9.4. Захист від замикань на землю в обмотці статора генератора

Під час замикання на землю в обмотці статора генератора рівень струмів замикання є незначним. Тому захисти від таких пошкоджень побудовані на аналізі напруг. Захист, як правило, має два органи – орган максимальної напруги нульової послідовності основної частоти, який захищає частину витків (85-95%) обмотки статора від лінійних виводів та орган напруги третьої гармоніки, який захищає частину обмотки статора (до 30%) від нейтралі та саму нейтраль. Ці органи приєднуються до трансформаторів напруги, встановлених відповідно зі сторони лінійних виводів (TV1) та зі сторони нейтралі (TV2) (рис. 9.6). Вимірні органи захисту реле KV1 та KV2 приєднуються до трансформаторів напруги через фільтр першої гармоніки (Z1) та фільтри третьої гармоніки (Z3), які відфільтровують з напруг тільки складові першої та третьої гармонік відповідно.

Рис. 9.6. Схема приєднання вимірних органів захисту від однофазних замикань на землю

Для нормальної роботи вимірних органів захисту співвідношення коефіцієнтів трансформації трансформаторів напруги, встановлених в нейтралі генератора та на його виводах повинна бути

(9.11)

де – коефіцієнти трансформації трансформаторів напруги, встановлених зі сторони лінійних виводів та зі сторони нейтралі генератора.

На рис. 9.7 наведена розрахункова схема однієї фази обмотки статора та епюри напруг третьої гармоніки між фазою та землею. Епюра напруг – це розподіл напруги третьої гармоніки вздовж фази обмотки статора відносно землі. На рисунку використані наступні позначення: – еквівалентна ємність фази генератора відносно землі; – ємність на землю обмотки низької напруги блочного трансформатора та ошиновки між генератором та трансформатором; – перехідний опір в місці замикання; – е.р.с. третьої гармоніки обмотки генератора (однієї фази); , – напруги третьої гармоніки в нейтралі та на виводах генератора відповідно.

В нормальному режимі напруги третьої гармоніки за величиною зі сторони нейтралі та зі сторони лінійних виводів рівні (рис. 9.7б).

_{Рис. 9.7. Розподіл напруг третьої гармоніки в обмотці статора генератора}

_{а) розрахункова схем ; б) розподіл напруг в нормальному режимі ;}

_{в) розподіл напруг під час замикання в нейтралі генератора;}

_{г) розподіл напруг під час замикання на лінійних виводах}

_{Під час замикання на землю в нейтралі генератора , а (рис. 9.7в). Під час замикання на землю на лінійних виводах генератора , а (рис. 7г). Такий характер зміни напруг третьої гармоніки в різних режимах генератора використовується в вимірному органі третьої гармоніки.}

_{Для правильної роботи органу, який реагує на складові третьої гармоніки напруги генератора, необхідно контролювати як напругу з лінійних вводів, так і напругу зі сторони нейтралі. Це робиться з наступних причин. Якщо вимірним органом захисту контролювати лише напругу , то захист буде нечутливим до замикань поблизу нейтралі генератора в режимі холостого ходу. Якщо ж контролювати лише напругу , то захист буде нечутливим до замикань поблизу лінійних виводів генератора. Крім того, величина е.р.с. третьої гармоніки залежить від режиму роботи генератора. Так, в режимі номінального навантаження вона приблизно в три рази є більшою, ніж під час роботи генератора на холостому ході. Тому для правильної роботи органу третьої гармоніки використовують різні комбінації напруг та .}

На захистах генераторів вітчизняних електростанцій використовується орган напруги третьої гармоніки з гальмуванням. Робоче коло цього органу ввімкнене на суму напруг , гальмівне – на напругу . Під час замикань на землю поблизу нейтралі генератора величина напруги є мінімальною, тобто гальмування майже відсутнє і реле надійно спрацює, тому що до робочого кола підводиться напруга, яка в основному визначається напругою третьої гармоніки поблизу лінійних виводів (рис. 9.7в) . По мірі наближення точки замикання до лінійних вводів генератора величина напруги, підведеної до гальмівної обмотки буде збільшуватись, а до робочого кола – зменшуватись. А під час замикань поблизу лінійних вводів робота реле буде заблокована, тому що до гальмівної обмотки буде прикладена максимальна напруга (рис. 9.7г). Тому вимірний орган поблизу лінійних вводів має мертву зону.

Вимірний орган KV2 діє на співвідношення напруг або співвідношення опору обмотки генератора зі сторони нейтралі по відношенню до землі до подвоєного значення ємнісного опору генератора

(9.12)

Тобто внутрішній орган безпосередньо діє на перехідний опір в місці замикання на землю (рис. 9.7а).

Спрацювання вимірного органу третьої гармоніки KV2 визначається уставкою коефіцієнта гальмування, який визначається з виразу

(9.13)

Коефіцієнт гальмування визначає „мертву” зону захисту. Якщо вимірний орган є нечутливим.

Для органу третьої гармоніки потрібно визначити уставку, яка повинна бути відлагоджена від співвідношення напруги робочої ланки до напруги гальмівної ланки

(9.14)

де – коефіцієнт відлагодження, рівний 2.

Згідно розрахункової схеми, рис. 9.7а:

(9.15)

де – напруга на еквівалентній ємності обмотки статора генератора.

Підставляючи значення та з (9.15) в вираз (9.14) отримуємо

(9.16)

Орган третьої гармоніки повинен охоплювати як мінімум 30% числа витків обмотки статора.

Визначимо значення коефіцієнту гальмування для органу третьої гармоніки. У випадку металевого однофазного замикання в кінці зони дії захисту (на відстані 30% від нейтралі) В цьому випадку до робочого кола вимірного органу третьої гармоніки прикладається напруга . Підставляючи ці значення в (9.14) отримаємо значення коефіцієнту гальмування .

Таке значення слід приймати для всіх турбогенераторів.

Орган, який реагує на напругу третьої гармоніки, охоплює частину обмотки зі сторони нейтралі. Тому захист має ще один вимірний орган, який є чутливим до замикань біля лінійних виводів. Цей орган реагує на напругу нульової послідовності. Залежність напруги нульової послідовності на виводах генератора від місця однофазного замикання на землю в обмотці статора наведений на рис. 9.8. Як видно з рисунку по мірі наближення точки замикання від лінійних виводів до нейтралі напруга зменшується і під час замикання поблизу нейтралі вона практично рівна нулю. Тому цей орган, на відміну від комбінованого, який реагує на складові напруги третьої гармоніки, буде надійно спрацьовувати під час замикань поблизу лінійних виводів генератора і не буде працювати, тобто мати „мертву” зону, під час замикань на землю поблизу нейтралі.

Рис. 9.8.  Залежність напруги нульової послідовності основної частоти від віддаленості до місця замикання

Уставка спрацювання максимального органу напруги першої гармоніки вибирається з умови відлагодження від напруги нульової послідовності першої гармоніки під час однофазного замикання на стороні високої напруги за трансформатором блоку

(9.17)

де – максимальне значення напруги нульової послідовності на стороні високої напруги блочного трансформатора під час однофазного к.з. на землю, яке визначається розрахунком; – ємність між обмотками високої та низької напруг однієї фази блочного трансформатора; – ємність однієї фази обмотки статора генератора відносно землі; – ємність однієї фази обмотки низької напруги блочного трансформатора відносно землі; – коефіцієнт відлагодження, рівний 1.3; – коефіцієнт трансформації трансформатора напруги, встановленого на лінійних виводах генератора.

У випадку малих значень уставки органу напруги нульової послідовності чутливість захисту може виявитись завеликою, що в певних умовах, наприклад, у випадку зволоження ізоляції в струмопроводах, може привести до хибного спрацювання захисту. Тому уставку не слід приймати меншою, ніж 10 В.

З іншого боку, для забезпечення потрібної чутливості уставка органу напруги нульової послідовності не повинна перевищувати 15 В.

Питання для самоперевірки

1. Чому захист від однофазних замикань на землю в обмотці статора генератора побудований на аналізі напруг?

2. Яким чином під’єднуються вимірні органи захисту від однофазних замикань на землю в обмотці статора генератора?

3. Чому вимірний орган напруги захисту від однофазних замикань на землю в обмотці статора генератора, який реагує на значення третьої гармоніки, захищає лише частину його обмотки?

4. Яку частину обмотки статора генератора від однофазних замикань на землю захищає орган напруги основної частоти?