電力發電機組負序電流產生及過熱保護實現研究

周建生

摘要：文章分析了電力發電機組負序電流產生的原因，針對負序電流的危害，提出過熱保護的措施和方法，經過對135MW發電機組端口負序電流測定，能夠精確地對保護值進行整定，提高發電機組運行的安全性。

關鍵詞：電力發電機組；負序電流；過熱保護；電網系統；整定保護 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM772 文章編號：1009-2374（2015）14-0149-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.074

當電力電網系統中發生不對稱短路、三相負荷不對稱、某相出現斷線等故障時，發電機定子繞組會在非對稱大電壓沖擊下，產生很大的負序電流，造成電機性能迅速惡化，效率低下、輸出轉矩降低，甚至出現電機過熱燒傷或損壞的嚴重故障，因此分析發電機負序電流的產生和影響，合理對負序電流進行整定保護非常重要。

1 電力發電機組負序電流產生的原因

三相不平衡產生的負序電流。在電力供配電及傳輸電系統中，電網結構比較復雜，設計合理性存在問題；或者在負載側，某一相負荷容量較大，造成三相負載嚴重不平衡，就有可能造成發電機組運行不平衡，處于非對稱運行狀態這種情況，就有可能產生負序電流。電動機回路的負序電流為：

（1）

式中：

——電機啟動電流

——電機啟動電壓

——電機額定電壓

根據實際應用，一般取值為，啟動電流為額定電流的5～8倍，電機啟動電壓允許最大為0.05倍額定電壓，代入上式得：

（2）

由式（2）可知，因三相不平衡產生0.05倍電壓差值時，產生的負序電流值為0.4倍額定電流的大電流。

因系統內或發電機本身產生不對稱性短路故障也可能產生負序電流；設在電動機高壓母線上發生A、B兩相短路。忽略系統阻抗的影響，其短路點邊界條件為：故障相電流IA-IB；故障相電壓UA=UB；非故障相電流IC=0，負荷電流忽略不計。

設C相電壓UC=E，則由對稱分量法可求得各相全電壓為：

（3）

則C相UA、UB、UC相序電壓分量：

（4）

式（4）中，U1是正序電壓，U2是負序電壓，U0是零序電壓，a是復量算子。

根據設計規范，a滿足：

（5）

由實際計算得，負序電壓U2=0.5E，UA=E=UN，Z-=ZAB，則回路產生負序電流：

（6）

發電機組并網時，或者輸電線路存在單獨相線重合閘機構裝置，系統的出口斷路器在合閘（斷開）瞬間，有可能造成三相不同步現象，從而形成非全相合（開）故障運行狀態，這樣電機定子出現某一相斷線，故障瞬時負序電流是：

（7）

式中：

Z+、Z-——負載正、負相序的阻抗

2 負序電流對電動機的危害

（1）引起電動機的轉子表面局部過熱，會產生很高的溫度，這也將造成轉子局部燒損或損壞；（2）引起電動轉子震動。

3 過熱保護分析

3.1 保護的構成

電動機啟動時，開關合閘的非同期也會引起一定的負序電流，同時由于電流互感器飽和等因素容易造成波形失真。現在的中壓開關三相同期性都比較好，按要求選用較好特性的TA，出現的負序電流一般不超過額定電流的1.5倍。啟動時的負序電流保護整定必須對此予以考慮，最好是根據啟動試驗實測的最大負序電流值來確定。

3.2 動作方程的建立

3.2.1 負序過負荷方程：

（8）

式中：

——保護整定電流值

——電機啟動瞬間單相斷路故障時的負序電流值

——TA電流比值，為常數

——保護動作靈敏系數，可根據保護需要進行設定，取值范圍是1.3～1.5之間

3.2.2 過電流計算方程：

（9）

式中：

——負序電流值

——負序過流下限保護整定值

——負序過流上限保護整定值

——發電機轉子冷卻常數

——熱值常數

——負序電流標幺值，一般取TA二次值

t——延時時間

3.3 動作特性分析

負序過負荷保護的動作特性為定時限特性；負序過電流保護的動作特性為反時限特性。如圖1所示：

圖1 負序反時限過流保護動作特性

如圖1所示，是上限保護動作負序電流值；是下限動作負序電流值；為上限動作時間；是下限動作時間。

3.4 整定保護措施

3.4.1 負序定時限過負荷保護。定時限負序動作電流整定值一般原則是躲過發電機長期連續運行允許的負序電流計算，即：

（10）

式中：

——TA常數，一般取為1.2

——測量回饋系數，通常取值區間是0.85～0.95

——發電機負荷側TA感應電流，也即額定二次電流（A）

負序定時限動作時間整定值的原則一般按與線路后備保護最大動作時間配合計算，即：

（11）

式中：

——發電機定時限轉子表層負序過負荷保護動作時間整定值（s）

——線路后備保護動作時間最大整定值（s）

Vt——時間級差，一般取0.5s

3.4.2 負序反時限過負荷保護。下限負序動作電流整定值計算原則一般按與定時限負序過電流保護動作電流配合計算，即：

3.5 預防措施

3.5.1 發電機的不對稱運行的出現，應迅速查明原因，果斷處理得當，總的解決處理原則是及時向發電機與系統解列，分析負序電流產生的原因，根據不同故障類型制定相應措施，盡量保持發電機組對稱度，維持電機電壓和電流三相平衡；如果發電機和分裂出現三相不同步瞬時開合閘運行，需要整定好發電機有功功率，調節電機勵磁電流，減小電機定子三相電流不平衡度，再迅速開合或斷開出口開關；如果已經處于不對稱狀態，則必須及時按規程現場處理。

3.5.2 根據負序電流下的發電機容量，增加負序電流保護或安裝報警裝置。

3.5.3 發電機出口斷路器失靈保護裝置，保證非全相運行的出現，可以及時隔離發電機系統。

3.5.4 為了提高安裝，維修，發電機的制造過程，進而提高承受發電機負序電流的能力。如阻尼繞組在轉子上安裝，以抵消負序旋轉磁場效應，楔環非磁性低電阻率的材料，為了減小渦流損耗，轉子部件的時間，發現隱患維修并消除，防止擴大。

4 結語

本文通過對發電機組負序電流產生的原因及危害的詳細分析，提出發電機電流整定保護及其措施，在實際操作中，由于負序電流產生的原因比較復雜，因此整定比較困難，通過135MW發電機組端口負序電流的仿真，可以有效解決整定的準確性，提高系統運行的安全性和可靠性。

參考文獻

[1] 李榮華，周宏云，夏艷梅.高壓電動機負序電流的產生及其保護整定[J].電氣應用，2008，2（12）.

[2] 齊山成，馬臨超，蔣煒華.電氣化鐵路負序對電力系統的影響與解決措施[J].河南機電高等專科學校學報，2008，（2）.

（責任編輯：蔣建華）