где кб — коэффициент, характеризующий величину броска емкостного тока.
Величины токов 3 I0г по данным завода «Электросила» для турбогенераторов приводятся в табл. 15-4.
Ток небаланса. П р и н о р м а л ь н о й н а г р у з к е и в н е ш н и х 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 Iнб. В нормальном режиме ток небаланса очень мал. При к. з. Iнб 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 Iнб.к или блокировать, т. е. вы-
водить защиту из действия во время к. з., сохраняя ее нормальную чувствительность. Предпочтение отдается второму способу, позволяющему обеспечить большую чувстви-
тельность защиты.
П р и м е н е н и е б л о к и р о в к и 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 на двух фазах, то в схеме защиты от замыканий на землю предусматривается второе реле с грубой уставкой, во много раз превосходящей ток небаланса Iнб.к, но надежно действующее от тока 3 I0 при двойных замыканиях на землю.
Для обеспечения необходимой чувствительности защиты Iс.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 I0г, 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
371
На рис. 15-21 изображена 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 1з, можно убедиться, что вследствие малой величины 1з 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 Iп от постороннего источника. Намагничивающая сила дополнительной обмотки Fп будет п о д м а г н и ч и в а т ь магнитопровод, создавая в нем магнитный поток Фп. Если при наличии подыагничивания появится тот же ток замыкания на землю 1з, то созданная им намагничивающая сила F3 складывается с намагничивающей силой обмотки подмагничивания FП. 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 1з без подмагничивания; соответственно возрастает ток в реле, что повышает чувствительность защиты. Указанное подмагничивание осуществляется п е р е м е н н ы м током 2 от трансформатора напряжения генератора, поэтому магнитный поток Фп, создаваемый обмоткой подмагничивания, будет наводить во вторичной обмотке дополнительную э. д. с. ЕП, искажающую работу ТНП.
1Защита разработана Институтом электродинамики АН УССР.
2Подмагничивание постоянным током не дает увеличения э. д. с. ТНП, создаваемо й током /3, и поэтому не может использоваться для повышения чувствительности защиты (подробнее этот вопрос рассмотрен в [Л. 13 и 37]).
372
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. ЕП.а и ЕП.б взаимно уничтожаются. Практически за счет неточной балансировки во вторичной обмотке появляется разность этих э. д. с. (ЕП.а — ЕП б = Енб п), создающая ток небаланса Iнб п. Его величина может быть точно измерена, она имеет максимальное значение при нормальном напряжении сети.
П р и з а м 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 Iр = 3 I0.
При симметри чных к . з . и н агр узке ток в реле дол жен отсутствовать, однако из-за иесимметрии расположения первичных токопроводов во вторичных обмотках ТНП возникает э. д. с. небаланса Енб нес, обусловливающая появление в реле тока Iнб.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 Iнб.нес ,вторая — подмагничиванием Iнб.подм.
Теоретический анализ [Л. 37] и эксперименты показывают, что Енб нес, а следовательно,
и Iнб.нес пропорциональны величине первичного тока, т. е. Енб нес = к1перв.. Расположение вторичной обмотки на магнитопроводе ТНП подобрано с таким расчетом, чтобы Iнб.нес имел
минимальное значение.
Благодаря этому при нагрузке Iнб.нес не превышает 2—3 мА, при к. з. он соответственно возрастает пропорционально Iк.
Число в и т к о в в т о р и ч н о й о б м о т к и выбирается из расчета, чтобы сопротивление намагничивания ТНП равнялось сопротивлению реле (zтнп = zp). Как известно, при этом условии обеспечивается отдача максимальной мощности от источника питания (вторичной обмотки ТНП) в нагрузку (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 располо-
373
жения 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 kвоз.
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. Ч у в - с т в и т е л ь н о е р е л е 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 Iс.з и 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). Г р у б о е т о к о в о е р е л е 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.
О б м о т к а п о д м а г н и ч и в а н и я 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).
Б л о к и р о в к а 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 Iнб, появляющегося при шунтировании обмотки реле 1, необходимо или выбрать Iс.р реле 2 больше повышенного Iнб, или ввести при действии блокировки в токовую цепь защиты сопротивление zдоп, равное сопротивлению реле 1, благодаря
чему сопротивление цепи, а следовательно, и Iнб остаются неизменными. Ввод zдоп осуществляется контактом реле 3, как показано на схеме пунктиром.
Применяя в качестве чувствительного реле 1 РТЗ-50 с kвоз = 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 сраба-
тывания 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 ICГ, обусловленный замыканием на землю, и ток небаланса Iнб, вызванный токами к. з., протекающими через ТНП от генератора к месту повреждения. Е с л и б л о к и р о в к а , выводящая чувствительный комплект защиты, р а з м ы к а е т т о л ь к о ее о п е р а т и в н у ю ц е п ь , то токовое реле 1 может замкнуть свои контакты под действием появившихся в нем токов ICГ и Iнб. После отключения к. з. блокировка возвращается, восстанавливая оперативную цепь, и поэтому необходимо обеспечить возврат реле 1 при прохождении по нему оставшихся токов ICГ + Iнб.
Ток Iсг обусловлен оставшимся замыканием на землю (в точке К1), а ток Iнб — протеканием через ТНП токов нагрузки генератора IН. Вследствие самозапуска двигателей, происходящего при восстановлении напряжения в сети, ток IН может иметь повышенное значение.
Исходя |
из сказанного, Iс.з выбирается из условия |
в о з в р а т а |
р е л е 1 при прохождении по нему то- |
ка Iр = Iсг + Iнб.
С учетом коэффициента возврата квоэ и соответствующих коэффициентов надежности
где Iсг — 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; Iнб (бл) — ток небаланса при токе нагрузки генератора в послеаварийном режиме, в худшем случае ток IН равен 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
Iс.З2> Iр.макс = к'н IС+ к"н Iнб.к.
377
На основании анализа и опыта эксплуатации рекомендуется принимать первичный ток срабатывания Iс.З2= 100 А. При этом грубое токовое реле с большим запасом отстраивается ОТ Iр.макс.
г) Повышение чувствительности защиты от замыканий на землю
Н а м о щ н ы х г е н е р а т о р а х (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.
15-5. ЗАЩИТА ОТ СВЕРХТОКОВ ПРИ ВНЕШНИХ К. 3. И ПЕРЕГРУЗКАХ
а) Назначение и виды защит от внешних к. з.
Защита генераторов от внешних к. з. служит для отключения генераторов при повреждениях на сборных шинах электростанции или на отходящих от них присоединениях.
Нормально указанные к. з. отключаются защитой поврежденных элементов (т. е. шин или линий и трансформаторов), поэтому защита на генераторах от внешних к. з. является резервной и работает только в случае отказа защиты или выключателей этих элементов.
В тех случаях, когда сборные шины генераторного напряжения не имеют специальной защиты, защита генератора от внешних к. з. служит основной защитой генератора от повреждений на шинах и резервной при повреждении на присоединениях.
Защита от внешних к.з. д о п о л н и т е л ь н о используется для резервирования дифференциальной защиты генератора при междуфазных к. з. в нем.
Таким образом, в зону действия защиты от внешних к. з. должны входить: генератор, сборные шины и отходящие от них присоединения.
Выполняя функции резервной защиты генератора, защита от внешних к. з. должна действовать на отключение генератора и АГП.
К защите от внешних к. з. предъявляется одно очень важное требование — она не должна работать при перегрузках и качаниях.
При несоблюдении этого условия могут происходить массовые отключения генераторов при неопасных для них перегрузках и качаниях, что приводит к дефициту генераторной мощности и тяжелым авариям в энергосистемах.
В соответствии с поставленными требованиями в качестве защиты генераторов от внешних к. з. в настоящее время применяются максимальные токовые защиты с блокировкой (или пуском) от реле напряжения и защита обратной последовательности (реагирующая на ток /2) с дополнительной приставкой, действующей при трехфазных повреждениях.
Простая максимальная токовая защита (без блокирующих реле напряжения) реагирует на кратковременные и неопасные перегрузки и поэтому не должна применяться на генераторах, отключение которых при перегрузках и качаниях недопустимо.
б) Максимальная защита с блокировкой (пуском) по напряжению
Защита выполняется в двух вариантах: с блокировкой, осуществляемой с помощью трех реле минимального напряжения Н (рис. 15-27), и с блокировкой, выполненной по комбинированной схеме, состоящей из реле напряжения обратной последовательности Н2 и одного реле минимального напряжения Н, включенного на линейное напряжение (рис. 1528).
В обеих схемах токовые реле Т питаются от трансформаторов тока, расположенных на нулевых выводах генератора. При таком подключении максимальная защита не только реагирует на внешние к. з., но и резервирует дифференциальную защиту генератора, действуя от тока генератора при повреждении в нем.
Включение токовых реле на трансформаторы тока со стороны шинных выводов генератора нецелесообразно с точки зрения защиты самого генератора. В этом случае при повреждении в обмотках генератора защита действует только при наличии тока из сети. Если ток со стороны сети отсутствует (из-за отсутствия параллельно работающих генераторов или связи с системой) или прекратился вследствие отключения связи с другими генераторами раньше, чем сработала максимальная защита поврежденного генератора, то она не сможет подействовать и не ликвидирует повреждения в генераторе.
Максимальная защита может устанавливаться только па двух фазах. Однако по сооб-
ражениям повышения надежности и чувствительности ее устанавливают на трех фазах. Токовые реле применяются мгновенные. Индукционные реле с зависимой характеристикой могут срабатывать при качаниях, так как они суммируют импульсы тока качаний, не успевая возвращаться в промежутках между ними. Поэтому зависимые реле в максимальной защите генератора не применяются.
Реле минимального напряжения питаются от генераторного трансформатора напряжения. Питание от трансформаторов напряжения на шинах станции не применяется, так как при этом защита не действует при повреждении на отключенном от шин генераторе.
Реле напряжения Н включаются на междуфазные напряжения для большей чувствительности при междуфазных к. з. Для обеспечения действия блокировки при двухфазных к. з. необходимо устанавливать три реле напряжения (рис. 15-27).
В обеих схемах блокировка по напряжению служит для исключения действия защи-
ты при перегрузках. |
|
В с х е м е на р и с . 15-27 |
при к. з. вследствие возрастания тока и снижения |
напряжения работают как реле Т1 |
так и реле Н и защита действует с выдержкой, уста- |
новленной на реле времени В1 на отключение генератора и АГП. При перегрузках, не сопровождающихся понижением напряжения, реле Н не действует, чем предотвращается нежелательная в этих случаях работа защиты.
В с х е м е на р и с . 15-28 реле минимального напряжения Н питается междуфазным напряжением через нормально замкнутые контакты реле Н2. Реле Н2 включено через фильтр обратной последовательности на напряжение U2. При несимметричных к. з. появляется напряжение U2 и реле Н2 срабатывает, снимая напряжение с реле Н. Последнее замыкает свои контакты и разрешает токовым реле подействовать на отключение. При симметричном к. з. реле Н2 размыкает свои контакты кратковременно. Реле Н - успевает сработать, но затем после исчезновения несимметрии и возврата Н2 поведение реле Н будет зависеть от уровня остаточного напряжения U к на его зажимах.
Если Uк < UВОЗ реле Н, то оно останется в сработанном состоянии и разрешит действовать защите. Если же Uк> Uвоз, то реле Н возвратится и защита не сможет подействовать. Таким образом, чувствительность блокировки при симметричных к. з. определяется
не Uс.р, а UБОЗ реле Н. Поскольку UВ03 < Uс.р на 10—15%, то, следовательно, при симметричных к. з. схема с комбинированным пуском чувствительнее, чем схема с обычной блокировкой
на рис. 15-27.
Пр и н е с и м м е т р и ч н ы х к. з. схема с реле Н2 также чувствительнее обычной схемы за счет большей чувствительности реле Н2 по сравнению с реле Н.
Пр и с и м м е т р и ч н ы х п е р е г р у з к а х реле Н2 и Н не действуют, запре-
