ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЯ ОБМОТКИ СТАТОРА НА КОРПУС (НА ЗЕМЛЮ)

а) Требования к защите

Как уже отмечалось в СССР сети генераторного напряжения работают с изолированными нейтралями, а емкостные токи сети компенсируются дугогасящими катушками. При замыканиях на корпус (на землю) обмотки статора ток повреждения 1_з замыкается на землю через магнитопровод статора, вызывая при этом повреждения стали. Размеры повреждения зависят от величины тока и длительности его протекания.

Лаборатория высокого напряжения имени Смурова, проводившая специальные испытания, установила зависимость допустимой продолжительности прохождения тока 1_з от его величины, т. е. t= f(1_з) (р_ИС. 15-15). В частности, исследования лаборатории показали, что ток 5 А может допускаться длительно. Допустимыми разрушениями считались такие, устранение которых не требует переборки стальных листов статора.

В 1950 г. ЦНИЭЛ МЭС производил опыты непосредственно на генераторе, которые также подтвердили, что ток до 5 А может допускаться длительно. Токи более 5 А вызывают повреждение стали и поддерживают электрическую дугу, вызывающую горение изоляции обмотки статора. Поэтому токи более 5 А могут допускаться лишь ограниченное время.

В эксплуатации имелись случаи длительной работы генератора с замыканием на землю обмотки статора, не сопровождавшиеся опасным повреждением стали при токе замыкания на землю порядка 5 А.

На основании результатов экспериментов и опыта эксплуатации к защите от замыкания на землю генераторов в СССР предъявляются два требования:

а) При токах замыкания на землю менее 5 А защита может действовать на сигнал, так как при этих токах не наблюдаетсяопасных повреждений статора.

б) При токе замыкания на землю 5 А и выше защита должна действовать на отключение генератора, поскольку при этом имеется опасность повреждения стали статора.

б) Принципы выполнения защиты

По принципу своего действия на замыкание на землю в обмотке статора генератора может реагировать дифференциальная защита, но ее использование для этой цели было бы возможным только при глухом заземлении нейтрали, при изолированной нейтрали она оказывается нечувствительной. Поэтому для защиты генераторов от замыканий на землю применяется специальная высокочувствительная защита, реагирующая на ток нулевой последовательности.

В СССР были созданы чувствительные токовые защиты, действующие при токах 1_з = 4 ÷ 5 А. Эти защиты выполняют на естественном емкостном токе или остаточном токе компенсации, не прибегая к искусственным мерам и не предъявляя каких-либо требований к его величине, так как при появлении опасных токов (больше 5 А) действие защиты на отключение генератора обеспечено.

Токи I₀ и напряжения U₀ при замыканиях на землю обмотки статора. В § 9-1 показано, что ток замыкания на землю 1_з равен 3I₀ и пропорционален напряжению нулевой последовательности U₀:

где х_C — емкостное сопротивление фазы сети генераторного напряжения.

При замыкании на землю в обмотке генератора (рис. 15-16, а) напряжение U₀ равно напряжению замкнувшихся на землю витков w₃ обмотки фазы статора. С некоторым приближением можно считать, что напряжение распределяется равномерно по всем виткам фазы.

Тогда, выражая w₃ в процентах, от всех витков фазы, получаем:

где U_ф.Г — нормальное напряжение фазы генератора.

Подставив U₀ из (15-16а) в (15-16), найдем:

Из (15-16а) и (15-166) следует, что U₀, I₀и 1_з, появляющиеся при замыкании на землю, пропорциональны числу замкнувшихся витков w_3, Графически эта зависимость изображена на рис. 15-16, б.

Величины U₀, I₀, 1_з имеют максимальное значение при замыкании на землю на выводах генератора. В этом случае w₃— 100%; подставив это значение в (15-16а) и (15-166), получим U₀= U_ф.Г, а

где С — емкость одной фазы сети генераторного напряжения.

При приближении точки замыкания на землю к нейтрали генератора w₃ уменьшается от 100% до 0_; вследствие этого уменьшаются и U_0, I₀, 1_з, достигая нуля при замыкании в нейтрали генератора (рис. 15-16, б).

При наличии дугогасящей катушки ток замыкания на землю 1_з из двух составляющих: тока, замыкающегося через емкостное сопротивление сети х_С, и тока, замыкающегося через сопротивление дугогасящей катушки х_L.

Результирующий ток равен их разности:

Фильтры токов I₀. Принципиально, как и в защите линий (§ 9-4, б), возможны два способа выполнения токовых защит нулевой последовательности: с трехтрансформаторным фильтром I₀ (рис. 15-17, а) и однотрансформаторным фильтром I₀ — ТНП (рис. 15-17, б).

Первоначально защита выполнялась с помощью трехтрансформаторного фильтра. Такая защита была недостаточно чувствительна, она срабатывала при токах замыкания на землю 15—20 А. Чувствительность этой защиты ограничивалась током небаланса, от которого защита должна быть отстроена, I_с.з> I_нб Последний определяется погрешностью транс форматоров тока и имеет значительную величину (см. § 9-4, б и в).

В настоящее время защита генератора от замыканий на землю выполняется только по второму способу — с ТНП. Ток небаланса в ТНП значительно меньше, вследствие чего защита получается более чувствительной. Однако ТНП обычной конструкции (см. рис. 9-8) не обеспечивают необходимой чувствительности, поэтому применяются ТНП с подмагничиванием, позволяющим получить требуемую чувствительность защиты (3—5 А первичных).

Принцип действия токовой защиты с ТНП, выполненной по рис. 15-17, б.

При замыкании на землю в обмотке статора возникает напряжение U₀ под действием которого в каждой фазе генератора появится ток I₀_С, замыкающийся через емкость С соответствующей фазы сети и место повреждения К. Проходя через магнитопровод ТНП, охватывающий три фазы генератора, три тока I₀_С (3 I₀_С) индуктируют во вторичной обмотке ТНП ток I_р = 3 I₀_С / k_П, который питает обмотку токового реле (здесь k_П — коэффициент преобразования первичного тока ТНП во вторичный).

Если в сети установлена дугогасящая катушка (ДГК), то на ток I₀_Сналoжится ток ДГК I₀_L, замыкающийся по контуру катушка — место повреждения. В этом случае I_р = 3I₀_С — 3I₀_L, а условие срабатывания примет вид:

Поскольку токи I₀_С и I₀_Lпропорциональны w₃, то и ток I_р ≡ w_3.При замыкании вблизи нейтрали генератора ток I_р может оказаться меньше тока срабатывания (рис. 15-19) и защита не подействует.

Таким образом, защита, реагирующая на ток I₀ по принципу ее действия имеет мертвую зону. Величина мертвой зоны, т. е. число незащищен ных витков обмоток α, может быть определена графически как точка пересечения прямых 3 I₀_С = f (w₃) и I_с.з(рис. 15-19). Мертвая зона является недостатком защиты. Однако создание устройства, обеспечивающего защиту 100% витков обмотки статора, представляет трудную задачу и требует усложнения схемы и реле. Поэтому на генераторах малой и средней мощности мертвая зона считается допустимой, если при повреждении в ней 1_з < 5 А.

При внешних замыканиях на землю (рис. 15-18, б) под действием напряжения U₀, появляющегося в месте повреждения, возникают токи I₀, замыкающиеся через емкость сети и емкость обмоток генератора (I₀_Си I₀_г). Токи I₀_г проходят через ТНП и реле. Поэтому при внешних замыканиях ток I_р = 3 I₀_Г.

Как уже отмечалось в гл. 9, в момент возникновения замыкания появляется нестационарный бросок тока, в 4—5 раз превосходящий установившееся значение 3 I₀_Г. Очевидно, что защита генератора должна быть отстроена от этого броска тока с некоторым запасом, для чего

где к_б — коэффициент, характеризующий величину броска емкостного тока.

Величины токов 3 I₀_г по данным завода «Электросила» для турбогенераторов приводятся в табл. 15-4.

Ток небаланса. При нормальной нагрузке и внешних к. з, сумма первичных токов, проходящих через ТНП, равна нулю, поэтому ток в реле должен отсутствовать. Однако за счет несимметрии расположения фаз по отношению к магнитопроводу ТНП в реле защиты появляется ток небаланса I_нб. В нормальном режиме ток небаланса очень мал. При к. з. I_нб возрастает, что может привести к неправильной работе защиты.

Для предупреждения неправильной работы защиты при внешних к. з. можно или загрубитъ защиту так, чтобы она была надежно отстроена от I_нб.кили блокировать, т. е. выводить защиту из действия во время к. з., сохраняя ее нормальную чувствительность.

Предпочтение отдается второму способу, позволяющему обеспечить большую чувствительность защиты.

Применение блокировки исключает действие защиты при одновременных замыканиях на землю в генераторе и сети (двойных замыканиях), так как в этом случае появляется ток к. а. и защита от замыканий на землю выводится из действия. Поэтому если дифференциальная защита генератора выполнена н а двух фазах, то в схеме защиты от замыканий на землю предусматривается второе реле с грубой уставкой, во много раз превосходящей ток небаланса I_нб_.к, но надежно действующее от тока 3 I₀ при двойных замыканиях на землю.

Для обеспечения необходимой чувствительности защиты I_с.з< 5 А) применяются ТНП с подмагничиванием.

Место установки ТНП. Кабели или шины, соединяющие генератор с выключателем, не рекомендуется включать в зону защиты от замыкания на землю генератора. Замыкание на землю в этих элементах не представляет опасности и может быть ликвидировано персоналом так же, как это делается при замыканиях в кабельных линиях. Включение генераторных токопроводов в зону защиты приводит к увеличению тока I₀_г, проходящего через ТНП, при внешних замыканиях на землю и вызывает загрубление защиты. По этим причинам ТНП устанавливается непосредственно у выводов генератора.

в) Защита от замыканий на корпус с ТНП, имеющим подмагничивание ¹

На рис. 15-21изображена кривая намагничивания ТНП для переменного тока. Она представляет зависимость э. д. с. на зажимах разомкнутой вторичной обмотки ТНП от намагничивающей силы F первичного тока: Е₂ = f (F). Показав на диаграмме н. с. F₃ при токе замыкания на землю 1_з, можноубедиться, что вследствие малой величины 1_з трансформатор работает в начальной пологой части характеристики намагничивания. Наводимая во вторичной обмотке э. д. с. Е₂ = Е'₂ будет мала; соответственно будет мал и вторичный ток, если вторичную обмотку замкнуть на реле.

Чувствительность защиты значительно возрастает, если на магнитопроврд поместить дополнительную обмотку 3 (рис. 15-20), питаемую переменным током I_п от постороннего источника. Намагничивающая сила дополнительной обмотки F_п будет подмагничивать магнитопровод, создавая в нем магнитный поток Ф_п. Если при наличии подыагничивания появится тот же ток замыкания на землю 1_з, то созданная им намагничивающая сила F₃складывается с намагничивающей силой обмотки подмагничивания F_П. В результате этого ТНП работает в более крутой части характеристики намагничивания ВС и э. д. с, наводимая током, Е" ₂ будет значительно (в 15—20 раз) больше, чем при том же 1_збез подмагничивания; соответственно возрастает ток в реле, что повышает чувствительность защиты. Указанное подмагничивание осуществляется переменным током ² от трансформатора напряжения генератора, поэтому магнитный поток Ф_п, создаваемый обмоткой подмагничивания, будет наводить во вторичной обмотке дополнительную э. д. с. Е_П, искажающую работу ТНП.

¹ Защита разработана Институтом электродинамики АН УССР.

² Подмагничивание постоянным током не дает увеличения э. д. с. ТНП, создаваемой током /₃, и поэтому не может использоваться для повышения чувствительности защиты (подробнее этот вопрос рассмотрен в [Л. 13 и 37]).

Для устранения вредного влияния обмотки подмагничивания магнитопровод выполняется из двух одинаковых сердечников: 1а и 16 (рис. 15-22). На каждом сердечнике располагаются вторичные обмотки 2а и 26 и обмотки подмагничивания За и 36. Обмотки подмагничивания 3а и 3б соединяются встречно-последовательно и создают в сердечниках магнитные потоки противоположного направления. Вторичные обмотки 2а и 26 соединяются согласно-последовательно, поэтому наводимые в них током подмагничивания э. д. с. Е_П.а и Е_П.бвзаимно уничтожаются. Практически за счет неточной балансировки во вторичной обмотке появляется разность этих э. д. с. (Е_П._а — Е_П _б= Е_нб_п), создающая ток небаланса I_нб_п. Его величина может быть точно измерена, она имеет максимальное значение при нормальном напряжении сети.

При зам ы к а н и и н а з е м л ю в первичной цепи ТНП появляется ток 3 I₀. Он наводит в обмотках 2а и 2б последовательно направленные и равные по величине э. д. с, которые складываются и вызывают в реле ток I_р = 3 I₀.

При симметричных к. з. и нагрузке ток в реле должен отсутствовать, однако из-за иесимметрии расположения первичных токопроводов во вторичных обмотках ТНП возникает э. д. с. небаланса Е_нб_нес, обусловливающая появление в реле тока I_нб.нес

С учетом небаланса от обмоток подмагничивания результирующий ток небаланса

Таким образом,

при симметричных к. з. и токах нагрузки в реле защиты появляется ток небаланса, состоящий из двух составляющих: одна обусловлена несимметрией расположения фаз первичных токопроводов ТНП I_нб.нес, вторая — подмагничиванием I_нб_.подм.

Теоретический анализ [Л. 37] и эксперименты показывают, что Е_нб_нес, а следовательно, и I_нб.нес пропорциональны величине первичного тока, т. е. Е_нб_нес = к1_перв.. Расположение вторичной обмотки на магнитопроводе ТНП подобрано с таким расчетом, чтобы I_нб.нес имел минимальное значение.

Благодаря этому при нагрузке I_нб.нес не превышает 2—3 мА, при к. з. он соответственно возрастает пропорционально I_к.

Число витков вторичной обмотки выбирается из расчета, чтобы сопротивление намагничивания ТНП равнялось сопротивлению реле (z_тнп = z_p). Как известно, при этом условии обеспечивается отдача максимальной мощности от источника питания (вторичной обмотки ТНП) внагрузку (реле).

При включении на ТНП реле ЭТ-521/0, 2, имеющего потребление 0, 1 В·А с уставкой 0, 1 А, защита работает при токе замыкания на землю 4—5 А. Включая реле ЭТД-551/60 с потреблением 0, 01 В-А, можно повысить чувствительность защиты до 3 А. В настоящее время изготовляются ТНП для генераторов с числом кабелей до 18. Для генераторов с шинными выводами имеется аналогично выполненная конструкция ТНПШ.

Основное затруднение в конструкции шинного ТНП составляет ограничение токов небаланса, возникающих из-за большей, чем в кабельных ТНП, несимметрии расположения фаз относительно магнитопровода. Эти затруднения преодолеваются подбором размещения вторичной обмотки ТНП. Конструкция шинного ТНП показана на рис. 15-23. Токоведущие шины для первичной цепи должны иметь надежную, разделяющую их изоляцию. Форма токоведущих шин выбрана из условия ограничения тока небаланса, наводимого во вторичной обмотке токами, проходящими по шинам. На генераторах, соединяемых со сборными шинами пофазными токопроводами, ТНПШ устанавливаются в специально изготавливаемом комплектном шиноблоке.

На шинных ТНП в качестве реагирующего органа применяется реле типа РТЗ-50, имеющее высокую чувствительность и высокий k_воз.

Технические данные выпускаемых промышленностью ТНП и ТНПШ приведены в [Л. 2].

Принципиальная схема защиты с ТНП, имеющим подмагничивание, изображена на рис. 15-24. В схеме предусмотрены два токовых реле: чувствительное и грубое. Чувствительное реле 1 предназначено для действия при однофазных замыканиях на землю в обмотке статора генератора. Это реле не отстраивается от токов небаланса при внешних к. з. и поэтому имеет блокировку, выводящую его из действия при внешних повреждениях ¹.

В цепи отключения реле 1 предусмотрено реле времени 4 с выдержкой времени 0, 5—1 с. Замедление повышает надежность отстройки реле 1 от мгновенных бросков нестационарного емкостного тока при внешних замыканиях на землю и позволяет не считаться с пиками этого тока. В результате этого уменьшается I_с.зи повышается чувствительность защиты. Замедление защиты не ухудшает ее качеств, поскольку максимальные значения токов замыкания на землю ограничены: они обычно не превосходят20—40 А и могут поэтому допускаться в течение нескольких секунд (рис. 15-14). Грубое токовое реле 2 устанавливается для действия при двойных замыканиях на землю (одном — в генераторе и втором — в сети), когда чувствительное реле 1 выводится из работы блокировкой. Реле 2 отстраивается от токов небаланса при внешних к. з. и действует на отключение без выдержки времени.

При больших кратностях тока двойного замыкания на землю возможно искажение формы кривой вторичного тока ТНП и как следствие этого возникновение вибрации подвижной системы и контактов реле 2 и отказ его в работе. Для исключения этого реле 2 включается на ток ТНП через насыщающийся трансформатор 6 БНТ (рис. 15-24, а). В качестве такого реле применяется реле РНТ-565. БНТ при больших токах насыщается и ограничивает величину тока, поступающего в реле, устраняя таким путем возможность его вибрации.

¹ Опыт эксплуатации показывает, что благодаря весьма малым токам небаланса в кабельных ТНП блокировка может не применяться.

Во вторичную цепь ТНП включается сопротивление R = 5 Ом для ограничения тока в этой цепи при двойных замыканиях на землю. При больших токах магнитная система реле РТЗ-50 насыщается и его сопротивление уменьшается от 45 Ом до 1 Ом, соответственно возрастает вторичный ток ТНП, величина которого зависит от сопротивления вторичной цепи. Большой ток опасен для РТЗ-50 по условию нагрева его обмоток. Сопротивление R ограничивает ток во вторичной цепи ТНП при двойных, замыканиях, предупреждая нагрев реле. При однофазных замыканиях на землю сопротивление R также уменьшает ток в защите, но, как показали испытания, это не оказывает существенного влияния на ее чувствительность.

Обмотка подмагничивания ТНП питается от трансформатора напряжения генератора. При обрыве этой цепи защита загрубляется и может отказать при повреждениях с малым током замыкания. Для контроля этой цепи может предусматриваться реле, подающее сигнал при исчезновении тока в его обмотке (на рис. 15-24 не показано).

Блокировка реле 1 осуществляется с помощью промежуточного реле 3, которое пускается от токовых реле защиты генератора от внешних к. з. (симметричных и несимметричных). При своем действии реле 3 разрывает оперативную цепь реле 1, выводя его из действия. На рис. 15-24, б показан второй вариант блокировки; здесь реле 3 разрывает оперативную цепь реле 1 и, кроме того, для обеспечения надежного возврата чувствительного реле 1 шунтирует его обмотку. Такой способ блокировки позволяет выбирать уставку реле без учета коэффициента возврата реле 1, что повышает чувствительность последнего (см. выбор уставок).

При шунтировании токовой обмотки реле 1 сопротивление вторичной цепи ТНП уменьшается. В результате этого резко возрастает ток небаланса, он которого может сработать грубое токовое реле2. Поскольку реле 2 предназначено для действия при двойном замыкании на землю, его блокировка при к. з. ¹ недопустима. Для предупреждения ложного действия реле 2 от I_нб, появляющегося при шунтировании обмотки реле 1, необходимо или выбрать I_с._рреле 2 больше повышенного I_нб, или ввести при действии блокировки в токовую цепь защиты сопротивление z_доп, равное сопротивлению реле 1, благодаря чему сопротивление цепи, а следовательно, и I_нбостаются неизменными. Ввод z_доп осуществляется контактом реле 3, как показано на схеме пунктиром.

Применяя в качестве чувствительного реле 1 РТЗ-50 с k_воз= 0, 94 и выполняя блокировку по первому варианту, можно получить практически ту же чувствительность, что и при шунтировании токовых цепей. Это достигается за счет высокого коэффициента возврата реле, как это следует из выражения (15-17).

Учитывая это, следует предпочесть первый вариант блокировки как более простой.

Выбор уставок чувствительного комплекта защиты [Л. 2]. Первичный ток срабатывания токового реле 1 выбирается из условия недействия защиты при повреждениях вне генератора (в сети).

Наиболее тяжелым случаем, принимаемым для расчета, является замыкание на землю одной фазы сети (в К₁) при одновременном к. з. между двумя другими фазами в К₂ (рис. 15-25).

В этом случае в реле 1 появляются бросок емкостного тока генератора I_C_Г, обусловленный замыканием на землю, и ток небаланса I_нб, вызванный токами к. з., протекающими через ТНП от генератора к месту повреждения. Если блокировка, выводящая чувствительный комплект защиты, размыкает только ее оперативную цепь, то токовое реле 1 может замкнуть свои контакты под действием появившихся в нем токов I_C_Ги I_нб. После отключения к. з. блокировка возвращается, восстанавливая оперативную цепь, и поэтому необходимо обеспечить возврат реле 1 при прохождении по нему оставшихся токов I_C_Г + I_нб.

Ток Iс_г обусловлен оставшимся замыканием на землю (в точке К₁), а ток I_нб — про теканием через ТНП токов нагрузки генератора I_Н. Вследствие самозапуска двигателей, происходящего при восстановлении напряжения в сети, ток I_Н может иметь повышенное значение.

Исходя из сказанного, I_с.звыбирается из условия возврата реле 1 при прохождении по нему тока I_р = Iс_г+ I_нб.

С учетом коэффициента возврата к_воэ и соответствующих коэффициентов надежности

где Iс_г — установившееся значение емкостного тока генератора при «земле» в сети (см. табл. 15-4); к'_н— коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока в неустановившемся режиме: при наличии выдержки времени t = 0, 5 ÷ 1 с к'_н= 2 ÷ 3; I_нб _(бл) — ток небаланса при токе нагрузки генератора в послеаварийном режиме, в худшем случае ток I_Нравен току возврата блокировки;

Ток срабатывания грубого токового реле 2 (рис. 15-24) должен быть таким, чтобы реле не могло подействовать от броска емкостного тока при замыканиях на землю в сети и тока небаланса при внешних к. з. в наиболее тяжелом расчетном случае, приведенном на рис. 15-25. Для этого необходимо выполнить условие

I_с_.З2> I_р.макс = к'_н I_С+ к" _н I_нб.к.

На основании анализа и опыта эксплуатации рекомендуется принимать первичный ток срабатывания I_с_.З2= 100А. При этом грубое токовое реле с большим запасом отстраивается ОТ I_р.макс.

г) Повышение чувствительности защиты от замыканий на землю

На мощных генераторах (50 тыс. кВт и больше) защита получается грубой за счет большой величины емкости обмоток генератора. Чувствительность защиты может быть повышена или путем применения направленных реле, не действующих от емкостного тока генератора, протекающего через ТНП при внешнем замыкании на землю, или путем компенсации емкостного тока генератора. В обоих случаях необходимость загрубления защиты для отстройки от емкостного тока генератора отпадает. Один из вариантов схемы защиты с компенсацией емкостного тока генератора изображен на рис. 15-26.

Компенсирующая обмотка 1 питается от трансформатора напряжения 2. Конденсатор С подобран с таким расчетом, чтобы, ток в компенсирующей обмотке был равен емкостному току генератора при внешнем замыкании и противоположен ему по знаку. Тогда ток в компенсирующей обмотке при внешнем замыкании на землю компенсирует емкостный ток генератора, а при повреждении в генераторе действует согласно с током повреждения и повышает чувствительность защиты. Схема применяется на генераторах 100 МВт.

д) Оценка защит с ТНП

Разработанные в СССР токовые защиты с трансформаторами тока нулевой последовательности с подмагничиванием отличаются простотой и высокой чувствительностью. Опыт эксплуатации их

дал весьма положительные результаты. Нуждается в дальнейшей разработке вопрос об отстройке защиты от бросков емкостного тока при замыканиях на землю вне генератора.

⇐ Предыдущая 47 48 49 50 515253 54 55 56 Следующая ⇒