如何保护发电机转子表层过热？

发电机在不对称负荷状态下运行，外部不对称短路或内部故障时，定子绕组将流过负序电流，它所产生的负序旋转磁场的方向与转子运动方向相反，以两倍同步转速切割转子，在转子本体、槽楔及励磁绕组中感生倍频电流，引起额外的损耗和发热；另一方面，由负序磁场产生的两倍频交变电磁转矩，使机组产生100 Hz振动，引起金属疲劳和机械损伤。

汽轮发电机转子由整块钢锻压而成，绕组置于槽中。倍频电流主要部分在转子表层沿轴向流动，这个电流可达到极大数值，会在转子表面某些接触部位引起高温，发生严重电灼伤，同时，局部高温还有使护环松脱的危险。机组承受负序电流的能力主要由转子表层发热情况来确定，特别是大型发电机，设计的热容量裕度较低，对承受负序电流能力的限制更为突出，必须装设与其承受负序电流能力相匹配的负序电流保护，又称为转子表层过热保护。

转子表层过热（负序电流）保护基本原理分两部分介绍如下所述。

（1）转子发热特点及负序电流反时限动作判据

大型发电机要求转子表层过热保护与发电机承受负序电流的能力相适应，因此在选择负序电流保护判据时需要首先了解由转子表层发热状况所规定的发电机承受负序电流的能力，这个能力通常按时间长短进行划分，即短期和长期承受负序电流的能力。

1）发电机长期承受负序电流的能力

发电机正常运行时，由于输电线路及负荷不可能三相完全对称，因此，总存在一定的负序电流I2，但数值较小，通常不超过2%～3%额定电流。发电机带不对称负荷运行时，转子虽有发热，但如果负序电流不大，由于转子的散热效应，其温升不会超过允许值，即发电机可以承受一定数值的负序电流长期运行。发电机长期承受负序电流的能力与发电机结构有关，应根据具体发电机确定。我国有关规程规定为：在额定负荷下，汽轮发电机持续负序电流I2≤（6%～8%）IN，对于大型直接冷却式发电机相应值更低一些。

负序电流保护通常依据发电机长期允许承受的负序电流值来确定启动门槛值，当负序电流超过长期允许承受的负序电流值后，保护延时发出报警信号。

2）发电机短时承受负序电流的能力

在异常运行或系统发生不对称故障时，I2将大大超过允许的持续负序电流值，这段时间通常不会太长，但因I2较大，更需考虑防止对发电机可能造成的损伤。发电机短时间内允许负序电流值I2的大小与电流持续时间有关。发电机发热量的大小通常与流经发电机的负序电流I′2的平方及所持续的时间t成正比。若假定发电机转子为绝热体（即短时内不考虑向周围散热的情况），则发电机允许负序电流与允许持续时间的关系可用下式来表示：

式中　I∗.2——以发电机额定电流IN为基准的负序电流标么值；

A——与发电机型式及冷却方式有关的常数；

t——允许时间。

A值反映发电机承受负序电流的能力，A越大，说明发电机承受负序电流能力越强。一般地，发电机容量越大，相对裕度越小，A值也越小。对发电机A值的规定并不统一，对于300 MW直接冷却式大型汽轮发电机A值大致范围是A≤（6～8）。

Α值通常是按绝热过程设计计算的，但在有些情况下，可能偏于保守。因为一般只在很短时间内可不计及散热作用。当I2较小，而允许持续时间较长时，转子表面向本体内部和周围介质散热就不能再予以忽略。因此，在确定转子表面过热保护的负序电流能力判据时，再引入一个修正系数K2，即有下述判据：(www.xing528.com)

修正系数K2与发电机允许长期负序电流有关，为了将温升限制在一定范围内要求，即

式中　K0——安全系数，一般为0.6。

将式（6.68）代入式（6.67）得到在负序电流条件下，允许运行时间的动作判据为：

这就是在负序电流保护中所采用的反时限动作判据。

还应注意，当负序电流较大而持续时间较短（如小于5 s）时，还需考虑定子电流中衰减的非周期分量的不利影响。发生不对称短路时，可能伴随着较大的非周期分量，衰减的非周期分量在转子中感应出衰减的基波电流，增加转子的损耗和温升。非周期分量一般衰减较快，需在较短的时间内予以考虑，而这时转子发热可视为绝热过程。计入非周期分量对转子的附加发热后，保护动作判据为：

图6.31　转子表层过热保护方案原理方框图

式中　——非周期分量标么值；

Kdc——与计算发热量有关的系数。

（2）转子表层过热保护方案

保护方案原理方框图如图6.31所示。在图中，有两个定时限部分和一个反时限部分，其动作特性如图6.32所示。上限定时限特性应与发变组（发电机变压器组的简称）高压侧两相短路相配合，上限门槛电流可取Iu∗=2，即Iu∗＞2动作，其动作时间tu按与高压出线快速保护相配合，可在0.3～0.5 s范围内整定。保护作用于跳闸解列。

下限定时限特性则按发电机持续允许负序电流整定，并应在外部不对称短路切除后返回，故动作电流门槛值整定为：

图6.32　负序反时限过电流继电器反时限特性

式中，Krel及Kre分别为可靠系数与返回系数。动作时间分为两个：一个短延时td1作用于告警信号，以便运行人员采取措施，td1一般整定为5～10 s；另一个是长延时td2作用于跳闸解列，其动作时间在250～1 000 s范围内整定。

反时限特性必须按式（6.69）作用于跳闸解列，反时限元件的启动门槛Id需要与长延时综合考虑，为了保证长延时精度，往往对最大延时有一定限制，一般取为1 000 s，也可按下限动作特性的延时td1选取（但不超过1 000 s），然后按式（6.69）倒算出Id即可。最后还需要校验Id应不小于Id1，由此得整定计算式：