вая постоянная, зависящая от типа генератора.
В общем случае ток I2 непостоянен и может изменяться в течение времени tдоп. Под средним током I2 понимается действующее значение тока I2, сохраняющего постоянную величину в течение времени tдоп и выделяющего за это время такое же количество тепла, что и действительный изменяющийся во времени ток I2(t).
Величина среднеквадратичного тока I2* находится интегрированием (суммированием) мгновенных квадратичных значений токов i22* в пределах времени tдоп, делением полученного интеграла на время tдоп и извлечением из полученного выражения квадратного корня:
где i2* — мгновенное значение действительного тока I2 в относительных единицах.
Выражение (15-2) является тепловой характеристикой ротора генератора, определяющей допустимую продолжительность несимметричных режимов в зависимости от величины тока I2: tдоп=f(I2).
Это выражение является приближенным. При малых токах нагрев ротора происходит медленно и сопровождается отдачей тепла в окружающую среду (т. е. не адиабатически), в результате чего действительное tдоп больше расчетного.
При прохождении больших токов возникает опасность выделения повышенного количества тепла в переходном сопротивлении соприкасающихся поверхностей стали ротора (зубцов, клиньев и др.). Последнее может приводить к более быстрому нагреву этих поверхностей до опасной температуры, чем это дается расчетной формулой (15-2).
Тепловые характеристики для генераторов разного типа и разной мощности приведены на рис. 15-2 и в табл. 15-3. Постоянная А принята по данным заводов. Для генераторов с косвенным водородным охлаждением А = 30, для генераторов ТВФ А = 15, для генераторов ТГВ, ТВВ и ТВМ А = 11 ÷ 8. Для турбогенераторов 500 МВт А = 5.
Из характеристик на рис. 15-2 видно, что для мощных генераторов с непосредственным охлаждением при I2* = 0,3Iном.г время tдоп относительно мало (меньше 2 мин), поэтому при подобных перегрузках требуются автоматические устройства, защищающие генераторы при несимметричных режимах.
У генераторов меньшей мощности, 30—60 МВт, с косвенным охлаждением и большими запасами по нагреву роторов (кривые 1 и 2) допустимое время значительно больше и автоматическое отключение
для них требуется лишь при токах I2 >0,5Iном.г
Повышение напряжения возникает на генерато-
рах при внезапном сбросе нагрузки, так как при этом исчезает магнитный поток реакции статора и увеличивается частота вращения разгрузившейся машины.
На турбогенераторах повышение напряжения не достигает опасных значений и ликвидируется автоматическими регуляторами скорости и возбуждения или в случае отсутствия последнего — ручным регулированием возбуждения. При увеличении частоты вращения до 110% на турбогенераторах срабатывает «автомат безопасности», полностью закрывающий доступ пара в турбину, что исключает чрезмерное увеличение частоты вращения и опасное повышение напряжения.
На гидрогенераторах регуляторы скорости действуют медленнее, чем на турбогенераторах, в результате этого при сбросе нагрузки частота вращения агрегата
резко увеличивается и может превысить номинальную на 40—60%, а напряжение генератора
вследствие этого может возрасти до 150% номинального и больше. Поэтому на гидрогенераторах наряду с автоматическим устройством развозбуждения предусматривается защита от повышения напряжения, действующая на снятие возбуждения или отключение генератора.
Асинхронный режим возникает при потере возбуждения, из-за отключения АГП и по любой другой причине. Асинхронный режим сопровождается потреблением из сети значительного реактивного Тока, понижением напряжения на зажимах генератора, увеличением оборотов ротора и в общем случае качаниями. Турбогенераторы могут работать в асинхронном режиме с некоторым скольжением как асинхронный генератор, при условии снижения активной нагрузки. Благодаря повышенным значениям тока работа генератора в асинхронном режиме ограничена по времени в зависимости от его конструкции и термических характеристик. Генераторы с косвенным охлаждением могут работать без воз-
буждения с нагрузкой до 60% номинальной. Генераторы с непосредственным охлаждением имеют меньшие термические запасы и могут работать, в асинхронном режиме с нагрузкой не более 40%. Гидрогенераторы, имеющие ротор с явновыраженными полюсами, при потере возбуждения не могут оставаться в работе, и их необходимо отключать. На турбогенераторах целесообразно предусматривать защиту, реагирующую на потерю возбуждения, действующую на снижение активной нагрузки до величины, обеспечивающей устойчивую работу генератора. На гидрогенераторах следует применять такую же защиту с действием на отключение. Достаточно совершенных и общепризнанных защит, реагирующих на потерю возбуждения, пока еще не разработано. В зарубежной практике применяются реле реактивной мощности и направленные реле реактивного сопротивления. По принципу действия эти реле могут работать ложно при качаниях, по этой причине они не получили применения в
СССР.
в) Общие требования к защите генераторов
На генераторах устанавливаются защиты от внутренних повреждений и опасных ненормальных режимов, т. е. таких режимов, которые могут вызывать повреждение генератора.
При ненормальных режимах работы генератора, не требующих немедленного отключения, защита, как правило, должна действовать на сигнал, по которому дежурный обязан принять меры к устранению ненормального режима без отключения генератора.
Автоматическое отключение генератора допускается только в тех случаях, когда возникший ненормальный режим нельзя устранить, а его дальнейшее продолжение ведет к повреждению генератора.
Для предотвращения развития повреждения, возникшего в генераторе, защиты от внутренних повреждений должны отделить генератор от сети, отключив главный выключатель, и прекратить ток в обмотке ротора отключением автомата гашения поля (рис. 15-3). С отключением выключателя прекращается ток повреждения I'k, поступающий в поврежденный генератор из сети (рис. 15-3). Однако через место повреждения продолжает проходить ток I"k, поддерживаемый э. д. с. генератора Е. Отключением АГП 1 разрывается цепь тока ротора Iрот. В результате этого исчезает поток ротора и вместе с ним исчезает создаваемая им в фазах генератора э. д. с. Одновременно блок-контакт АГП 2 воздействует на отключение АГП возбудителя, контакт которого 3 вводит сопротивление
Rагп в цепь возбуждения возбудителя. Кроме того, в генераторах с воздушным охлаждением для тушения пожара изоляции в камеру генератора пускается от руки пар или вода либо автоматически углекислота СО2 от защит, действующих при внутренних повреждениях. На генераторах с водородным охлаждением специальных мер по тушению пожара в генераторе не применяется, поскольку водород не поддерживает горения. На генераторах, охлаждаемых маслом, необходимы устройства для тушения пожара, но такие устройства находятся еще в стадии разработки.
Защиты от внешних коротких замыканий должны отключать генераторный выключатель для прекращения тока к. з., посылаемого генератором в сеть, и АГП для предупреждения повышения напряжения на зажимах генератора вследствие сброса нагрузки.
15-2. ЗАЩИТА ОТ МЕЖДУФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ОБМОТКЕ СТАТОРА
а) Назначение и общие принципы выполнения защиты
В качестве основной защиты от междуфазных коротких замыканий в генераторе применяется быстродействующая продольная дифференциальная защита (см. § 10-2).
Схема продольной дифференциальной защиты для одной фазы генератора показана на рис. 15-4, а. Полные схемы приведены на рис. 15-10 и 15-11.
Принцип действия защиты (рис. 15-4, а) основан на сравнении величин и фаз токов (I1 и III) в начале и конце обмотки фазы статора. С этой целью с обеих сторон обмотки статора устанавливаются трансформаторы тока Т1 и ТII с одинаковыми коэффициентами трансформации nТ1 = nТII. Их вторичные обмотки соединяются последовательно, как показано на чертеже, разноименными полярностями. Дифференциальное реле Р включается параллельно вторичным обмоткам обоих трансформаторов тока.
При к. з. вне зоны (точка К1 на рис. 15-4, а) первичные токи I1 и III равны по величине и направлены в одну сторону (к месту к. з.). Распределение вторичных токов показано на рис.
15-4,а, ток в реле Iр = IIB |
— IIIB , при идеальной работе трансформаторов тока IIB = |
IIIB и поэтому Iр = 0 — защита не работает. В действительности из-за погрешности транс- |
форматоров тока IIB ≠ IIIB |
и в реле появляется т о к н е б а л а н с а Iр = Iнб = IIB — |
IIIB. Для исключения ложной работы защиты необходимо обеспечить условие |
П р и н а г р у з к е |
распределение первичных и вторичных токов соответствует |
условиям внешнего к. з., ток Iр = 0 и защита не действует.
П р и к. з., в з о н е ( т о ч к а К2 на рис. 15-4, б) первичные токи к. з. на обеих сторонах обмотки направлены встречно (к месту к. з.). В результате этого вторичные токи в
реле с у м м и р у ю т с я Iр = IIB + IIIB и реле приходит в действие, если Iр > Iс.з Для прекращения к. з. защита должна отключить генераторный выключатель и АГП.
Т р е х ф а з н ы е и д в у х ф а з н ы е з а щ и т ы . Поскольку дифференциальная защита генераторов, как это уже отмечалось, предназначена для действия при междуфазных к. з., она может выполняться по двухфазной схеме. Однако двухфазная защита не может обеспечить отключение генератора при двойных замыканиях на землю (рис. 15-5), если одно из замыканий К1 возникло в сети (на фазе А или В, имеющей дифференциальную защиту), а второе — в точке К2 на фазе В генератора, не имеющей защиты. Как видно из токораспределения, показанного на рис. 15-5, а, ток к. з., проходящий по фазе А к месту повреждения (к точке К1), является сквозным, поэтому в дифференциальном реле этой фазы ток Iр = О и реле РА не действует. На фазе В, где возникло повреждение генератора, защита могла бы работать, но она на этой фазе не установлена. Таким образом, в рассмотренном случае двухфазная защита не действует, хотя двойное замыкание на землю является опасным видом повреждения для генератора и требует быстрого отключения, так как возникающий при этом ток к. з. имеет большую величину и проходит в землю через сталь статора, причиняя значительные разрушения.
Для быстрого отключения такого повреждения дифференциальная защита генерато-
354
ра должна выполняться трехфазной. В целях экономии трансформаторов тока дифференциальные защиты генератора можно выполнять двухфазными, предусматривая при этом соответствующее исполнение защиты от замыкания на землю, позволяющее ей отключать двойные замыкания на землю (см. § 15-4). На генераторах 100 тыс. кВт и больше по соображениям повышения надежности их защиты целесообразно применять трехфазные схемы дифференциальных защит при всех условиях.
З о н а д е й с т в и я з а щ и т ы ограничивается участком, расположенным между трансформаторами тока Т1 и ТII (рис. 15-4). При выполнении защиты стремятся по возможности расширить ее зону; с этой целью трансформаторы тока ТII обычно устанавливаются непосредственно у выключателя, так чтобы повреждения на всех токоведущих частях от выводов генератора до выключателя отключались мгновенно дифференциальной защитой.
О б р ы в с о е д и н и т е л ь н о г о п р о в о д а в схеме дифференциальной защиты нарушает баланс токов в реле и вызывает неправильную работу защиты при сквозных к. з. или даже в нормальном режиме (рис. 15-5, б). Поэтому токовые цепи защиты должны выполняться с особой надежностью. Число контактных соединений в токовых цепях должно быть минимальным, а качество соединений — надежным.
В т о р и ч н ы е о б м о т к и т р а н с ф о р м а т о р о в т о к а дифференциальной защи-
ты заземляются только у одной группы трансформаторов Т1 или ТII вторая группа транс-
форматоров тока электрически связана с первой и поэтому своего заземления не имеет. При заземлении обеих групп трансформаторов образуется цепь, по которой могут проходить токи, появляющиеся в контуре заземления подстанции, в результате чего возможно н е п р а - в и л ь н о е действие защиты (рис. 15-5, в). Обычно устанавливается о д н о заземление в точке з.
б) Ток небаланса
При внешних к. з. в дифференциальном реле Р (рис. 15-4) появляется ток небаланса, обусловленный погрешностями трансформаторов тока Т1 и ТII, как было показано в § 10-4:
Ток небаланса может вызвать неправильную работу дифференциальной защиты, поэтому принимаются меры к ограничению его величины.
Для этой цели необходимо соблюдать следующие требования:
а) Трансформаторы тока не должны н а с ы щ а т ь с я при токах сквозного к. з., что позволяет уменьшить токи намагничивания, а следовательно, и ток небаланса при внешних к. з. Это обеспечивается применением трансформаторов тока, насыщающихся при возможно больших значениях вторичной э. д. с. Е2, и уменьшением сопротивления плеч защиты, составляющих нагрузку трансформаторов тока при внешних к. з., от которой зависит величина Ег (рис. 15-6).
Поставленным требованиям наилучшим образом удовлетворяют трансформаторы тока класса Р и Д, которые обычно и применяются для дифференциальных защит генераторов.
Уменьшение сопротивления плеч достигается выбором сечения жил соединительного кабеля. Допустимое сопротивление соединительных проводов находится из условия 10%-н о й п о г р е ш н о с т и трансформаторов тока (по кривым предельной кратности).
б) Для уменьшения разности намагничивающих токов характеристики намагничивания
Е2 = f (Iнам) трансформаторов тока Т1 и ТII должны быть и д е н т и ч н ы м и ( с о в п а -
д а ю щ и м и ) , а сопротивления плеч — по возможности равными. При этих условиях разность III нам — IIнам будет минимальной (рис. 15-6).
Выполнение указанных требований весьма существенно ограничивает установившееся значение тока небаланса. Однако первоначальный бросок тока небаланса, обусловленный апериодической составляющей тока при внешнем к. з. или самосинхронизации генератора, может достигать значительной величины.
В гл. 10 было показано, что начальный ток небаланса содержит значительную апериодическую составляющую, которая придает кривой небаланса несимметричный вид (рис. 10- 7).
Для исключения работы дифференциальной защиты от тока небаланса в неустановившемся и установившемся режимах кроме отмеченных выше мер по уменьшению разности намагничивающих токов (15-4) могут использоваться три способа:
1)уменьшение величины и продолжительности броска Iнб в неустановившемся ре-
жиме;
2)применение реле, отстроенных от бросков Iнб, возникающих в этом режиме;
3) применение реле с торможением от тока сквозного к. з.
У м е н ь ш е н и е б р о с к а тока небаланса достигается с помощью активного сопротивления порядка 5 Ом, включаемого последовательно с обмотками дифференциальных реле (рис. 15-10, а). Активное сопротивление ограничивает величину Iнб и, кроме того, уменьшает постоянную времени Т2 вторичного контура трансформаторов тока (Т2 = L/r). Однако включение значительного активного сопротивления (5 Ом) создает повышенную нагрузку на трансформаторы тока при к. з. в генераторе. В результате этого их погрешность увеличивается, а вторичный ток, поступающий в реле, уменьшается, что понижает чувствительность защиты и является недостатком, ограничивающим применение этого способа.
В к а ч е с т в е в т о р о г о , более совершенного способа применяется отстройка от неустановившихся токов небаланса включением дифференциального реле через быстронасыщающийся трансформатор [Л. 66]. Этот метод получил широкое распространение в СССР.
Тр е т и й с п о с о б предусматривает использование в качестве дифференциальных реле
—реле с торможением, автоматически загрубляющихся при внешнем к. з. одновременно с ростом тока небаланса. Реле подобного типа были рассмотрены в § 10-4.
в) Применение насыщающихся трансформаторов для отстройки от тока небаланса
Принцип работы БНТ. Эффективным и простым способом отстройки от апериодической составляющей тока небаланса является включение дифференциальных реле через вспомогательные быстронасыщающиеся трансформаторы тока (БНТ), как показано
на рис. 15-10, б. Параметры БНТ подбираются так, что он почти не т р а н с ф о р м и - р у е т а п е р и о д и ч е с к и й т о к , преобладающий в начальном токе небаланса, но достаточно хорошо пропускают синусоидальный ток, появляющийся в реле при к. з. в зоне защиты.
Если представить, что в первичной обмотке БНТ проходит апериодический ток Iа = f(t) (рис. 15-7, а), то на зажимах разомкнутой вторичной обмотки БНТ (по закону индукции) будет наводиться
Как следует из кривой намагничивания БНТ (рис. 15 -7, б), за некоторый весьма малый промежуток времени ∆t изменению тока Ia соответствует ничтожное изменение потока Ф; поэтому скорость изменения потока ∆Фа dФ/dt ≈ 0. В результате этого величина индуктируемой э. д. с. е2 будет ничтожной. Следовательно, и ток во вторичной обмотке БНТ будет мал.
Синусоидальный ток Iп трансформируется на вторичную сторону БНТ значительно лучше. За то же время ∆t (рис. 15-7, б) поток в магнитопроводе изменится весьма значительно
— на ∆Фп. Это означает, что скорость изменения магнитного потока dФ/dt, определяющая е2, при питании БНТ синусоидальным током будет значительно больше, чем при питании его апериодическим током.
Можно считать, что практически апериодическая составляющая тока небаланса не трансформируется во вторичную обмотку БНТ и полностью расходуется на подмагничивание его сердечника. Это приводит к насыщению БНТ и ухудшению трансформации также и периодической составляющей Iп тока небаланса.
Таким образом, в реле попадает только периодическая составляющая тока небаланса, у м е н ь ш е н н а я по в е л и ч и н е за счет насыщения, обусловленного подмагничиванием сердечника апериодическим током.
В установившемся режиме, когда апериодическая составляющая в токе небаланса затухает, последний трансформируется в реле без существенных искажений по величине и форме кривой.
Параметры БНТ выбираются с таким расчетом, чтобы он насыщался при относительно небольших значениях апериодического тока. Подбором сталимагнитопровода БНТ с широкой петлей гистерезиса и величины индукции срабатывания Вс.р, близкой к Внас можно добиться таких условий, при которых начальный ток небаланса, смещенный асимметрично относительно оси времени (рис. 15-7, в), не будет трансформироваться через БНТ за счет наличия в нем большой апериодической составляющей. На этом и основана отстройка от асимметричных токов небаланса дифференциальных реле при включении их через БНТ.
Добиваясь для отстройки от Iнб насыщения сердечника БНТ при относительно малых токах необходимо обеспечить достаточную надежность действия реле БНТ при повреждениях в
357
зоне защиты. Чтобы обеспечить это условие, вторичный ток БНТ при к. з. в зоне должен быть на 20—30% больше тока срабатывания реле. За минимальную величину тока к. з., при котором должна обеспечиваться надежная работа реле, принимается Iк.з.мин=2Ic.р1.
Характеристика БНТ I2БНТ = f (I1БНТ), удовлетворяющая этому условию, показана на рис. 15-8 (при первичном токе БНТ, равном 2Iс.р1, ток в реле равен 1,3Iс.р2).
Чебоксарский электроаппаратный завод выпускает реле РНТ-565 (рис. 15-9) для дифференциальной защиты генераторов и трансформаторов [Л. 65].
Реле РНТ состоит из трехстержневого быстронасыщающегося трансформатора (БНТ) и питающегося от него реле. Трансформатор имеет три первичные обмотки: wД, w1у,w2у одну вторичную w2 и короткозамкнутую обмотку wк.
Обмотки wД и w2 являются основными обмотками БНТ. Первая wД включается в дифференциальную цепь защиты, вторая w2 питает реле типа РТ-40/0,2.
Вспомогательные обмотки w1у и w2у, называемые у р а в н и т е л ь н ы м и , предназначены для компенсации неравенства вторичных токов II и III в плечах дифференциальных защит трансформаторов (рис. 16-3). В защите генератора они обычно не используются.
Ток срабатывания реле регулируется изменением числа витков дифференциальной об-
мотки wД.
К о р о т к о з а м к н у т а я обмотка wК позволяет усиливать или ослаблять (регулировать) подмагничивающее действие апериодического тока, поступающего в обмотку wД
[Л. 65, 68] (см. § 16-8, в).
г) Разновидности схем дифференциальных защит
На рис. 15-10 и 15-11 приведены три основные схемы дифференциальной защиты. Первая схема (рис. 15-10, а) выполняется с помощью простых токовых реле типа РТ или
ЭТ. Последовательно с ними включается сопротивление r = 5 ÷ 10 Ом, которое служит для уменьшения небаланса.
Для отстройки от тока небаланса ток срабатывания защиты при этой схеме приходится выбирать больше Iном.ген. Защита получается малочувствительной, что является недостатком схемы.
Такие схемы применяются только для генераторов малой мощности. Из соображений экономии трансформаторов тока они обычно выполняются двухфазными, при этом отключение двойных замыканий производится защитой от замыкания на землю.
Вторая, наиболее распространенная схема осуществляется с помощью реле РНТ565. Она показана на рис. 15-10, б в трехфазном исполнении. В реле РНТ используется только дифференциальная обмотка wД.. Уравнительные обмотки остаются разомкнутыми и не используются. Насыщающий трансформатор БНТ, через который поступает ток в дифференциальную обмотку реле РНТ, не пропускает апериодической составляющей Iнб, и поэтому ток срабатывания защиты отстраивается только от периодической составляющей тока небаланса. Ток срабатывания защиты получается при этом равным (0,5 ÷ 0,6) Iном.ген. Защита с РНТ более чувствительна, чем с простым токовым реле. Схема с реле РНТ применя-
ется на генераторах средней мощности 25—100 МВт. П р и о б р ы в е с о е д и н и - т е л ь н о г о п р о в о д а в одном плече токовой цепи защиты (например, фазы А от Т1) в реле ТА, как это следует из токораспределения на рис. 15-10, в, появляется ток нагрузки от трансформатора тока ТII фазы А. Под воздействием этого тока защита может сработать при отсутствии повреждения в генераторе. В случаях, когда необходимо исключить подобную ложную работу защиты можно или загрублять защиту, выбирая Iс.з > Iном.ген на 20—30%, или применять особую схему включения реле РНТ [Л. 84] с использованием уравнительной обмотки wу.
В этой схеме (рис. 15-10, г) дифференциальная обмотка каждого реле включается, как обычно, на разность токов, а одна из уравнительных обмоток — в нулевой провод дифференциальных реле. Обмотки wД и wу в каждом реле включаются встречно. При обрыве провода в плече защиты в реле этого плеча появляется ток нагрузки Iн в обеих обмотках wД и wу. Число витков подбирается так, чтобы разность н. с, создаваемых этими обмотками при токе Iнб, Rд— Rу была меньше н. с, необходимой для срабатывания реле. При соблюдении этого условия защита не будет действовать при обрыве соединительных проводов. При трехфазных и двухфазных к. з. в зоне и вне зоны ток в нулевом проводе отсутствует, поэтому уравнительная обмотка wу не влияет на работу защиты. При wД = 2 wу у ток срабатывания защиты получается равным 0,55 Iном.ген .При двойных замыканиях на землю ток срабатывания получается больше за счет влияния уравнительной обмотки. Для сигнализации о повреждении в токовой цепи в нулевой провод дифференциальной защиты включается чувствительное токовое реле с Iс.р. ≈ 0,2 Iном.ген (рис. 15-10, в). В нормальном режиме ток в реле отсутствует; при обрыве провода в реле появляется ток оборванной фазы, и оно подает сигнал.
Опыт эксплуатации показывает, что при надежном выполнении токовых цепей и хорошем уходе за ними их повреждение происходит очень редко. В связи с этим загрубление защиты или применение рассмотренной схемы, не реагирующей на обрыв токовой цепи, является излишним. Указанные мероприятия, исключающие ложное действие защиты при обрыве токовых цепей, целесообразны только на генераторах, отключение которых приводит к нарушению электроснабжения потребителей.
Третья схема наиболее совершенная, она сочетает два принципа отстройки защиты от
тока небаланса: |
т о р м о ж е н и е , |
при котором ток Iс.р автоматически увеличивается с ро- |
стом тока к. з., |
и п р и м е н е н и е |
н а с ы щ а ю щ е г о с я т р а н с ф о р м а т о р а БНТ |
для ограничения Iнб, поступающего в реле. В результате такого сочетания защита весьма надежно отстраивается от тока небаланса и обладает высокой чувствительностью — при к. з. в генераторе ток срабатывания защиты Iс.з ≈ (0,1 ÷ 0,3) Iном.ген.
В качестве дифференциального реле в рассматриваемой схеме (рис. 15-11, а) применяется токовое реле с торможением от тока к. з. при внешних повреждениях. Реле имеет тормозную и рабочую обмотки. Реле Р включается по дифференциальной схеме на разность
360
