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发电机负序电流保护的作用和整定 |
摘要：负序电流保护是电力学术语，根据发电机在正常运行时负序电流分量很小（接近于零），而在系统出现不对称故障时，就会产生很大的负序分量电流，从而通过测量负序电流的大小可以判别是否发生故障。因此，负序电流保护是一种用于保护三相交流发电机的电气保护装置，它能够检测到电机中存在的负序电流，并及时切断电路，以避免发电机过载、烧毁等故障。
一、负序电流保护的作用
当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流。此电流在发电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为2倍的同步转速，因此将在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁芯等部件上感应出100Hz的倍频电流。该电流使得转子上电流密度很大的某些部位（如转子端部、护环内表面等），可能出现局部灼伤，甚至可能使护环受热松脱，从而导致发电机的重大事故。此外，负序气隙旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的100Hz交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子机座上，从而引起100Hz的振动，威胁发电机安全。
发电机负序电流将作为转子表层过热的保护，同时可作为区外不对称短路的后备保护。负序电流在转子中所引起的发热量，正比于负序电流的平方与所持续的时间的乘积。在最严重的情况下，假设发电机转子为绝热体（即不向周围散热），则不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系，可表示为
式中，i2* ——流经发电机的负序电流（以发电机额定电流为基准的标幺值）；
t ——电流i2*所持续的时间；
I2 2* ——在时间t内i2 2*的平均值（以发电机额定电流为基准的标幺值）；
A ——与发电机型式和冷却方式有关的常数。
关于A的数值应采用制造厂所提供的数据。其参考值：对于凸极式发电机或调相机可取A＝40；对于空气或氢气表面冷却的隐极式发电机可取A＝30；对于导线直接冷却的100～300MW汽轮发电机可取A＝6～15等。随着发电机组容量的不断增大，它所允许的承受负序过负荷的能力也随之下降（A值减小）。A值较大的发电机，其耐受负序电流影响的能力强。
针对上述情况而装设的发电机负序过电流保护实际上是对定子绕组电流不平衡而引起转子过热的一种保护，因此应作为发电机的主保护之一。由于大机组的A值都比较小，承受负序电流的能力很小。因此，为防止发电机转子遭受负序电流的损坏，在100MW及以上，A＜10的发电机上应装设能够模拟发电机允许负序电流曲线的反时限负序过电流保护。微机型的发电机保护均采用完善的反时限特性负序过电流保护，以保证发电机运行的安全。
二、反时限负序过电流保护
反时限负序过电流保护反应发电机定子的负序电流大小，防止发电机转子表面过热。该保护电流取自发电机中性点TA三相电流，这样可以兼作发电机并网前的内部短路故障的后备保护。负序过电流保护由定时限负序过负荷和反时限负序过电流两部分组成。前者用以反应发电机负序过负荷，后者作为发电机转子表层过热的主保护及发电机区内、区外不对称短路的后备保护。负序过电流保护特性曲线如图1所示。定时限负序过负荷定值为I2ms，动作于较长延时ts发信号。反时限过电流由上限定时限、反时限、下限定时限三部分组成。当发电机负序电流大于上限整定值I2ms时，则按上限定时限tup动作；如果负序电流高于下限整定值I2m，但又不足以使反时限部分动作，或反时限部分动作时间太长时，则按下限定时限t1动作；负序电流在上、下限整定值之间，则按反时限动作。
负序反时限特性能真实地模拟转子的热积累过程，并能模拟散热，即发电机发热后若负序电流消失，热积累并不立即消失，而是慢慢地散热消失，如此时负序电流再次增大，则上一次的热积累将成为该次的初值。
反时限部分的动作方程为：
式中，I2* ——发电机负序电流标幺值；
K2 ——考虑发电机发热同时的散热效应系数（不考虑散热时取为0）；
A ——发电机的A值。
发电机反时限负序过电流保护逻辑图如图2所示。
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发电机负序过电流保护动作特性曲线图 |
发电机反时限负序过电流保护逻辑图 |
三、负序过电流保护的整定
1、负序定时限过负荷
负序定时限过负荷保护按发电机长期允许的负序电流下能可靠返回的条件整定，即
式中，I2．∞* ——发电机长期允许的负序电流标幺值；
Krel ——可靠系数；
Kre ——返回系数。
动作判据为：
I2>I2ms........................................(2-28)
保护动作后，经ts延时动作于发信号。
2、反时限负序过电流
上限定时限的动作电流通常可按躲过主变压器高压侧两相短路电流整定，即
I2up=Krel×I(2) k.T.h.................................（2-29）
式中，I(2) k.T.h 主变压器高压侧两相短路电流。
反时限的动作电流按发电机短时承受负序电流的能力确定，即
式中，A——与发电机型式和冷却方式有关的常数；
K2——考虑发电机发热同时的散热效应系数。
下限定时限的动作电流即为反时限负序过电流保护的启动电流，按发电机能长时间（tm＝1000s）承受的负序电流整定，即
反时限负序过电流保护的时限特性为
式中，tup——反时限特性上限动作时限
t1——反时限特性下限动作时限。
总结：
负序电流保护的原理基于发电机运行时每个相内电流相等的基本原理。当电机中存在故障时，如电机转子断条或定子绕组出现接地等故障，会导致电机中出现负序电流。负序电流保护通过检测电机中的负序电流，当负序电流的大小超过了设定值，就会立即切断电机的电源，从而实现对电机的保护。所以，负序电流保护是指在三相交流发电机运行过程中，如果发电机中出现了负序电流，那么负序电流保护将立即对电路进行保护，防止发电机受损。
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