Защита синхронных генераторов

treugoma.ru › Релейная защита и автоматика › 

Защита синхронных генераторов

Повреждения и ненормальные режимы работы генераторов. Типы защит.

Повреждения обмотки статора. Многофазные КЗ относятся к наиболее тяжёлым видам повреждений генератора. Они сопровождаются большими токами, в несколько раз превышающими номинальный ток генератора. Для защиты от многофазных КЗ, вызывающих значительные разрушения в статоре, на всех генераторах мощностью выше 1000 кВт при наличии выводов отдельных фаз, со стороны нейтрали устанавливается продольная дифференциальная защита, действующая на отключение генератора. На генераторах малой мощности для защиты от многофазных КЗ допускается применение более простых устройств: МТЗ или отсечки, установленной со стороны выводов генератора, а так же автоматических выключателей или плавких предохранителей.

Однофазные замыкания на землю (на корпус генератора) в генераторах с напряжением обмотки статора выше 1000 В, работающих с изолированной нейтралью, сопровождаются прохождением в месте повреждения небольших токов по сравнению с токами многофазных КЗ. Однако длительное прохождение тока и горение дуги в месте замыкания на корпус генератора могут привести к выгоранию изоляции и значительному оплавлению активной стали статора, после чего потребуется продолжительный ремонт с заменой повреждённой стали. На основании опыта эксплуатации и специальных испытаний установлено, что при повреждениях в обмотке статора ток замыкания на землю до 5А обычно не приводит к значительному повреждению стали. Поэтому, при токах замыкания на землю в сети генераторного напряжения меньше 5А защита от замыкания на землю, как правило, выполняется с действием на сигнал. Если же токи замыкания на землю превышают 5А, защита должна действовать на отключение. На генераторах малой мощности напряжением до 1000В, работающих с заземлённой нейтралью, защита от однофазных КЗ, которые сопровождаются большими токами, действует на отключение.

В статоре генератора могут также возникать замыкания между витками одной фазы. Токи, проходящие в месте повреждения, соизмеримы с токами многофазных КЗ. На генераторах, имеющих выведенные параллельные ветви, для защиты от витковых замыканий устанавливается поперечная дифференциальная защита, действующая на отключение генератора. На генераторах, не имеющих выведенных параллельных ветвей, защита от витковых замыканий не устанавливается, т.к. выполнение её в этом случае сложно, а также потому, что витковые замыкания с статоре генератора, не сопровождающиеся однофазным замыканием на землю или многофазные КЗ, очень редки.

Повреждения обмотки ротора. Замыкания в одной точке цепи возбуждения не оказывает влияния на нормальную работу генератора, ток в месте повреждения не проходит, и симметрия магнитного потока не нарушается. Однако наличие одного замыкания на землю представляет потенциальную опасность для генератора, т.к. в случае возникновения замыкания на землю во второй точке цепи возбуждения часть обмотки окажется замкнутой накоротко.

Замыкание на землю в двух точках цепи возбуждения сопровождается сильной вибрацией из-за нарушения симметрии магнитного потока. Дуга в месте замыкания может вызвать повреждение обмотки и стали ротора.

Для предупреждения повреждений генераторов защита от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения гидрогенераторов должна быть предусмотрена с действием на отключение, а турбогенераторов (с водяным охлаждением обмотки ротора любой мощности, а с другими системами охлаждения мощностью 300МВт и выше) с действием на сигнал. Защита от замыканий на землю в двух точках цепи возбуждения устанавливается только на турбогенераторах.

Ненормальные режимы.Перегрузка статора током больше номинального влечёт за собой перегрев и разрушение изоляции обмотки, что в результате может привести к повреждению (КЗ или замыкание на землю). При внешних КЗ, когда токи перегрузки могут достигать больших значений, даже кратковременное их прохождение представляет опасность для обмотки статора. Для предотвращения повреждения генератора током перегрузки, (если внешнее КЗ не будет отключено защитами линий или трансформаторов), служит МТЗ с пуском по напряжению или без него, действующая на отключение генератора. Наиболее тяжёлые последствия для генератора могут иметь место при внешних несимметричных КЗ (двухфазных или однофазных). В этом случае неравенство (несимметрия) токов в фазах статора вызывает повышенный нагрев ротора и вибрацию генератора, что может вызвать его повреждение. Несимметрия токов статора может возникнуть также вследствие обрыва одной из фаз или отказа во включении отключении выключателя одной из фаз. Допустимую длительность прохождения по генератору тока обратной последовательности, с, можно определить по следующему выражению:

(1)

где I2*2 кратность тока обратной последовательности по отношению к номинальному току генератора; А постоянная величина для генераторов данного типа: для турбогенераторов с косвенным охлаждением типа ТВ2 29, типа ТВ 20; для турбогенераторов с непосредственным охлаждением типа ТВФ 15, типов ТГВ, ТВМ, ТВВ (кроме ТВВ-1000-4 и ТВВ-1200-2) 8, типов ТВВ-1000-4 и ТВВ-1200-2 6; для гидрогенераторов с косвенным охлаждением 40. Защита генератора от внешних несимметричных КЗ и несимметричных режимов осуществляется токовой защитой обратной последовательности, действующей на сигнал и на отключение.

Перегрузка по току ротора. Защита ротора от перегрузки предусматривается только на турбогенераторах с непосредственным охлаждением обмоток. Эта защита должна оставаться в действии при работе генератора как на основном, так и на резервном возбуждении. Защита от перегрузки ротора устанавливается также на гидрогенераторах с косвенным охлаждением обмоток мощностью более 30МВт. Защита обычно действует с двумя выдержками времени: с меньшей на разгрузку генератора (через автоматический регулятор возбуждения), а с большей на отключение генератора и гашение поля.

К ненормальным режимам относится также работа синхронного генератора без возбуждения (при отключении АГП), так называемый асинхронный режим. При работе в асинхронном режиме увеличивается частота вращения генератора и возникает пульсация тока статора. Асинхронный режим работы гидрогенераторов в большинстве случаев сопровождается значительным понижением напряжения и большими качаниями, при которых ток статора может в несколько раз превышать номинальное значение. Необходимо поэтому в случае потери возбуждения гидрогенератор необходимо отключить или принять меры к восстановлению нормального режима.

Повышение напряженияна выводах обмотки статора может привести к нарушению изоляции и возникновению повреждений в обмотках генератора. Опасное для изоляции повышение напряжения возникает вследствие исчезновения магнитного потока реакции статора и увеличения частоты вращения агрегата, что происходит при сбросе нагрузки.

Продольная дифференциальная защита.

Основной защитой генераторов от многофазных КЗ в обмотке статора является продольная дифференциальная защита. Эта защита подключается к ТТ, установленным со стороны выводов и со стороны нулевой точки генератора; в зону её действия входят обмотки, выводы статора и кабели или шины до распределительного устройства генераторного напряжения. На электростанциях без обслуживающего персонала, где продольная дифференциальная защита при срабатывании автоматически пускает воду в генератор, она подключается к ТТ так, чтобы в зону её действия входили лишь обмотка и выводы статора.

На генераторах, работающих на шины генераторного напряжения, применяются, главным образом две схемы продольной дифференциальной защиты (рис. 1 4). В первой из них, которая применяется на генераторах мощностью мене 30 МВт, используются два токовых реле и четыре трансформатора тока (ТТ) (рис.1). недостатком этой схемы является то, что защита не будет срабатывать при двойном замыкании на землю (одно в сети, другое в обмотке статора), если в генераторе замкнёт на землю фаза статора, в которой нет ТТ защиты. Для отключения генератора в этом случае предусматривается дополнительное токовое реле в схеме защиты от замыканий на землю, действующее без выдержки времени на отключение.

Если генератор не имеет защиты от замыканий на землю, действующей на отключение, продольная дифференциальная защита должна устанавливаться на трёх фазах (рис.2). На генераторах мощностью более 30 МВт с целью повышения надёжности продольная дифференциальная защита всегда выполняется в трёхфазном исполнении независимо от наличия защиты от замыканий на землю, действующей на отключение.

Ток срабатывания продольной дифференциальной защиты выбирается по условию отстройки от тока небаланса, проходящего в реле при внешних КЗ:

(2)

гдеkн коэффициент надёжности, равный 1,3;Iнб,расч. расчётный ток небаланса, определённый по формуле:

(3)

гдеka коэффициент апериодичности, учитывающий дополнительную погрешность ТТ в переходном процессе и принимаемый равным 1 для зашиты с реле РНТ-565 и 1,5 2 для защиты с реле РТ-40 или с реле прямого действия РТМ; kодн коэффициент однотипности ТТ, принимаемый равным 0,5; fi относительное значение погрешности ТТ, равное 0,1; Ik,max периодическая составляющая тока (при t=0), который проходит по ТТ защиты при внешнем металлическом КЗ на шинах генераторного напряжения.

Чтобы уменьшить токи небаланса, проходящие в реле при внешних КЗ, для продольной дифференциальной защиты подбираются ТТ, имеющие одинаковые характеристики намагничивания. При расчёте по формуле (3) это учитывается коэффициентом однотипности. С этой же целью рекомендуется выравнивать

сопротивления плеч дифференциальной защиты подбором соответствующих сечений жил соединительных кабелей, а в схемах защит генераторов небольшой мощности включать последовательно с обмотками токовых реле добавочные сопротивления 5 10 Ом. Для уменьшения тока небаланса, повышения чувствительности и надёжности дифференциальной защиты целесообразно использовать в схеме реле с насыщающимися трансформаторами.

Продольная диф.защита генераторов большой мощности должна иметь ток срабатывания не более 0,6Iном. Для генераторов мощностью до 30 МВт с косвенным охлаждением допускается выполнять защиту с током срабатывания (1,31,4) Iном. При такой уставке срабатывания диф.защита, как правило, бывает надёжно отстроена от тока небаланса и вместе с тем предотвращается её ложное срабатывание в нормальном режиме в случае обрыва соединительных проводов или неисправности одного из ТТ. В последнем случае для сигнализации обрыва соединительных проводов диф.защиты в нулевой провод токовых цепей включается токовое реле КА0 (рис.3), ток срабатывания которого устанавливается равным 20 30% Iном.

Для надёжной отстройки реле РНТ от токов небаланса в переходном режиме при внешних КЗ на короткозамкнутой обмотке реле РНТ-562 устанавливаются отпайки А А, а на реле РНТ565 сопротивление, подключенное к короткозамкнутой обмотке, принимается равным 10 Ом.

Продольная диф.защита генератора во всех случаях должна обеспечивать коэффициент чувствительности больше двух при КЗ на выводах генератора:

(4)

где Ik,min периодическая составляющая тока для t=0 при металлическом двухфазном КЗ на выводах генератора.

Расчётный ток КЗ определяется для двух режимов: повреждение одиночно работающего генератора, когда ток к месту повреждения подходит только от генератора, и повреждение генератора, включаемого методом самосинхронизации, когда ток к месту КЗ подходит только от сети. В формулу (4) подставляется меньшее значение тока КЗ, определённое для этих двух расчётных режимов.

Поперечная дифференциальная защита.

Для защиты генераторов, имеющих две параллельные ветви и более, применяется специальная поперечная диф.защита, которая реагирует на разность токов, проходящих в параллельных ветвях обмотки статора. Принцип действия защиты такой же, как у поперечной дифференциальной (восьмёрочной) защиты параллельных линий. В нормальном режиме в параллельных ветвях, проходят равные токи, и в реле попадает только ток небаланса. При замыкании между витками одной из параллельных ветвей равенство токов нарушается и реле срабатывает. На рис.5 показана схема однорелейной поперечной диф.защиты, которая наиболее широко применяется на практике. В этой схеме токовое реле подключено к ТТ, установленному в цепи между двумя нулевыми точками

соединённых в звезду параллельных ветвей обмотки статора. В нормальном режиме, когда токи в обеих параллельных ветвях равны, а сумма токов в каждой звезде равна нулю, ток в реле не проходит. При возникновении виткового замыкания в одной из ветвей равенство токов нарушается и в реле проходит ток, под действием которого оно срабатывает. С целью повышения чувствительности токовое реле включается через фильтр ZF для отстройки от воздействия гармоник, кратных трём, наличие которых обусловлено искажением формы кривой ЭДС генератора. В результате ток срабатывания реле при частоте 150 Гц (третья гармоника) примерно в 10 раз превышает ток срабатывания при частоте 50 Гц.

Защита выполняется без выдержки времени. Поперечная диф.защита так же, как и продольная, должна действовать на отключение всех выключателей генератора, на гашение поля, а также на останов турбины. Кроме своего основного назначения защита от витковых замыканий, поперечная диф.защита может также в некоторых случаях срабатывать и при многофазных КЗ, резервируя продольную диф.защиту. Ток срабатывания поперечной диф.защиты отстраивается от максимального тока небаланса, который может проходить в реле при внешних КЗ, и принимается равным:

(5)

Защита от однофазных замыканий на землю.

Назначение защиты. Для уменьшения тока замыкания на землю в сети генераторного напряжения, что существенно повышает надёжность эксплуатации генераторов и кабельных сетей, генераторы напряжением 3 Кв и выше, как правило, работают с изолированной нейтралью.

При однофазном замыкании на землю на выводах генератора ток в месте замыкания равен:

(6)

Если замыкание на землю возникает не на выводах статора, а на расстоянии w витков от нулевой точки генератора, ток в месте замыкания будет равен:

, (7)

где - отношение числа замкнувшихся витков к общему числу витков обмотки статора. Таким образом, при замыкании на землю фазы статора ток в месте повреждения пропорционален числу замкнувшихся витков и значению ёмкости присоединённой сети.

Защита с трансформаторами тока нулевой последовательности, имеющими подмагничивание. Поскольку токи замыкания на землю малы по сравнению с токами, проходящими при многофазных КЗ, защита генератора от замыканий на землю должна иметь высокую чувствительность. Поэтому токовые реле защиты от замыканий на землю подключаются к специальным трансформаторам тока нулевой последовательности, которые обеспечивают работу защиты при малых токах замыканий на землю.

В эксплуатации используются ТТ нулевой последовательности двух типов: для защиты генераторов, имеющих кабельные вводы, - кабельного типа (ТНП) и для защиты генераторов с шинными вводами шинного типа (ТНПШ). По принципу действия ТНП аналогичны ТТ нулевой последовательности, которые применяются в схемах защиты от замыканий на землю кабельных линий. Для правильной работы защиты с ТНП при монтаже трансформатора необходимо выполнять следующие условия:

а) ближайшие участки ошиновки соседних ячеек в РУ должны быть удалены от ТНП на расстояние 1,5 2 м, чтобы устранить влияние внешних электромагнитных полей;

б) ТНП устанавливается возможно ближе к выводам генератора, так чтобы в зону защиты входили кабели меньшей длины, но не менее чем 0,7 м от концевых кабельных воронок;

в)ТНП устанавливается на металлических кронштейнах, на которые опираются немагнитные планки, стягивающие оба магнитопровода. Стальные детали крепящей конструкции должны быть удалены от сердечника ТНП на 40 50 мм;

г) для предотвращения ложной работы защиты от наведённых и блуждающих токов, проходящих по броне кабеля, каждый кабель со стороны выводов генератора изолируется от земли на всём протяжении от места установки ТНП до кабельных воронок. Воронки заземляются проводом, который пропускается через окно ТНП так же, как и в защите кабельных линий;

д)кабели в окне ТНП должны располагаться симметрично для уменьшения токов небаланса, возникающих при их несимметричном расположении.

ТТ нулевой последовательности кабельного типа выпускаются на 2, 4,7, 12, 16 кабелей. В тех случаях, когда трудно объединить все кабели одним ТТ из-за большого числа кабелей или по условиям их прокладки, допускается установка двух ТНП с параллельным соединением вторичных обмоток и обмоток подмагничивания.

ТТ шинного типа ТНПШ применяются на генераторах с шинными выводами. Для того, чтобы ток небаланса, проходящий в реле, не превышал допустимого значения, а шины, встроенные в ТНПШ, не перегревались, при монтаже шинных ТТ нулевой последовательности необходимо соблюдать определённые требования:

а) посторонние участки ошиновки должны быть удалены от сердечников ТНПШ на 1 1,5 м, а стальные конструкции на 0,5 м. профиль углового железа или швеллеров, на которых крепится ТТ, не должен быть выше № 6 6,5. Они должны быть удалены от сердечников ТНПШ на 40 50 мм;

б) пакет шин укрепляется симметрично относительно центра окна магнитопровода. При правильном расположении шин и монтаже ТНПШ напряжение на зажимах обмотки реле не должно превышать значений паспортных данных.

Схема защиты генератора с ТНП и ТНПШ от замыканий на землю в обмотке статора показана на рис.6. Токовое реле КА1 включено на вторичную обмотку ТНП. Чтобы предотвратить неправильное действие защиты от токов небаланса, проходящих кратковременно во время переходных процессов при замыкании на землю во внешней сети, в схему введено реле времени КТ (рис.7), создающее выдержку времени 0,5 2 с. Напряжение для подмагничивания ТНП, равное 100 110 В, подаётся от ТН, установленного на выводах генератора.

В схеме защиты предусмотрен вольтметр с кнопкой, с помощью которого можно примерно определить число замкнувшихся витков при замыкании на землю в обмотке статора.


Чем дальше от нулевой точки генератора возникает замыкание на землю, тем больше будут показания вольтметра.

На рис.7 показано также токовое реле КА2, которое предназначено для действия при двойных замыканиях на землю (одно замыкание на землю во внешней сети генераторного напряжения, а второе в обмотке статора). Реле КА2 действует без выдержки времени на выходное промежуточное реле генератора через указательное (блинкерное) реле КН2. Цепи напряжения, питающие обмотку подмагничивания ТНП, размыкаются вспомогательным контактом выключателя при его отключении для снятия напряжения с ТНП по условиям ТБ.

Ток срабатывания чувствительного реле защиты от замыканий на землю должен удовлетворять следующим условиям:

а) быть не выше 5 А, чтобы обеспечить отключение генератора

при токах замыкания на землю 5А и выше

(8)

б) быть больше тока небаланса, проходящего через ТНП при внешнем двухфазном КЗ.

Для определения первичного тока срабатывания защиты можно применить выражение:

, (9)


где Iс,г собственный емкостной ток генератора; kв коэффициент возврата (0,50,8); Iнб ток небаланса, приведённый к первичной стороне ТНП. Для ТНП кабельного типа 1А; для ТНПШ при наличии блокировки, выводящей защиту из действия при токах Ik (1,31,5) Iном 1 1,5А.

Токовые защиты от внешних КЗ и перегрузки.

МТЗ с блокировкой по напряжению. МТЗ устанавливается для защиты генераторов от сверхтоков при внешнем КЗ. Три максимальных реле тока КА1 включены на фазные токи генератора (рис.8). При таком включении токовых реле обеспечивается срабатывание защиты при любом виде КЗ как в сети генераторного напряжения, так и на стороне высшего напряжения силовых трансформаторов, соединённых по схеме У/Д. Токовые реле МТЗ обычно подключаются к ТТ, установленным со стороны выводов обмотки статора. При этом токовая защита обеспечивает резервирование основной продольной диф.защиты генератора при многофазных КЗ в обмотках статора. Так как токовые реле будут срабатывать не только при КЗ, но и при перегрузках, когда нет необходимости отключать генератор, в схему защиты вводится блокировка по напряжению. Эту блокировку можно выполнить с помощью трёх реле минимального напряжения. Однако для повышения чувствительности защиты к КЗ за трансформаторами и реакторами на генераторах используется обычно блокировка с двумя реле напряжения: реле напряжения обратной последовательности (KV2) и минимальным реле напряжения (KV1), включенным на междуфазное напряжение (рис.9).

Реле напряжения в этой схеме включены так, чтобы обеспечить высокую чувствительность ко всем видам КЗ. При перегрузках, не сопровождающихся значительным снижением напряжения, минимальное реле напряжения KV1 будет держать контакты KV1.1 разомкнутыми, предотвращая ложное срабатывание защиты. При несимметричных КЗ сработает реле напряжения обратной последовательности KV2 и разомкнёт контакт KV2.1, снимая напряжение с обмотки реле KV1. При трёхфазном КЗ минимальное реле напряжения KV1 замкнёт свой контакт, разрешая действовать защите.

Благодаря тому, что в цепь обмотки минимального реле напряжения включен размыкающий контакт KV2.1, чувствительность блокировки к трёхфазным КЗ повышается. Действительно, поскольку в первый момент трёхфазного КЗ хотя бы кратковременно существует несимметрия, реле KV2 разомкнёт, а реле KV1замкнёт контакт независимо от удалённости места КЗ. После того, как несимметрия исчезнет и КЗ станет симметричным, реле KV2 замкнёт контакт KV2.1 и на обмотку реле KV1 будет подано напряжение. Если напряжение возврата минимального реле напряжения будет больше, чем остаточное напряжение на его обмотке, контакт реле останется замкнутым и защита может подействовать на отключение. Поскольку при этом реле KV1 в рассматриваемой схеме работает на возврат, а напряжение возврата минимального реле напряжения превышает напряжение срабатывания, то обеспечивается более высокая чувствительность к трёхфазным КЗ.

Реле напряжения KV1 (рис.10) может замкнуть свой контакт в нормальном режиме при неисправности цепей напряжения, вследствие чего будет снята блокировка токовых реле. Для того чтобы персонал мог своевременно принять меры к восстановлению цепей напряжения, в схеме предусмотрена сигнализация, срабатывающая при их повреждении. Плюс на сигнал подаётся через вспомогательный контакт SQ выключателя генератора, что необходимо для предотвращения действия сигнализации, когда генератор отключён.

При выполнении защиты следует иметь ввиду, что недопустимо включать реле напряжения блокировки и устройства форсировки и регулирования возбуждения на общий ТН, т.к. в случае отключения автоматического выключателя в общих цепях напряжения может ложно подействовать защита и отключить генератор. Ток срабатывания токовых реле отстраивается от номинального тока генератора

(10)

где k н = 1,11,2.

Напряжение срабатывания минимального реле напряжения отстраивается от минимального значения эксплуатационного напряжения

(11)

где k н = 1,11,2.

Для предотвращения неправильного действия защиты при самозапуске электродвигателей собственных нужд, когда напряжение на шинах генератора значительно снижается, допускается в случае необходимости уменьшать напряжение срабатывания реле напряжения до 0,5Uном. Снижение уставки минимального реле напряжения целесообразно также на генераторах, которые могут работать в асинхронном режиме.

Напряжение срабатывания реле напряжения обратной последовательности принимается минимально возможным, отстроенным от напряжения небаланса на выходе фильтра. Обычно принимается вторичное напряжения срабатывания порядка 6В обратной последовательности, фазное на входе фильтра.

Выдержка времени защиты устанавливается на одну-две ступени больше выдержки времени защиты трансформаторов и линий, отходящих от шин генераторного напряжения. В ряде случаев защита выполняется с двумя выдержками времени: с первой через проскальзывающий контакт реле времени КТ1.1 подаётся сигнал на отключение секционных и шиносоединительных выключателей трансформатора, связывающих данную секцию или систему шин с соседними, а со второй выдержкой времени КТ1.2 на отключение генератора.

На генераторах мощностью менее 1000кВт допускается установка МТЗ без блокировки по напряжению.

МТЗ от перегрузки.

Защита от перегрузки, действующая на сигнал, выполняется с помощью одного токового реле КА2 (рис.8), т.к. перегрузка имеет место одновременно во всех фазах. Для того чтобы защита не срабатывала при кратковременных перегрузках, в схему введено реле времени КТ2 (рис.10), термически стойкое при длительном прохождении тока по его катушке.

Ток срабатывания токового реле КА2 отстраивается от номинального тока генератора:

(12)

где kH = 1,05.

Выдержка времени устанавливается больше выдержки времени МТЗ генератора. На ГЭС без постоянного дежурного персонала защита от перегрузки выполняется с двумя выдержками времени: с меньшей на снижение тока возбуждения для уменьшения тока статора и с большей на отключение генератора.

Токовая защита обратной последовательности.

Как уже отмечалось, токи обратной последовательности представляют большую опасность для генераторов. Поэтому на генераторах мощностью более 30МВт применяется токовая защита обратной последовательности от внешних несимметричных КЗ. Схема такой защиты для генератора с косвенным охлаждением приведена на рис.11(а.б.в).

При возникновении несимметричного КЗ сработает токовое реле КА2, через замыкающий контакт которого будет подан плюс на обмотку реле времени КТ. По истечении выдержек времени проскальзывающего КТ.1 и упорного КТ.2 контактов будут замкнуты цепи промежуточных реле, которые подействуют на отключение соответствующих выключателей.

Ток срабатывания ступени защиты с токовым реле КА2 принимается равным:

(13)

Выбранный в соответствии с формулой 13 ток срабатывания реле КА2 не должен превышать значения тока обратной последовательности, прохождение которого допустимо для генератора данного типа в течение 2 мин. (120с). Для этого должно быть соблюдено условие:

(14)

где А постоянная величина. Для турбогенератора с косвенным охлаждением ( А = 20) Iс,з≤0,45Iном; для гидрогенератора (А = 40) Iс,з≤0,6Iном.

Для того чтобы токовая защита обратной последовательности генератора не срабатывала при удаленных КЗ, когда защиты соседних элементов трансформаторов и линий не действуют, она должна быть согласовано с этими защитами по чувствительности. При этом не должно нарушаться условие формулы 14. Выдержка времени защиты выбирается точно так же, как и для МТЗ с блокировкой по напряжению.

Токовое реле КАЗ, уставка срабатывания которого принимается (0,080,1)Iном, предназначено для сигнализации в случае несимметрии в первичной сети, сопровождающейся прохождением сравнительно небольшого тока обратной последовательности.

В схеме защиты (рис.11) для действия при трёхфазных КЗ предусмотрено одно токовое реле КА1, включенное на фазный ток, и одно реле минимального напряжения KV, подключенное на междуфазное напряжение. Уставки срабатывания этих реле выбираются так же, как и уставки реле МТЗ с блокировкой по напряжению.

На турбогенераторах мощностью 60 100МВт с непосредственным охлаждением обмоток применяется четырёхступенчатая токовая защита обратной последовательности (рис.12). защита выполняется с двумя фильтрами-реле тока обратной последовательности типа РТФ- 7. Одно из устройств РТФ-7 применяется в заводском исполнении. Чувствительное реле этого устройства КА2 используется для сигнализации, а грубое КА1 для второй ступени защиты. Второе устройство РТФ-7 модифицируется. Для получения необходимых уставок срабатывания оно несколько загрубляется. С помощью чувствительного элемента второго устройства РТФ-7 выполняется третья ступень защиты КА5, а грубый элемент КА4 используется для вывода из действия токовой защиты нулевой последовательности, чтобы предотвратить её излишнее срабатывание при внешнем КЗ. Для выполнения первой ступени защиты используется дополнительное токовое реле КА3, подключение которого к фильтру второго устройства РТФ-7 осуществляется через специальные выводы.

Каждая ступень токовой защиты обратной последовательности действует на своё реле времени, а для последней третьей ступени, чтобы обеспечить необходимую выдержку времени, предусмотрена установка двух последовательно действующих реле времени КТ4 и КТ5. Первая, наиболее грубая ступень защиты с одной и той же выдержкой времени действует на отключение АГП, выключателя генератора и на промежуточное реле, отключающее шиносоединительные и секционные выключатели. Вторая же и третья ступени действуют с двумя разными выдержками времени: с первой через проскальзывающие контакты КТ1.1 и КТ5.1 на отключение шиносоединительных и секционных выключателей, а со второй (контакты КТ1.2,КТ5.2) на отключение АГП и выключателя генератора.

Как уже отмечалось выше, в схеме используется специальное токовое реле обратной последовательности КА4 для вывода из действия токовой защиты нулевой последовательности при внешних несимметричных КЗ. Это обусловлено следующими обстоятельствами. В зависимости от значения тока, проходящего при двойном замыкании на землю, повреждение будет отключаться либо продольной диф.защитой генератора, либо грубым реле токовой защиты нулевой последовательности.

Для того чтобы весь возможный диапазон токов повреждения был перекрыт и двойное замыкание на землю всегда отключалось быстродействующей защитой, ток срабатывания реле, выводящих из действия токовую защиту нулевой последовательности при внешних КЗ, необходимо выбирать грубее тока срабатывания продольной диф.защиты. Для того чтобы точно с необходимым запасом выполнить это условие, предусмотрено специальное токовое реле обратной последовательности КА4.

Для реле токовой защиты обратной последовательности генераторов типа ТВФ, работающих на шины генераторного напряжения, рекомендуются уставки, указанные в таблице №1.

Эти уставки выбраны на основании следующих соображений. Ток срабатывания первой ступени принят по условию обеспечения необходимой чувствительности (kЧ,Т =1,2) при двухфазном КЗ на выводах защищаемого генератора, когда выключатель его отключен. Выдержка времени первой ступени защиты определялась в соответствии с характеристикой, определяющей допустимую длительность прохождения тока обратной последовательности при двухфазном КЗ на выводах генератора. Уставки срабатывания второй ступени защиты по току выбирались таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая чувствительность защиты при несимметричном КЗ за резервируемым элементом, например за повышающим трансформатором, сохранялась селективность с защитами соседних элементов и удовлетворялись требования защиты генератора от

тока обратной последовательности. Этим требованиям, как правило, удовлетворяют уставки в таблице №1.

Ток срабатывания третьей ступени принимается равным 0,25IНОМ. В соответствии с тепловой характеристикой прохождения такого тока обратной последовательности через генераторы типов ТВФ-60 и ТВФ-100 допускается в течение 3мин. Таким образом, в случае возникновения несимметричного режима с током обратной последовательности меньше уставки срабатывания третьей ступени защиты персонал будет иметь достаточно времени (3 5мин.) для того чтобы принять меры к устранению причины, вызвавшей несимметричный режим, или разгрузить и отключить генератор.

Выдержка времени второй ступени определяется по тепловой характеристике и определяет допустимое время прохождения тока обратной последовательности, равного току срабатывания первой ступени.

Аналогично выдержка времени третьей ступени определяется допустимой продолжительностью прохождения через генератор тока обратной последовательности, равного уставке срабатывания второй ступени. Определённая таким образом выдержка времени равна 40 с. Для уменьшения количества реле в схеме защиты эту выдержку времени можно понизить до 20 с, что можно осуществить с одним реле времени.

Ток срабатывания токового реле КА2, действующего на сигнал, принимается равным (0,050,06)Iном. Ток срабатывания токового реле КА4, блокирующего токовую защиту нулевой последовательности при внешних КЗ, выбирается по условию согласования по чувствительности с уставкой реле продольной диф.защиты генератора при двойном замыкании на землю согласно следующему выражению:

(15)

где I2С,З ток срабатывания блокирующего токового реле обратной последовательности; IС,З,ДИФ ток срабатывания продольной диф.защиты, равный (0,50,6)Iном; I2H,H ток обратной последовательности несимметричной нагрузки, принимается равным току срабатывания третьей ступени токовой защиты обратной последовательности 0,25Iном; kH коэффициент надёжности, равный 1,2;

(16)

На турбогенераторах мощностью 160 МВт и более токовая защита обратной последовательности выполняется с зависимой интегральной характеристикой выдержки времени, соответствующей тепловой характеристике генератора. Наряду с этим на многих генераторах мощностью 160 300 МВт эксплуатируется ступенчатая, внедрявшаяся до начала выпуска защита с интегральной характеристикой.

Структурная схема фильтра-реле типа РТФ, с помощью которого осуществляется зависимая защита генераторов большой мощности, приведена на рис.12. В состав комплекта РТФ входят следующие элементы: фильтр тока обратной последовательности (ФТОП), входное преобразующее устройство ( ВПУ), сигнальный орган (СО), пусковой орган (ПО), два органа токовой отсечки (отсечка 1 и отсечка 2), орган итегральной зависимой

выдержки времени (В), блок питания (БП).

К ВПУ (рис.13) относятся: согласующий разделительный трансформатор TL4 , выпрямительные мосты VS1 и VS2, сглаживающий фильтр второй гармоники L1 C6, конденсатор С7, балластные резисторы R17 и R18, нелинейная цепочка VD4 R19. Нелинейная цепочка необходима для коррекции характеристики органа с зависимой выдержкой времени в

Таблица №1

Тип генератора, напряжение (В) I ступень

II ступень

III ступень

I2С,З tС,З C. I2С,З tС,З C. I2С,З tС,З C.
ТВФ-60-2; 6,3 кВ 1,8 2,3 0,6 8,5 0,25 40(20)
ТВФ-60-2; 10,5 кВ 2,3 1,7 0,6 8,5 0,25 40(20)
ТВФ-100-2; 10,5 кВ 2,0 2,2 0,6 8,5 0,25 40(20)


I2С,З уставки по току обратной последовательности в долях номинального тока генератора.

области больших токов обратной последовательности. Входное преобразующее устройство имеет два выхода, на каждом из которых имеется выпрямленное и сглаженное напряжение, пропорциональное току обратной последовательности защищаемого объекта. С обмотки w3 трансформатора TL4 напряжение поступает на сигнальный и пусковой органы и органы отсечки, с обмотки w2 на орган с зависимой характеристикой выдержки времени.

Органы защиты, срабатывающие без выдержки времени (СО, ПО, отсечки), имеют одинаковые схемы, отличающиеся лишь значениями некоторых сопротивлений. На рис.14 приведена упрощённая схема сигнального органа, представляющая собой четырёхплечий мост ACDE, к точкам A,D которого подводится напряжение от блока питания (БП), а к точкам B,F от делителя напряжения, с выхода ВПУ (от точек а а). в диагональ моста ЕС включено магнитоэлектрическое реле KL1, обмотка которого шунтируется успокоительным резистором R24. Сопротивления плеч моста подобраны таким образом, чтобы при отсутствии напряжения на выходе ВПУ по обмотке реле проходил ток в тормозном направлении. Значение тормозного тока регулируется с помощью резистора R26 в пределах 50 100мкА, что обеспечивает надёжный размыкающий момент на

подвижной системе магнитоэлектрического реле. Потенциалы точек B,F подобраны таким образом, что при отсутствии напряжения от ВПУ или достаточно малом его значении диод VD5 заперт, и ток, проходящий через него, пренебрежимо мал. При увеличении напряжения, подводимого от ВПУ, диод VD5 начинает отпираться, а VD6 запирается. Ток в диагонали ЕС изменит направление, обусловливая срабатывание магнитоэлектрического реле KL1.

Магнитоэлекрическое реле каждого из органов действует на своё промежуточное реле, подключенное к стабилизированному напряжению постоянного оперативного тока (рис.15). кремниевые стабилитроны VD1 VD3 поддерживают напряжение 100В, обеспечивающем нормальную работу контактов магнитоэлектрических реле. Параллельно каждому контакту включен искрогасительный контур, из последовательно соединённых конденсатора и резистора.

На рис.16 приведена схема цепей блока питания. С помощью резистора R50 обеспечивается регулирование напряжения, подаваемого на органы, срабатывающие без выдержки времени.

Защита с реле сопротивления от внешних симметричных КЗ.

Для повышения чувствительности к внешним симметричным КЗ на генераторах большой мощности, работающих в блоке с

трансформаторами, устанавливается одноступенчатая дистанционная защита, которая выполняется с использованием одного из трёх реле сопротивления в блок-реле. Защита выполняется с двумя выдержками времени, обеспечивающими дальнее и ближнее резервирование.


Для блокировки действия защиты при нарушении исправности цепей напряжения используется вспомогательный контакт автоматического выключателя, устанавливаемого во вторичных цепях ТН. Реле сопротивления включается на разность токов и междуфазное напряжение. Сопротивление срабатывания защиты выбирается по условию отстройки от максимальной нагрузки при минимальном эксплуатационном напряжении:

(17)

При использовании реле сопротивления с эллиптической характеристикой сопротивления срабатывания можно увеличить, что в ряде случаев целесообразно для улучшения дальнего резервирования.

Защита от повышения напряжения.

Защита, схема которой оказана на рис.17, состоит из реле напряжения, включенного на междуфазное напряжение генератора, и реле времени для предотвращения срабатывания защиты при кратковременном повышении напряжения.

Защита от повышения напряжения устанавливается на всех гидрогенераторах, работающих в блоке с трансформаторами. Напряжение срабатывания защиты устанавливается равным (1,51,7)UHOM, выдержка времени 0,5 с.

На энергоблоках с турбогенераторами 160МВт и более также устанавливается защита от повышения напряжения с уставкой срабатывания 1,2UHOM. Защита не имеет выдержки времени и может действовать только при работе генератора на холостом ходу (на гашение поля). При работе энергоблока на нагрузку она автоматически выводится из действия с помощью трёхфазных токовых реле, размыкающих свои контакты при появлении тока. При переходе генератора в режим холостого хода защита автоматически вводится в действие с выдержкой времени порядка 3 с, перекрывающей длительность кратковременного повышения напряжения на генераторе после его отключения от сети.

Защита ротора от перегрузки.

Не допускается длительная перегрузка обмотки ротора мощных турбогенераторов с непосредственным охлаждением. Для предотвращения повреждения ротора при перегрузке предусматривается специальная защита, а также выполняется ограничение длительности форсировки возбуждения. Наиболее полноценную защиту ротора от перегрузки можно осуществить с помощью реле, имеющего характеристику, зависимую от тока ротора. Такая защита устанавливается на турбогенераторах мощностью 160МВт и более. Защита имеет две ступени: с первой она действует на развозбуждение генератора, со второй на отключение генератора от сети и на гашение поля. Каждая ступень имеет свою зависимую характеристику выдержки времени, при этом выдержка времени первой ступени при одних и тех же значениях тока ротора примерно на 20% меньше выдержки времени второй ступени.

Ток ротора подаётся в защиту от датчика тока, в качестве которого при тиристорном и высокочастотном возбуждении используется трансформатор постоянного тока (ТПТ), а при бесщёточном возбуждении индукционный короткозамкнутый датчик тока (ИКДТ). ТПТ представляет собой магнитный усилитель, в котором управляющая обмотка, включённая на ток ротора, выполняется в виде стержня, проходящего внутри двух замкнутых магнитопроводов. Рабочая обмотка ТПТ расположена на обоих магнитопроводах (четыре секции, соединённые параллельно на каждом магнитопроводе). Обмотки, расположенные на различных магнитопроводах, соединяются последовательно (при номинальном токе ТПТ 1,5 2,5 кА) или параллельно (при номинальном токе 3 кА и более). В цепь рабочей обмотки, питающуюся от источника переменного тока, включена вторичная нагрузка ТПТ. Сопротивление рабочей обмотки зависит от магнитного потока в сердечниках ТПТ. При малых значениях тока ротора мал и магнитный поток. Этому режиму соответствует большое сопротивление рабочей обмотки, приближающееся к бесконечности, когда ток ротора снижается до нуля. При этом близок к нулю и ток рабочей обмотки. При больших значениях тока ротора (и больших значениях тока в управляющей обмотке) сердечники насыщаются, сопротивление рабочей обмотки снижается и ток в её цепи возрастает, приближаясь к наибольшему значению.

Линейная зависимость тока в цепи нагрузки ТПТ от тока в управляющей обмотке во всём рабочем диапазоне (пропорциональность тока в рабочей обмотке току ротора) достигается выбором параметров ТПТ, обеспечивающим его работу на прямолинейном участке характеристики намагничивания. Для предотвращения трансформации переменного тока из рабочей обмотки в управляющую секции рабочей обмотки, размещённые на разных сердечниках, соединены так, чтобы в управляющей обмотке наводились встречные, взаимно компенсирующиеся ЭДС.

Рабочие обмотки ТПТ при наладке соединяются последовательно. При этом номинальный первичный ток увеличивается в 2 раза, а вторичный остаётся прежним (5 А для всех исполнений от 1,5 до 4 кА и 6 А для ТПТ на 6 кА). Напряжение питания рабочих обмоток при этом должно быть увеличено в 2 раза. С учётом выше сказанного, защита выполняется на номинальный ток 2,5 А.

Индукционный датчик тока представляет собой неподвижную короткозамкнутую беличью клетку, охватывающую вал генератора, внутри которого проходят провода от возбудителя к обмотке ротора. Проходящий в этих проводах ток возбуждения создаёт при работе генератора вращающееся магнитное поле, индуцирующее токи в стержнях беличьей клетки. Эти токи замыкаются через трансформатор тока, во вторичную цепь которого включается защита. С помощью ИКДТ на защиту подаётся синусоидальный переменный ток, пропорциональный току ротора. При номинальной нагрузке этот ток составляет примерно 2,5 А.

Принцип выполнения органов и блока питания защиты ротора аналогичны рассмотренным выше для защиты обратной последовательности. Отличие лишь в том, что в защите ротора используется два органа без выдержки времени (а не четыре, как в защите обратной последовательности), на которые от БПИ подаётся напряжение 35 В.

Интегральный орган защиты ротора в обеих ступенях учитывает накопление теплоты в обмотке ротора при перегрузке, и охлаждение ротора после её устранения. Зависимая от тока характеристика выдержек времени срабатывания интегрального органа соответствует выражению:

(18)

где А постоянная, учитывающая накопление теплоты в роторе; k,B коэффициенты, зависящие от вида характеристик и диапазона уставок.

Защита ротора от перегрузки выпускается в двух исполнениях, отличающихся характеристиками выдержки времени: исполнение I предназначено для использования при допустимой длительности прохождения двухкратного номинального тока в обмотке ротора tдоп = 20 с; исполнение II при tдоп = 30 с.

Характеристики выдержки времени для обоих исполнений защиты приведены в таблице 2.

Таблица 2.


IРОТ А

Выдержки времени, с.
I исполнение II исполнение
I ступень II ступень I ступень II ступень
1,1 480 600 480 600
1,2 215 265 250 310
1,5 50 60 74 92
2 16 20 24 30

Защита генераторов малой мощности.

Для защиты генераторов напряжением до 500 В и мощностью до 150 кВт могут применяться плавкие предохранители, выбранные таким образом, чтобы они были отстроены от токов, проходящих через них при КЗ во внешней сети. При КЗ в генераторе плавкие предохранители должны перегорать под действием тока, подтекающего к месту повреждения от других генераторов, работающих параллельно с повреждённым.

Защита генераторов напряжением до 500В может осуществляться также с помощью автоматических выключателей. На рис.19 показана схема защиты генератора, работающего параллельно с другими генераторами. Электромагнитные расцепители YAT1 отключают автоматический выключатель в случае повреждения в нём, когда из сети приходит ток больше уставки его срабатывания. Тепловые расцепители автоматических выключателей обеспечивают защиту от внешних КЗ. При замыканиях на землю будет также срабатывать токовое реле КА0, подключенное к ТТ, установленному в нулевой точке генератора. Поскольку токовая защита нулевой последовательности будет действовать при КЗ на землю как в самом генераторе, так и во внешней сети, для обеспечения селективности она выполняется с выдержкой времени, отстроенной от времени действия защит, установленных в сети генераторного напряжения. Контакт реле времени КТ замыкает цепь обмотки независимого расцепителя YAT2, который отключает автоматический выключатель. АВ, отключаясь, вспомогательным контактом подаёт импульс на отключение АГП, которое на генераторах мощностью 1000 кВт и менее допускается осуществлять только введением сопротивления в цепь возбуждения возбудителя. На генераторах напряжением 500 В допускается не выполнять устройства АГП. Если генератор работает на изолированную сеть, схема защиты выполняется аналогично, но АВ устанавливается со стороны нулевых выводов генератора.

Защита генераторов малой мощности напряжением 3 6 кВ выполняется с помощью реле косвенного действия на переменном или постоянном оперативном токе. На рис.20 показана схема защиты генератора мощностью 1000 кВт на переменном оперативном токе, которая содержит МТЗ и отсечку, выполненные с двумя реле. Эти реле, срабатывая, дешунтируют токовые катушки отключения выключателя YAT1 , YAT2. Защита от повышения напряжения (реле KV и КТ3) воздействует на катушку отключения YAT3, питаемую от трансформатора напряжения.

При отключении выключателя его вспомогательный контакт SQ.2 размыкаясь, вводит дополнительное сопротивление в цепь обмотки возбуждения возбудителя, чем осуществляется гашение поля генератора.

Защита от перегрузки в рассматриваемой схеме (КА1, КТ1, КТ2) выполнена с действием на сигнал, автоматическую разгрузку и отключение генератора. Автоматическая разгрузка генератора осуществляется отключением части потребителей. Цепи напряжения на защиту подаются через АВ, в случае отключения которого подаётся сигнал о нарушении цепей напряжения.

На рис.21 приведена схема зашиты на постоянном оперативном токе генератора мощностью 1000 кВт и менее, работающего параллельно с системой или другими генераторами. В качестве основной защиты от многофазных КЗ используется максимальная токовая отсечка КА1, КА2, выполненная токовыми реле. Индукционный элемент тех же реле использован в качестве МТЗ. Для одиночно работающих генераторов мощностью 1000 кВт, имеющих выводы отдельных фаз со стороны нулевой точки, защита от многофазных КЗ выполняется с помощью МТЗ, подключенной к ТТ, установленным со стороны нейтрали.

Т.к. генератор, схема которого приведена на рис.21, работает с глухозаземлённой нейтралью, от КЗ на землю установлена дифференциальная токовая защита нулевой последовательности КА3.

Особенности защиты синхронных компенсаторов.

На синхронных компенсаторах устанавливаются все защиты от внутренних повреждений, так же как и на генераторах одинаковой мощности. На синхронном компенсаторе устанавливается токовая защита от перегрузки с действием на сигнал, так же как и на генераторах. Кроме того, для предотвращения длительной перегрузки, вызванной действием регулятора возбуждения, когда дежурный персонал отсутствует и не может принять меры к разгрузке синхронного компенсатора, устанавливается специальное устройство, снижающее ток возбуждения, вследствие чего уменьшится ток статора.

Для того чтобы предотвратить подачу напряжения на остановленный компенсатор, когда его выключатель остался включенным, устанавливается защита минимального напряжения. Защита отключает синхронный компенсатор при длительном отсутствии напряжения на его вводах.

Кроме того, так как при близких КЗ напряжение на шинах будет снижаться, защита минимального напряжения предотвращает перегрузку синхронного компенсатора токами, вызванными внешними трёхфазными КЗ. Напряжение срабатывания реле минимального напряжения устанавливается равным:

(19).



Опубликовать


Если вам понравилась эта статья, разместите ссылку у себя на сайте или форуме. Для этого скопируйте текст, расположенный ниже:

Ссылка на статью для форума (bbcodes):
[url=http://treugoma.ru/protection/zasita-sinhronnih-generatorov/]Защита синхронных генераторов[/url]
html ссылка:
<a target="_blank" title="Защита синхронных генераторов" href="http://treugoma.ru/protection/zasita-sinhronnih-generatorov/">Защита синхронных генераторов</a>


Поиск по сайту

© 2010 - 2017 treugoma.ru