负序电流对发电机转子的危害分析及防范措施.doc

负序电流对发电机转子的危害分析及防范措施2007年第5期浙江电力ZHEJIANGELECTRICPOWER35负序电流对发电机转子的危害分析及防范措施AnalysisofNegativeSequenceCurrentHarmtoRotorandPreventiveMeasures沈波,董建洋(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,电机转子的实例,并针对性的提出防范措施.关键词:发电机;不对称运行;负序电流;防范中图分类号:TM301.41文献标识码: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.因此,如何防范发电机非全相运行,是必须高度重视的问题.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(2f=100Hz)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以此为理论依据分析了两个负序电流损伤发文章编号:10071881(2007)05003504时,定子直流分量在转子表面产生的工频(50Hz)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.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.另外涡流由铁芯流人槽楔的过程中,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36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/T84451996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(,./,)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130C),且构件各材料在130C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t00C.有的制造商还规定在护环嵌装处的温度差不超过45cc,以防止热套公盈减小而造成护环转子本体嵌装松动.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,/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.暂态负序一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f时间内Ii2dt密切相关,所以由不对称短路引0起的发电机热负荷以(,2/)t=A表示J.图1,图2为不同类型300MW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.图1国产QFSN一3002型发电机暂态负序能力曲线454:53025,2151t5O图2法国(CEM)WT235083AF3型313MW发电机暂态负序能力曲线(,./)t=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5S,美国西屋公司的意见为120S,我国做暂态负序能力试验时,原标准为60s,修订后的新标准为30S【】.在这个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37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(,/,N)t=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.(,/,N)t=A是负序电流,与故障时间t的函数,通常发电机的负序保护即以(,2/,N)t=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/T70641996)规定的负序能力如表3.表3汽轮发电机负序能力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.3.1QF2122型发电机负序烧损转子某电厂1号发电机,额定电压6.3kV,额定电流1375A.运行中发现B相电流为零,历时25min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(,/,)t=A达到383.46S,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25min,最终导致转子严重烧损.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.3.2QFSN一6002YH型发电机负序电流烧损转子某电厂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1000以上.经计算两相短路后的,;达到5.8S,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3141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38浙江电力2007年第5期图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.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.(1)检修,调整开关时,应保证操作结构的可靠和牢固.(2)开关控制回路应采用三相联动操作的接线.(3)开关任意一相操作压力异常时,必须同时闭锁三相分合闸回路.(4)主变高压侧开关应设非全相运行保护(逻辑).(5)接人220kV及以上的系统的发变组开关应设开关失灵保护.4.2在运行,维修工作中充分重视负序电流对发电机的影响当发电机出现开关非全相运行时,运行人员应立即减小机组的有功功率和发电机励磁电流,使机组的有功和无功功率接近于零(最小)的状态,以使发电机的负序电流达到最小.此时不能关闭汽轮机主汽门和切除发电机的励磁开关.对非全相运行情况要及时进行详细记录,当超过规定值(或经验值)时,应及时安排停机,检查发电机转子情况,并作相应的处理.负序电流保护是发电机不被负序电流烧损的重要保护手段.负序保护采用反时限过负荷保护动作解列发电机.为了及时监视稳态负序电流,应加装报警装置,其整定值应根据制造厂提供的允许值及国家标准规定.5结束语负序电流对发电机有较大的影响,由于大型发电机对负序电流的承受能力比较弱,运行中应更重视对负序电流的管理和分析.特别是小于制造厂(国家标准)规定值的负序电流也有可能损伤转子和导致异常情况的发生.因此在实际运行和维修管理中,应建立防止负序电流的发生,对负序电流产生原因的分析和事后处理等的具体规定,避免负序电流烧损发电机转子的事故发生.参考文献:【1汪耕.大型汽轮发电机设计,制造与运行【M.上海:上海科学技术出版社,2000.【2】DongJianyan