3. Релейная защита генераторов

Основная цель релейной защиты генератора - это предотвращение развития повреждений, значительных разрушений защищаемых машин, нарушений устойчивости в системе при любых ненормальных режимах и повреждениях.

3.1. Повреждения и ненормальные режимы работы генераторов

Наиболее характерными являются следующие повреждения генераторов:

1. Междуфазные короткие замыкания в обмотке статора наиболее вероятны при развитии повреждения, вызванного однофазным замыканием на землю. Междуфазные к.з. сопровождаются протеканием больших токов, снижением напряжения, что может привести к значительным повреждениям обмотки и железа статора, разрушению генератора. При этих повреждениях генератор должен отключаться как можно быстрее с обязательным гашением поля и остановом турбины.

2. Замыкания между витками и между обмотками параллельных выводов одной фазы статора (при наличии выведенных параллельных ветвей обмотки и их соединении в звезду) - это наиболее вероятные повреждения. Они характеризуются большими токами в месте повреждения при незначительном изменении тока в неповрежденной части обмотки. Электрическая дуга, возникающая на месте повреждения, вызывает оплавление активной стали статора. Межвитковые замыкания особо опасны для генераторов большой единичной мощности, так как могут привести к значительным разрушениям, в результате чего потребуется проведение сложного ремонта машины. Поэтому защита от такого повреждения действует без выдержки времени на отключение выключателя генератора (блока), автомата гашения поля (АГП), останов турбины.

3. Однофазные замыкания на землю в обмотке статора происходят из-за повреждения изоляции в пазу между токоведущей частью обмотки и сталью. Возрастает вероятность замыкания на землю вблизи нейтрали в витках статорной обмотки с водяным охлаждением при неплотностях в системе охлаждения.

Через место замыкания протекает ток, значение и характер которого определяются местом возникновения повреждения, значением емкости относительно земли системы генераторного напряжения, способом заземления нейтрали генератора. Устойчивая электрическая дуга, возникающая при токах повреждения (а для генераторов мощностью 200 МВт и выше даже при ), выжигает сталь и изоляцию статора, создает возможность перехода однофазного замыкания на землю в междуфазное или витковое. Поэтому согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) при для генераторов мощностью до 150 МВт защита может действовать на сигнал, а в остальных случаях - на отключение генератора или блока, АГП и останов турбины.

4) Замыкания на землю в одной или двух точках обмотки возбуждения. Для турбогенераторов замыкание в одной точке само по себе не является опасным, но вызывает опасность повреждения изоляции цепи возбуждения во второй точке. Шунтирование при этом части обмотки приводит к резкому нарушению симметрии магнитного потока в воздушном зазоре и, как следствие, несимметрии э.д.с. и токов в фазах. Это может привести к сильной вибрации, разрушению подшипников.

В гидрогенераторах (машинах явнополюсных) такой результат может быть при замыкании на землю в одной точке цепи возбуждения. Поэтому для всех гидрогенераторов и турбогенераторов мощностью 300 МВт и более устанавливается защита от этого вида повреждения с действием на отключение и сигнал, соответственно. Токи, протекающие в местах замыкания, могут вызвать повреждения обмотки и железа ротора.

На всех турбогенераторах мощность до 160 МВт и на генераторах с косвенным охлаждением обязательно предусматривается защита от замыкания на землю обмотки возбуждения в двух точках с действием на отключение машины и АГП.

К ненормальным режимам работы генераторов относят такие режимы, при которых токи обмоток статора и ротора выше номинальных, т.е. возникают ситуации перегрузки. Они бывают следующими:

1) Симметричные перегрузки могут вызывать повышенный нагрев обмоток как статора, так и ротора. Для машин с косвенной системой охлаждения, обладающих достаточно большой перегрузочной способностью обмоток, предусматривается защита только от перегрузки обмотки статора, работающая на сигнал.

Для генераторов с непосредственным охлаждением проводников обмоток, кроме указанной выше, используется защита от перегрузки обмотки ротора, выполняемая с интегрально - зависимой характеристикой срабатывания _, реагирующая на ток ротора и действующая на сигнал или развозбуждение и отключение машины.

2) Несимметричные перегрузки генератора возникают из-за не отключаемых основными защитами повреждений генератора, блока, основными и резервными защитами линий повреждений в сети, обрывов проводов фаз линий, неполнофазных отключений выключателей при включении или отключении нагрузок или к.з., появления несимметричной нагрузки. В этих случаях в фазных токах возникают составляющие обратной последовательности. Они создают в машине магнитное поле, вращающееся относительно ротора с двойной угловой скоростью. Эта составляющая поля наводит в бочке ротора токи частотой 100 Гц, приводящие к дополнительным тепловым потерям и перегреву ротора генератора, особенно с непосредственным охлаждением проводников обмоток. Кроме того, возникают знакопеременные силы, вызывающие повышенную вибрацию машины, особенно явнополюсного генератора.

Согласно ПУЭ для генераторов с непосредственным охлаждением проводников обмоток считается необходимой специальная защита от токов обратной последовательности. Защита должна работать с выдержкой времени, определяемой перегрузочной характеристикой ротора генератора по току обратной последовательности, описываемой уравнением:

. (3.1)

где А – тепловой параметр генератора;

- (3.2)

среднеквадратичное значение тока обратной последовательности, отнесенное к ; – допустимое время прохождения тока.

Величина зависит от типа генератора и его мощности. Для турбогенераторов с воздушным и косвенным водородным охлаждением , для генераторов серии ТВФ, серии ТВВ и ТГВ до 300 МВт включительно , для ТВВ-300-2 , для гидрогенераторов .

В общем случае возможны другие типы повреждений и ненормальных режимов генераторов, но они могут быть с некоторыми допущениями сведены к тому или иному типу, приведенному выше в разделе.