发电机非全相运行的危害与预防策略

1、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#36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

2、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

3、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

4、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%-3

5、0%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Jr,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： K12I2D1=JrD2d. （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 ）；Jr转子表层电流密度（A/c）； 静子额定线负荷（A/cm ） =每回路的安

6、培*每槽的导线数*槽数*KpKd/D1其中 KpKd节距系数*分布系数。故 Jr=(K12D1/D2)*(I2/d) （式2）按绝热温升过程，转子表面温升的表达式为 =Prt/Cv=Jrt/Cv （式3）式中 Pt转子负序损耗密度（W/cm）； t负序电流持续时间（s）； Cv转子表层材料的比热（J/cm）； 转子表层材料电阻系数（cm ）。将（式2）代入（式3），得到 =I2tK/Cvd (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，、Cv 、及d 诸值均为一定，而允许温升有一限制值，因此由（式4）可导出如下允许承受负序电流的判据式： I2

7、t=A 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

8、局部过热，其耐受能力由式I2t=A表示，图1为I2t=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。 I2 I2t=A 跳闸特性曲线 0 t图12.2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

9、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Me与原动机力矩MT相等即Me=MT，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

10、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Me就不再等于MT即MeMT，那么发生断轴事故也就不难解释了。2.4系统条件的考虑以上（I2t）= A判据是从发电机允许温升条件出发推导出的。如将A值定的小些，便可以减低发电机造价

11、并改善运行安全条件。另一方面，还要从系统条件出发，考虑在各种不对称故障状态下，发电机可能受到的最大不对称负荷。当承受这一不对称负荷时，发电机应安全。而且还要区分发生发电机非全相运行和因其它原因引起的发电机负序电流的不同，以及发生这种事故后保护或开关的动作情况，以及由于发电机事故对系统和用户的影响。3非全相运行对主变压器的威胁110KV及以上系统通常是中性点直接接地系统，但为了限制接地短路电流，一般一个发电厂只有一台主变压器中性点直接接地，而其余主变压器中性点均不接地，当某台中性点不接地的发电机组运行时发生变压器高压侧缺两相时，便使该发变组与系统在断口处形成两个独立的电源，见图2。这时发电机与系

12、统失去同步，频率有可能出现偏差，频差使发变组三相电压矢量以未断开相（图2中A相）为圆心旋转，主变中性点逐渐偏离地电位，如果频差继续增大，则主变中性点对地电位有可能达到最大值2倍相电压，即： UNN=2*230/=266 (KV)如此高的过电压对主变中性点绝缘及避雷器构成了极大的威胁，由于主变器采用分级绝缘，中性点工频耐压为190KV,显然不能满足UNN的要求。对幅值高，时间长（能量大）的非全相运行引起的工频过电压，一般靠放电间隙来防护，当间隙放电，间隙过流保护动作及时将故障切除。间隙保护的动作原则是“因接地故障形成局部不接地系统时间隙应动作，系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时不应动作”，

13、满足这两个条件，既可保护避雷器和变压器，又能确保系统运行可靠性。当发电机组发生非全相运行时，由于中性点电压很高，放电间隙应可靠动作，从而正确启动间隙过流保护切除故障。如果主变中性点装设有避雷器，发生故障时不能及时将故障切除，强大的零序电流流过会造成避雷器爆炸起火。如果不装设避雷器而只装设放电间隙，当主变中性点间隙被击穿后一般会产生连续性电弧，这时还应考虑零序电流对发电厂其它机组和系统的影响。还有可能烧坏间隙端部和间隙CT。图24发生发电机组非全相运行事故的现象及处理发生发电机组非全相运行事故的的处理原则就是根据事故现象迅速准确判断事故性质，并用尽可能短的时间将事故消除，尽量减小发电机负序电流的

14、大小和持续时间。恢复对称运行（三相全合或三相全断）。4.1现象：4.1.1事故喇叭响，CRT“负序”“三相位置不一致”光字闪，发变组出口主开关一相或两相绿闪，有功负荷下降。4.1.2若两相掉闸，发电机可能失步，表计跃变，机组产生振动和噪音。4.1.3一相或两相跳闸可根据表1判断表1非全相掉闸一相掉闸两相掉闸表计指示发电机电流表一相指示大（为另两相之和），另两相电流相等。发电机电流表一相指示为零，另两相电流指示相等。4.2处理：4.2.1发电机组非全相运行时，间隙保护应动作跳发电机主开关，如果间隙保护或开关拒绝动作，则应启动失灵保护掉母联及故障机组所在母线上的所有开关。待故障点被切除后，查明原因

15、。4.2.2发电机组非全相运行在保护未动作时，应降低有功负荷和无功负荷使发电机的不平衡电流降至最小（有功降至零、无功近于零），手动断开三相开关，若远方拉不开时，应派人到就地手动捅掉开关。4.2.3若就地仍捅不掉时，应进行倒母线，有母联开关串带故障开关，然后用母联开关切断故障开关。如果事故可能造成严重后果时应立即手动断开该母线上所有开关（包括母联开关）。4.2.4若在发电机手动解列时发生非全相运行，在确证为开关掉闸另两相未掉时，可立即手动合上开关，倒母线后，用母联开关解列。4.2.5发电机非全相运行时，切不可断开灭磁开关，以免发电机从系统吸收无功，使负序电流增加，若灭磁开关误掉，在确证发电机为非

16、全相运行状态，且励磁调节装置整定于相应的空载额定电压值时，可重新合上灭磁开关，然后按上述方法处理。4.2.6若非全相运行保护动作，应迅速进行检查，判明故障性质，做好安全措施，通知检修处理。4.2.7若因保护未动作或其它原因，发电机非全相运行时间超过两分钟，则应对发电机、汽轮机进行全面检查，并摇侧发电机静转子绝缘，再次启动需零起升压进行检查，确证无问题后，经总工批准后方可并列。5.发电机组非全相运行事故的预防在电力生产重大事故二十五项反措中关于发电机损坏事故的预防，专门列出了发电机非全相运行的预防措施，针对2.20事故以及内蒙丰镇电厂随后发生的发电机组非全相运行事故，按照其发生的原因、所酿成的后

17、果，必须采取切实可行的预防措施。5.1发电机所在母线失灵保护的投入时间的思考 以往，失灵保护一般在发电机组与系统并列后才投入，但这种操作思路是不科学的。一般情况下，发电机组在备用期间或检修后都要做一系列试验，比如主开关的跳合闸试验（做此试验时，发电机组出口刀闸在断位），如果试验结束后开关内部故障有一相或两相未断开，在发电机组与系统并列前按倒闸操作的顺序要合上出口刀闸，而此时就会发生发电机组非全相运行（如内蒙丰镇电厂事故），若保护或开关拒动，失灵保护又未投入，势必会使事故扩大。所以，失灵保护应在发电机组与系统并列倒闸操作之前就投入，并确证其无异常。万一出现类似事故，可通过启动失灵保护掉故障机组所

18、在母线所有开关，防止事故扩大。5.2运行人员在进行发电机组并列倒闸操作时，一定要按照电气倒闸操作的要求逐条进行，在合出口刀闸时，仔细检查并确证开关三相均在断位，不仅要检查各相位置指示器指示在断位，还要检查开关下部弹簧，有否断裂，当存在疑问时，切不可擅自操作，必须通知检修人员并向上级汇报，得到确切答复后，方可进行操作。操作时还要考虑不使发电厂失去接地的中性点，以及保护投入的正确性，当主变中性点直接接地时，要投入零序过流保护。当中性点不接地时，要投入零序过电压保护或间隙保护，必须与中性点接地方式相对应。5.3对于分相液压操作的开关，运行人员必须勤检查，发现液压机构故障及时联系汇报，防止由于油泵不打

19、压或储能设备泄压致使发电机组正常解并列或故障时开关拒绝动作而造成发电机组非全相运行。同时，还要保证液压系统各信号动作正常，当出现预压力异常时，能及时发出声光信号，帮助运行人员及早发现问题，解决问题。5.4 检修后的主开关必须保证检修质量，尤其是开关动静触头的接触要紧密牢靠，防止某一相或两相接触不良烧损造成开关非全相运行。检修后的主开关还要校验三相动作的时间，即同期性校验，时间差不大于规定值。电磁阀的检查一般容易被忽略，开关检修时应同时检查电磁阀线圈直阻，线圈的绝缘电阻，防止直流系统两点接地引起开关一相误动。铁芯动作是否灵活，有无卡涩，保证其动作的可靠性。而机械部分故障主要是断路器操作机构失灵。

20、传动部分故障和断路器本体的故障。其中操作机构方面主要机构脱扣，铁芯卡死等。对于液压机构还可能是液压机构压力低于规定值，导致分合闸闭锁；机构分合闸阀系统有故障；分闸一级阀和逆止阀处有故障。特别是每相独立操作时，机构更易发生失灵。三相用一个操作机构的断路器，油、气管配置不恰当，也会引起断路器非全相运行。弹簧机构的断路器还可能是弹簧未储能或未储足，弹簧储能锁扣不可靠等有故障。断路器传动部分的故障主要有系统所用元件的材料性能不好；电磁操作阀针杆生锈、卡死，行程不够、偏卡；传动机构连接部分脱销，连接松动等。断路器本体主要故障可能是动静触头松动，接触不好，行程调整不好等。基于以上情况，可以在加强设备维护，注意操作方式等方