9.10. Захист обмотки ротора генератора від перевантаження струмом збудження

Перегрів обмотки ротора призводить до передчасного старіння ізоляції обмотки і, як наслідок, до її пошкодження. Тому необхідно контролювати температуру обмотки ротора (обмотки збудження). Обмотка ротора нагрівається нерівномірно. Для ідеального аналізу температурного стану обмотки ротора необхідно контролювати температуру обмотки в різних точках ротора, але технічно це зробити досить важко. Тому на практиці застосовують опереседковий контроль температури обмотки ротора. Оскільки основною причиною перегріву обмотки ротора є струм збудження, тому контролюється його величина. На цьому принципі виконані різні типи захисту обмотки ротора від перевантажень.

Для роботи захисту необхідно контролювати струм ротора генератора. Інформація про струм ротора подається до захисту від спеціальних давачів струму Існують різні методи контролю величини струму збудження. Найпростішим методом контролю є встановлення в обмотці константанової вставки. Константан – це метал, який на відміну від міді практично не змінює свого опору в певному діапазоні температури. Тому, якщо контролювати спад напруги на цій константановій вставці, та знаючи її опір, можна з достатньою точністю визначати величину струму обмотки ротора де – спад напруги на константановій вставці; – активний опір константа нової вставки. Але величина цього струму є недостатньою для роботи захистів, виконаних на електромеханічних та напівпровідникових елементах. Така схема контролю за величиною струму ротора може застосовуватись для захистів, виконаних на цифровій основі, вхідні кола яких споживають невелику потужність.

Для вимірювання струму обмотки ротора у випадку використання тиристорної чи високочастотної систем збудження використовується трансформатор постійного струму (ТПС) (рис. 9.16); приу випадку використання безщіткової системи збудження - індукційний короткозамкнений давач струму (ІКДС) (рис. 9.17).

Рис. 9.16. Давач струму ротора на основі трансформатора постійного струму

ТПС – це звичайний магнітний підсилювач, по керуючій обмотці якого протікає струм ротора. Стержень, по якому протікає струм ротора, проходить в середині двох магнітопроводів. На магнітопроводах розміщені чотири секції робочої обмотки W_роб, які з’єднані паралельно на кожному магнітопроводі (на рисунку для спрощення паралельно з’єднані обмотки зображені однією еквівалентною). Обмотки окремих магнітопроводів з’єднуються послідовно у випадку номінального струму ротора порядку 1,52,5кА, як показано на рисунку, або паралельно у випадку номінального струму ротора більше 3 кА.

Вторинне навантаження ТПС (захист, кола вимірювання та регулювання) під’єднується в коло робочої обмотки.

Струм від джерела живлення, яке виконується на напругу частотою 50 Гц або 400 Гц, в робочу обмотку подається через автотрансформатор TUV. Таким чином, струм в кола захисту, вимірювання та регулювання подається від цього джерела живлення через робочу обмотку ТПС. Величина цього струму залежить від опору робочої обмотки ТПС. Опір робочої обмотки W_роб залежить від магнітного потоку в сердечнику ТПС. Коли значення струму в колі ротора є малим, магнітний потік в сердечниках малий, магнітний опір робочої обмотки великий. У випадку збільшення струму ротора сердечники насичуються, опір робочої обмотки зменшується і струм в її обмотці від джерела змінного струму збільшується. Найбільшого значення він досягає, коли магнітопроводи досягають глибокого насичення. Таким чином, за певним підбором параметрів схеми, струм від джерела живлення, буде змінюватись пропорційно струму в роторі генератора, тобто . Параметри ТПТ вибираються таким чином, що робочий діапазон зміни струму в роторі від 0 до максимального значення припадав на прямолінійну ділянку характеристики намагнічування магнітопроводів ТПС.

Щоб запобігти трансформації змінного струму з робочих обмоток в обмотку ротора, останні ввімкнені зустрічно. В такому випадку магніторушійні сили робочих обмоток, розміщених на різних стержнях, наводять в обмотці ротора зустрічні, взаємнокомпенсувальні е.р.с.

Похибка ТПС в діапазоні струмів ротора не перевищує 1,53%. Для струму похибка складає 510%.

Рис. 9.17. Індукційний давач струму в обмотці ротора

У випадку використання безщіткової системи збудження безпосереднього контролю над струмом збудження здійснити неможливо. Тому використовується спеціальний перетворювач – індукційний давач струму. (рис. 9.17). Він представляє собою нерухому відносно ротора короткозамкнену "білячу клітку", яка охоплює вал генератора, всередині котрої проходять провідники від збудника EGA до обмотки ротора LG. Під час обертання ротора генератора в "білячій клітці" під дією магнітного поля, обумовленого струмом збудження, індукуються струми Фуко. Ці струми в свою чергу індукують струм у вторинній обмотці додаткового трансформатора струму ТА, вторинна обмотка якого закорочена і одночасно вона є первинною обмоткою трансформаторів струму ТА1, ТА2, ТА3. Від вторинних кіл цих трансформаторів струму живляться кола вимірювання, регулювання та захисту. Параметри магнітного кола розраховані таким чином, що у випадку протікання номінального струму по обмотці збудження генератора, вторинний струм трансформатора струму ТА рівний 2,5 А.

На генераторах, потужністю 160 МВт та вище, які експлуатуються на електростанціях України, для захисту ротора від перевантажень застосовується захист типу РЗР-1М. Цей захист має дві ступені. Перша ступінь з залежною від кратності струму перевантаження діє на роззбудження генератора через систему регулювання струмом збудження, друга – також з залежною витримкою часу – на вимкнення генератора від мережі та на гасіння його поля. Витримки часу цих двох ступенів для тих самих струмах відрізняються на 20% (рис. 9.18).

Рис. 9.18. Характеристики захисту від перевантаження обмотки ротора струмом збудження

Структурна схема захисту РЗР-1М представлена на рис. 9.19. Пристрій складається з вхідного перетворювального пристрою (ВПП), який призначений для налагодження вхідних кіл РЗР-1М на заданий вторинний номінальний струм обмотки ротора та для перетворення змінного струму в випростувану та зглажену напругу. З блоку ВПП ця напруга подається на основні блоки захисту – сигнальний орган СО, пусковий орган ПО, інтегральний орган ІО.

Рис. 9.19. Структурна схема захисту РЗР-1М

Сигнальний орган призначений для сигналізації про виникнення перевантаження кіл збудження. Діапазон уставок сигнального органу складає . Як правило, встановлюється значення .

Інтегральний орган призначений для оцінки накоплення тепла в обмотці ротора під час її перевантаження та охолодженні після зняття перевантаження. Час спрацювання інтегрального органу визначається з виразу

(9.29)

де А – постійна, яка враховує накоплення тепла в роторі; k, B – коефіцієнти, які визначають вид характеристики та діапазон уставок; – відносне значення струму збудження.

Захист РЗР-1М виготовляється в двох модифікаціях – для захисту генераторів, в яких час допустимого двократного перевантаження струмом збудження складає 20с та 30с.

З однією витримкою часу (меншою) інтегральний орган діє на роззбудження генератора, з другою (більшою) – на вимкнення генератора від мережі і гасіння його поля.

Пусковий орган призначений для пуску інтегрального органу. Його уставка лежить в межах , як правило, встановлюється уставка .

Питання для самоперевірки

1. Яким чином можна контролювати струм обмотки збудження генератора?

2. Як працює схема контролю струму в обмотці збудження генератора, виконана на основі трансформатора постійнго струму?

3. Як працює схема контролю струму в обмотці збудження генератора, виконана на основі індукційного давача струму?

4. На які органи діє захист від перевантаження ротора струмом збудження РЗР-1М?