

式中：

——发电机定时限转子表层负序过负荷保护动作时间整定值（s）

——线路后备保护动作时间最大整定值（s）

Vt——时间级差，一般取0.5s

3.4.2 负序反时限过负荷保护。下限负序动作电流整定值计算原则一般按与定时限负序过电流保护动作电流配合计算，即：

3.5 预防措施

3.5.1 发电机的不对称运行的出现，应迅速查明原因，果断处理得当，总的解决处理原则是及时向发电机与系统解列，分析负序电流产生的原因，根据不同故障类型制定相应措施，尽量保持发电机组对称度，维持电机电压和电流三相平衡；如果发电机和分裂出现三相不同步瞬时开合闸运行，需要整定好发电机有功功率，调节电机励磁电流，减小电机定子三相电流不平衡度，再迅速开合或断开出口开关；如果已经处于不对称状态，则必须及时按规程现场处理。

3.5.2 根据负序电流下的发电机容量，增加负序电流保护或安装报警装置。

3.5.3 发电机出口断路器失灵保护装置，保证非全相运行的出现，可以及时隔离发电机系统。

3.5.4 为了提高安装，维修，发电机的制造过程，进而提高承受发电机负序电流的能力。如阻尼绕组在转子上安装，以抵消负序旋转磁场效应，楔环非磁性低电阻率的材料，为了减小涡流损耗，转子部件的时间，发现隐患维修并消除，防止扩大。

4 结语

本文通过对发电机组负序电流产生的原因及危害的详细分析，提出发电机电流整定保护及其措施，在实际操作中，由于负序电流产生的原因比较复杂，因此整定比较困难，通过135MW发电机组端口负序电流的仿真，可以有效解决整定的准确性，提高系统运行的安全性和可靠性。

参考文献

[1] 李荣华，周宏云，夏艳梅.高压电动机负序电流的产生及其保护整定[J].电气应用，2008，2（12）.

[2] 齐山成，马临超，蒋炜华.电气化铁路负序对电力系统的影响与解决措施[J].河南机电高等专科学校学报，2008，（2）.

（责任编辑：蒋建华）