Г) Защита генераторов блоков от замыканий на землю

Токи и напряжения нулевой последовательности,   появляю­ щиеся на генераторной стороне блоков при замыканиях на землю.

Для выяснения возможных принципов выполнения защиты необ­ходимо представлять величину токов и напряжений нулевой последовательности, появлякщихся в цепях генераторного напря­жения блоков во время замыканий на землю в сети высшего напря­жения и в самом генераторе. При этом нужно учитывать две осо­бенности блочных схем.

1)    Блочные генераторы по принятым в Советском Союзе пра­вилам работают с изолированной или с заземленной через дугогасящую катушку нейтралью.

2)    Генераторы блоков связаны с сетью высшего напряжения через повысительный трансформатор. При такой схеме генератор не имеет электрической связи с сетью высшего напряжения, он связан с ней посредством электромагнитной индукции между обмотками трансформатора и электростатической индукции через емкость С_т1 между этими же обмотками (рис. 17-8, а).

 

Емкость С_т1очень мала, она зависит от мощности и напряжения трансформаторов и составляет величину порядка 0,008-0,004 мкФ. Поэтому сопротивление связи х_св= х_т1= 1/ wС_т1получается значительным, а протекающий через него ток очень малым.

При замыкании на землю в сети высшего напряжения (например, в точке К₂ рис. 17-8, а) в месте поврежде­ния, как известно (§ 9-1), возникает напряжение нулевой последо­вательности U_oк2. При металлическом замыкании на землю U_oк2 = U_ф,  здесь U_ф— фазное напряжение сети.

Под действием U_oк2в цепи каждой фазы генератора возникает ток I_ог, замыкающийся через землю по контуру, образованному емкостью С_т1 между обмотками трансформатора и емкостями на землю элементов сети генераторного напряжения: С_Т2 (обмоток трансформатора). С_с (токоведущей цепи между трансформатором и генератором), С_г(обмоток генератора) одной фазы.

Эквивалентная схема этого контура показана на рис. 17-8, б. Из схемы видно, что ток    I_ог= , а напряжение нулевой последовательности на стороне генератора блока U_oг ==I_огх_сΣ, здесь х_т1 = 1/ωС_т1, а х_СΣ= 1/(С_т2 + С_с + С_г)ω.

Величина х_т1» х_СΣ (в 100—50 раз), вследствие этого напря­жение U_ог очень мало и составляет 1—2% U_oк2. Поскольку абсо­лютное значение х_Т1 и х_СΣ  велико, то ток I_ог в сети генераторного напряжения также очень мал и изменяется долями ампера.

У генераторов, работающих непосредственно на сборные шины, при замыканиях на землю в сети напряжение U _ОГ = U_ф.г, а ток I_ог, проходящий через генератор, достигает обычно нескольких ампер (см. § 9-1). Сопоставив эти данные для обеих схем включения гене­ратора, можно сделать вывод, что в блочных схемах значения U_оги I_ог при замыканиях на землю в сети во много раз меньше, чем в схе­ мах генераторов, работающих на сборные шины. Это вызвано нали­чием большого емкостного сопротивления связи х_Т1 между гене­ратором и сборными шинами блоков.

При замыкании на землю в генераторе блока (например К₁ на рис. 17-8, а) в месте замыкания появ­ляется напряжение нулевой последовательности U_oк1= αU_ф._г, где α — количество замкнувшихся на землю витков обмотки гене­ратора.

Если замыкание возникло в сети генераторного напряжения или на выводах обмотки генератора, то α = 1 и U _0К1 = U_ф._г. Под действием U _0К1 возникает ток I₀, который замыкается на землю через параллельно включенные емкости фаз относительно земли (С_Г, С_т2, С_с) обмоток генератора, трансформатора и связываю­щих их токоведущих частей (кабелей или шин) (рис. 17-8, а, в):

 

Поскольку U_oк1 пропорционально α, то I_o ≡ α.

При изменении α от 0 до 1 напряжение U_огменяется от 0 до U_{ог.макс} = U_ф.г и ток в месте замыкания 1₃ = 31₀ меняется от 0 до максимального значения, определяемого величиной U_ф.г:

Характер зависимости U_оги I₃ от α показан на рис. 17-8, г. Величина емкостей элементов сети генераторного напряжения невелика, поэтому в месте замыкания на землю /₃ = 31₀ относи­тельно мал. Максимальное значение 1₃ достигает 5 ÷ 10 А.

Защита и ее принцип действия. С учетом приведенного выше анализа величин токов и напряжений нулевой последовательности, возникающих на генераторной стороне блоков при замыканиях на землю в сети и в генераторе, в Советском Союзе широко приме­няется простая защита, реагирующая на появление U ₀ на зажимах генератора. Селективность этой защиты при замыканиях на землю в сети, питающейся от блока, обеспечивается отстройкой от появ­ляющегося при этом напряжения U _0Г на зажимах генератора.

Схемы защиты приведены на рис. 17-9.Защита состоит из реле напряжения 1, реагирующего на U₀ реле времени 2 и вольтметра 3.

Реле напряжения 1 включается на фильтр напряжения нулевой последовательности. В качестве такого фильтра обычно служит трансформатор напряжения ТН с соединением первичной обмотки в звезду, а вторичной — в разомкнутый треугольник. Для пра­ вильной работы фильтра нейтраль первичной обмотки должна быть обязательно заземленной (§ 6-3). Напряжение на разомкнутом треугольнике _∆= _а+ _в + с ⁼ 3 ₀.

Трансформатор напряжения ТН устанавливается на выводах генератора. В качестве второго варианта включения реле 1 при­ведена схема на рис. 17-9, б. Здесь реле 1 питается от трансформа­тора напряжения в нейтрали генератора. В нормальных условиях напряжение нейтрали равно нулю, поэтому напряжение на вторич­ной обмотке ТН отсутствует. При замыканиях на землю в нейтрали появляется напряжение 11₀, которое трансформируется на вторич­ную сторону ТН.

Обычно применяется схема по рис. 17-9, а, поскольку она исполь­зует имеющийся ТН для измерений. Рассмотрим ее работу.

В нормальных условиях напряжение U ₀ = 0 и реле 1 по принципу своего действия не должно работать. Однако из-за погрешности в трансформации ТН и наличия третьих гар­моник в напряжении, возникающих вследствие искажения сину­соидальной формы кривой фазных э. д. с. генератора, на зажимах разомкнутого треугольника появляется напряжение не­баланса:

где U_н.бтн — напряжение небаланса из-за погрешности ТН; U ₀₃ — напряжение третьей гармоники на зажимах генератора.

Для исключения работы защиты напряжение срабатывания реле 1 должно удовлетворять условию

При внешних з а м ы к а н и я х н а   землю за транс­форматорами блока на стороне генераторного напряжения появ­ляется U_ог= I_oх_СΣ, к которому добавляется напряжение ∆ U ₀₃ третьей гармонической.

Для исключения ложной работы защиты необходимо иметь:

При замыкании на корпус обмотки гене­ратора появляется напряжение U _ОГ = αU_ф,.г. Защита приходит в действие при условии, что 3U_oг > U _{с. з} .

Таким образом, рассмотренная защита имеет зону нечувстви­ тельности (мертвую зону) — она не действует, если U _СЗ < 3 U _ОГ = а_х U_ф.г. Здесь а_х — число витков, при которых напряжение С/_Ог недостаточно для действия защиты, в процентах от полного числа витков обмотки фазы а_х = 100%.

Для уменьшения мертвой зоны нужно уменьшать U _с.з . Однако уменьшение U _с.з ограничивается условием селективности (17-6).

Для повышения чувствительности защиты на мощных генераторах — 300, 500 МВт и больше реле напряжения целесообразно включать через фильтр, не пропускающий напряжение третьих гармоник.

Подобная схема осуществляется с помощью реле напряжения РНН-57, включаемого через фильтр Ф, как показано на рис. 17-9, в. При частоте 50 Гц реле действует при напряжении U ₀ 4—8 В, а при частоте 150 Гц (третья гармоника) — загрубляется примерно в 8 раз. При наличии фильтра в выражениях (17-4) и (17-6) не учитывается составляющая U _{0 3} , что позволяет повы­сить чувствительность защиты.

По принципу действия защита может работать мгновенно, так как она отстроена от внешних замыканий на землю по напряжению срабатывания.

Однако для большей надежности из-за опасения появления феррорезонансного повышения напряжения в схеме предусмотрено реле времени 3, позволяющее отстроиться от внешних к. з. на землю с выдержкой времени t ₃ .

Выдержка t ₃ принимается на ступень ∆t больше времени дей­ствия t_лзащит линий от замыканий на землю:

Вследствие малой величины тока замыкания на землю (порядка 5А) такое замедление не может привести к развитию повреждения в генераторе. При токах замыкания на землю до 5 А защита выпол­няется с действием на сигнал, поскольку такой ток может допус­каться длительное время, так как он не вызывает разрушения стали статора (см. § 9-2). На мощных генераторах, особенно 300 МВт и выше, защиту целесообразно выполнять с действием н а отключение. Это позволит предотвратить развитие повреж­дения и обеспечить резервирование защиты от витковых замыканий. Витковые замыкания являются тяжелым видом повреждения и очень часто сопровождаются замыканиями на землю. Защита от витковых повреждений не имеет резервирования другими защи­тами. В случае отказа в работе витковой защиты повреждение будет развиваться, пока не перейдет в замыкание между фазами, на. которое реагирует дифференциальная защита. Действие на от­ключение должно также предусматриваться, если ток замыкания на землю превосходит 5А.

Двухступенчатая защита для мощных блоков с действием на сигнал и отключение показана на рис. 17-9, в. Реле Н₂ включено через фильтр Ф, не пропускающий токи высших гармоник. Вольтметр служит для контроля за исправностью цепей трансформатора напряжения, для контроля за изоляцией статора при включении генератора в сеть и для определения числа замк­нувшихся витков фазы статора при действии защиты на сиг­нал.

Из принципа работы защиты вытекает, что она будет действовать при замыканиях на землю не только в генерато­рах, но и на всех элементах генераторного напряжения (обмотках генераторного напряжения трансформаторов блока и собственных нужд и соединительных связях между ними и генератором).

Выбор уставок [Л. 6]. Напряжение срабатывания выбирается по условию селективности при замыканиях на землю в сети выс­шего напряжения (17-6).

Действующее значение напряжения срабатывания реле

где — результирующее действующее значение составля­ющих основной частоты U_оги третьей гармоники U₀₃ [Л.29]; к_н — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,3—1,5; п_н— коэффициент трансформации ТН.

На основании опыта эксплуатации U _с.з принимается в схемах без фильтра третьей гармоники равным 10—15 В. В схемах с фильт­ром U _с.з = 4 ÷ 6 В.

Время действия защиты выбирается по выражению (17-7).

Чувствительность защиты характеризуется про­центом витков обмотки статора а, не попавших в зону защиты, или, иначе говоря, зоной нечувствительности защиты, называемой мертвой зоной. Защита не работает, если напряжение 3 U ₀ < U _с.з Чем ближе к нейтрали возникло повреждение, тем меньше напряжение U ₀ (см. рис. 17-8, г), поэтому мертвая зона защиты располагается вблизи нейтрали генератора. Граница мертвой зоны определяется из условия 3 U ₀ = U _с.з , такому напря­жению соответствует число замкнувшихся на землю витков α_м.₃. Считая, что α = U ₀ и при α = 100% напряжение U ₀ = U _ф , нахо­дим число витков, при котором защита не действует:

Зона нечувствительности может находиться графическим спо­собом, как показано на рис. 17-8, г. Для уменьшения мертвой зоны необходимо уменьшать U _с.з. Однако чувствительность защиты ограничена условием (17-6), поэтому защита нулевой последова­тельности всегда имеет мертвую зону (примерно 5—15% витков) вблизи нейтрали генераторов.

Защита, не имеющая зоны нечувствительности (мертвой зоны). На мощных генераторах с непосредственным охлаждением имеется повышенная возможность повреждения изоляции и появления замыкания на землю в любой точке обмотки статора, в том числе и вблизи нейтрали генератора. Если защита не реагирует на эти повреждения, то с течением времени они переходят в витковые замыкания, а затем в междуфазные короткие замыкания, которые обычно сопровождаются значительными разрушениями. По этой причине для мощных и дорогостоящих генераторов 300—500—800 МВт и более признано необходимым применять защиту от замы­кания на землю₂ не имеющую мертвой зоны. Разра ботки подобной защиты ведутся в СССР и за рубежом. Для создания защиты, охватывающей всю обмотку статора, необходимо найти пути получения напряжения и тока, на которые могла бы реагиро­вать защита при замыканиях на землю вблизи нейтрали генера­тора. Получение таких напряжений и токов возможно тремя спо­собами:

1)      путем искусственного смещения напряжения нейтрали генератора (рис. 17-10, а). При замыкании на землю под действием напряжения смещения U _СМ появляется дополнительный ток I_cм, па который может реагировать защита;

 

2) подключением к нейтрали генератора или в обмотку разомкнутого треугольника ТН искусственно созданного напряжения U _к (рис. 17-10, б), контролирующего состояние изоляции статора. При замыкании на землю в любой точке обмотки статора под влиянием напряжения U_К появляется ток 1_К, вызывающий работу защиты. В качестве напряжения U _К используется напряжение непромышленной частоты (например 100 или 20 Гц) или напряже­ние постоянного тока [Л. 1.15, 116];

3) использованием для действия защиты составляющих третьей гармоники, имеющихся в фазных э. д. с. генераторов [л. 117, 111].

В Советском Союзе начинается выпуск защит, реагирующих на третьи гармоники. Рассмотрим принцип их действия.

Защита, реагирующая на третьи гармоники. Пространствен­ная кривая магнитного поля (индукции В) в воздушном зазоре генераторов не точно синусоидальна и содержит гармоники, в том числе и третью. Как следствие этого, э. д. с. Е_ф, наводимая в фазах статора, имеет составляющие третьих гармоник Е_(3). Магнитное поле в воздушном зазоре создается н. с. ротора, а при наличии тока нагрузки и н. с. статора. Последняя изменяется с изменением нагрузки. В связи с этим величина э. д. с. Е_{3) также меняется с изменением тока нагрузки. Испытание и расчеты пока­зывают, что в современных мощных машинах э, д. с. третьей гар­моники составляет 1—3% э. д. с. Е_ф и в зависимости от нагрузки она может снижаться в 2—3 раза [Л. 111].

На использовании третьей гармоники во ВНИИЭ Минэнерго СССР разработана защита от замыкания на землю, не имеющая зоны нечувствительности. Защита состоит из двух комплектов (бло­ков) К1 и К2 (рис. 17-11, а). Комплект К1 реагирует на напряже­ние нулевой последовательности и защищает около 85—90% витков. Второй комплект К2 реагирует на напряжение третьей гармо­ники, он предназначен для работы в зоне нечувствительности первого комплекта К1.

Первый комплект (рис. 17-6) выполнен по схеме, аналогичной приведенной на рис. 17-9, а. Измерительный орган комплекта К1 на рис. 17-11, а включен на напряжение 3U₀ через фильтр Ф₁, пропускающий только основную гармонику. Ток, полу­ченный от фильтра Ф₁, выпрямляется выпрямителем В и подается на зажимы т — п реагирующего реле. Это реле представляет собой триггер с одним устойчивым состоянием. Триггер работает аналогично рассмотренному в § 11-11, в. На выходе триггера уста­новлено электромагнитное реле Р1. Напряжение срабатывания пускового органа регулируется в пределах от 5 до 15 В.

Второй комплект реагирует на отношение модулей (абсолютных значений) напряжений третьих гармоник

где U_N — напряжение третьей гармоники, получаемое от транс­форматора напряжения ТН1 (рис. 17-11, а), в нейтрали генератора N; U_∆ — напряжение третьей гармоники утроенное, получаемое с зажимов разомкнутого трехугольника трансформатора напряже­ния ТН2; k — коэффициент равный ¹/₃.

 

 

Рассматривая схемы замещения (рис. 17-11, б и в) можно пока­зать [Л. 111], что выражение (17-9а) пропорционально отноше­нию сопротивления z_N, замеренного со стороны нейтрали гене­ратора между точкой N и землей, к удвоенному сопротивлению z_C обмотки генератора относительно земли, т. е., что

где z_N* — относительное сопротивление в нейтрали N генератора, на которое реагирует рассматриваемый комплект защиты К_2.

В нормальных условиях (при отсутствии повреждения в статоре)    Пренебрегая активными составляющими z₁ и z_C,  получим:

где L , z₁и х₁ — индуктивность, полное и реактивное сопротивление первичной обмотки ТН1; С х_С — емкость и сопротивление по отно­шению к земле одной фазы сети генераторного напряжения; ω₃ — угловая частота третьей гармоники.

При этом сопротивлении (z_N(н.р)) комплект К2 не должен дейст­вовать. Для этого необходимо выполнить условие z_с.з < z_N(н.р).

При металлическом замыкании в нейтрали генератора ТН1 ока­зывается зашунтированным. В этом случае напряжение U_N= О, в результате чего z_N = О и комплект К2 приходит в действие, так как z_N < z_с.з.

При удалении точки замыкания на землю от нейтрали N сопро­тивление z_N увеличивается и приблизительно при α ≥ 50% ком­плект К2 перестанет действовать, так как z_N станет больше z_с.з. Но при таком повреждении надежно работает комплект защиты К1.

Рассмотренное реле сопротивления построено на сравнении абсо­лютных значений двух напряжений тормозного  и рабочего k +  (рис. 17-12). Эти напряжения подводятся через фильтры третьей гармоники Ф к выпрямителям В2 и В1. Разность выпрям­ленных напряжений | k  + | — |  | подается на четырех-каскадный нуль-индикатор НИ, на выходе которого установлено исполнительное реле Р2 типа РП-211. Реле действует, если | k  + | > |  |. При замыкании на землю в нейтрали N U_N = 0 и реле работает. На рассмотренном принципе ЧЭАЗ готовит выпуск защиты ЗЗГ-2.

Во ВНИИЭ разработан второй вариант защиты с ис­пользованием составляющих третьей гармоники. Он основан на различии скорости изменения величины напряжения третьей гармоники U_∆(3) изменении нагрузки и при возникновении замыкания на землю. В первом случае изменение величины U_∆(3) происходит относительно медленно, а во втором — быстро. Это объясняется различием постоянных времени, определяющих ско­рость изменения электрических величин в переходном режиме. Измерительный орган защиты выполняется в виде реле, реагирую­щего на скорость изменения U_∆(3), или, иначе говоря, на производную .

Как и в предыдущем случае, защита состоит из двух комплек­тов: блока, реагирующего на 3 U₀, и блока третьей гармоники, реагирующего на . Обе защиты должны пройти проверку в условиях эксплуатации.

 

 

 

---

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1254; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!