发电机负序电流的危害及控制措施

发电机负序电流的危害及控制措施

赵启坤

(大唐国际锡林浩特发电有限责任公司，内蒙古锡林浩特026000)

摘 要：正常运行的发电机定子电流为三相对称的稳态正序电流，当因各种原因发生不对称运行时，发电机将产生负序电流，其主要原因有系统出现不对称负荷、系统或发变组发生不对称短路、发变组发生非全相运行等。发电机负序电流超过允许值将对发电机产生一定的危害，本文根据大唐国际锡林浩特发电有限责任公司两台发电机稳态和暂态工况下存在的负序电流的实际案例对发电机负序电流的危害及控制措施开展探析。

关键词：发电机、负序电流、三相不平衡、火电。

引言[yyh1]：

随着我国特高压交直流电网的逐步形成和新能源大规模持续并网，与换流站紧密联系的交流系统三相不平衡的问题也开始显现。大唐国际锡林浩特发电公司发电机经主变升压后接入1000kV交流特高压站，该1000kV交流特高压站与附近的±800kV直流换流站相聚26km并在各自的500kV侧紧密联系。大唐国际锡林浩特发电公司1号、2号机组自2019年12月始相继并网，两台机组与系统并列后均长期存在一定程度的负序电流，同时在交流系统因直流系统闭锁导致扰动时产生较大的暂态负序电流，针对该情况开展负序电流可能造成危害及控制措施的研究尤为必要。

1、负序电流的危害

负序电流对发电机的主要危害在于负序电流流过定子绕组时，负序电流产生的负序磁场同样以同步转速旋转，但与正序旋转磁场的旋转方向相反，因而，以同步转速旋转的发电机转子将以两倍速同步切割该负序磁场，在励磁绕组及转子本体中感应出两倍工频的附加电流，在转子表面产生涡流，使发电机转子产生发热和附加损耗，危害转子槽楔及接头、护环等部位，同时由于气隙合成磁场所产生的交变磁力矩作用在定子基座和转子转轴上，将引起两倍工频的附加振动。另外，负序电流会增大变压器的附加能量损失，使变压器的铁芯磁路产生附加发热，同时，负序电流的大小和持续时间长短的变化有引起继电保护装置动作的可能。

2、发电机承受负序电流的能力

以大唐国际锡林浩特发电公司所采用的东方电机有限公司生产的额定电流为19245A的QFSN-660-2-22B型汽轮发电机为例，该电机说明书中列出的承稳态和暂态负序电流的能力分别为：当三相负载不对称，且每相电流不超过额定定子电流IN时，其负序电流分量I2与额定电流IN 之比（I2/IN）应不大于8%。当发生不对称故障时，短时负序电流(I2/IN)2t应不大于10s（负序能力曲线见图1）。

图1：发电机不平衡负荷能力曲线

3、锡林浩特发电公司发电机运行中稳态及暂态负序电流分析

锡电1、2号发电机在投运前开展短路试验时，两台发电机定子电流在升至额定值的全部过程中三相电流均是平衡的，负序电流均很低（接近于0A），但两台机组均在并网后立即出现接近200A的负序电流，且负序电流不随机组功率增加（定子电流增加）而发生明显变化，排除发电机定子绕组不平衡导致负序电流产生的可能。

在1、2号机组168试运期间，通过对锡电公司两台机组对应的高厂变、励磁变高压侧三相电流进行了检查，确认高厂变、励磁变高压侧电流三相平衡，排除两台机组厂内负荷不平衡导致定子电流三相不平衡。

同时，通过对华能锡林浩特热电厂、国家能源胜利电厂、京能五间房电厂、华润五间房电厂等接入同一系统的发电厂开展调研得知，与锡电公司两台机组接入同一系统的机组均存在类似数值的负序分量，且接入锡盟直流换流站的五间房两电厂负序电流较接入胜利交流站的机组略高（与锡盟换流站连接的机组负序电流在350A左右）。由此推断，可能是因直流换流站的存在导致1000kV交流系统三相不平衡，各发电机组的负序分量均来源于系统，且与锡盟换流站联系越紧密，该机组的负序电流越大（交直流系统关系见图2）。

图2：锡盟交直流系统单线图

调取锡电公司2020年及2021年机组运行数据，发电机组的负序电流稳态值约为200A，按照发电机负序电流稳态允许值计算公式（I2/IN）计算为1.03%，满足负序电流分量I2与额定电流IN 之比不大于8%的要求。自2022年1月始，锡电公司两台机组负序电流由200A降低至140A左右稳定，按照发电机负序电流稳态允许值计算公式计算为0.7%，系统不平衡度有所改善。

2022年5月30日，锡泰直流闭锁导致电网扰动，系统潮流重新分布，电压、电流出现较大波动，导致锡电公司两台发电机组有功功率、无功功率、定转子电压电流均出现波动，期间两台发电机负序电流出现突增，以增幅较大的2号机组为例，负序电流由182A开始升高，最高升至2183A，负序电流超稳态允许值持续时间30ms（约1.5个周波），按照发电机负序电流暂态允许值公式(I2/IN)2t计算得出，该数值为0.000385s，小于发电机负序电流暂态允许值10s（祥见图3、图4）。

图3.发电机负序电流最大值

图4.发电机负序电流超稳态值持续时间

4、防止负序电流损坏发电机的控制措施

新投运或大修后的机组应对照《发电机技术数据汇总表》检查发电机定子绕组直流电阻、定子及出线相间及各相对地绝缘电阻及吸收比，发电机转子绝缘、交流阻抗等参数合格，发电机本体CT、出口PT试验合格，电压、电流回路接线良好。机组启动前确保发电机负序过负荷的正反时限保护定值合理，保护正确投入。发电机启励后应检查定子电压三相平衡，并网前定子电流为0A，必要时开展发电机短路试验及空载试验，确认二次接线正确并核实短路特性曲线、空载特性曲线与出厂测定一致。

正常运行中如因系统原因导致负序电流突增，应及时降低有功功率以确保负序电流在允许范围内，密切关注发电机定转子温度，进出风温度，发电机振动等参数，防止发电机温升超限或因振动增大导致轴瓦磨损。发电机出现不对称运行时，运行人员应迅速查明原因，尽量降低发电机的不对称度，如在发电机并列或解列过程中出现非全相运行，应立即降低发电机有功功率至最低，再将发电机解列（因锡电公司发电机出口断路器为三相联动式机构，开关动作时三相同时动作可靠性高，故非全相保护设置在主变高压侧）。

长期存在负序电流的机组，日常运行中转子上的倍频电流流经转子各部件，因不同部件使用的材料不同，其热容量也不同，如护环的热容量较转子本体小，在负序电流的长期作用下护环与转子本体之间可能因存在温差使护环失去紧力。应利用检修机会抽转子进行检查，检查转子表面是否有过热痕迹，护环、转子槽楔及搭接部位是否有过热松动痕迹，抽转子检查时还应重点检查转子表面、大齿、槽楔、护环等部位，在负序磁场作用下，因转子表面和大齿导磁性能较好，故产生的感应电流较大，同时在集肤效应作用下导致转子表面和大齿电流密度大，容易出现局部温度升高和过热。

若因处置不及时或保护未动作等原因，非全相运行超过发电机负序电流允许水平，即发电机负序承载能力 I2/IN (最大稳态值）>8%,(I2/IN)2t（最大暂态值）>10s 时，必须经过抽转子检查无问题后，经总工程师批准方可启动并列。

结论：

在以往的经验中，负序电流更多是作为发电机非全相运行或发生不对称短路等事故情况下的监测和分析参数，随着电网发展，特高压交直流系统的规模扩大并更加紧密的联系在一起，导致系统在稳态运行中就已经存在一定数值的负序分量；同时，在系统的各类暂态过程中可能会产生很大的负序电流，这类问题主要体现在直流系统运行方式突变时对交流系统造成的影响。所以，发电机正常运行中的负序电流监视及受到系统扰动影响时的参数分析成为一项非常重要的内容；在检修期间开展根据负序电流可能对发电机造成的危害开展针对性的检查及修复工作也尤为重要。应收集相关数据并建立台帐，及时开展数据分析；加强运维管理，确保各级技术人员及运维人员掌握负序电流对发电机的危害及控制措施，做到正确评估机组状态并及时消除隐患，确保发电机的安全稳定运行。

参考文献

[1][yyh2]孙旭东、王善铭.电机学：清华大学出版社.2006

[2]程浩忠．电能质量：清华大学出版社.2006

作者简介：

赵启坤，(1988-)，男，工程师 ，学士学位，从事电气运行技术管理工作。

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