Н.В. Чернобровов Релейная защита

3. Д л я п о в ы ш е н и я ч у в с т в и т е л ь н о с т и к наиболее частым внешним к. з. — однофазным — устанавливается защита нулевой последовательности, реагирующая на I0 или U0, рассмотренная в § 16-2, г.

На в с е х б л о к а х генератор и трансформатор (рис. 17-1, а) образуют единый агрегат, поэтому защита от внешних к. з. на стороне низшего напряжения повысительного трансформатора не устанавливается, ее функции выполняет аналогичная защита генератора, которая является в этом случае резервной защитой всего блока. Необходимость защит от внешних к. з. на стороне высшего и среднего напряжения повысительного трансформатора, а также на трансформаторе собственных нужд зависит от схемы блока и расположения выключателей.

На блоках с двухобмоточным повысительным трансформатором (рис. 17-1, а, б)

устанавливается только один комплект защиты от внешних к. з. Он включается на трансформаторы тока, расположенные на нулевых выводах генератора. При таком размещении защиты все элементы блока попадают в ее зону, что позволяет защите от внешних к. з. блока резервировать защиты от внутренних повреждений генератора и трансформатора блока. Защита действует на выключатель блока В1 и АГП генератора. На рис. 17-3, а приведена схема размещения и действия защиты от внешних к. з. Последняя условно изображена в виде реле 2 и реле времени 3 и 4. Схема и тип защиты, как было указано выше, зависят от мощности генератора блока. Защита имеет две выдержки времени t1 и t2, согласованные по условию селективности с защитами присоединений, питающихся от шин электростанции. При неотключившемся к. з. на шинах станции или в сети высшего напряжения защита от внешних к. з. отключает с меньшей выдержкой t1 (установленной на реле времени 3) выключатель блока В1, после чего защита прекращает свое действие, блок остается в работе, питая собственные нужды. Если же к. з. возникло на элементах блока, то при отказе дифференциальной защиты поврежденного элемента резервная защита блока отключает его от сети с выдержкой времени t1, а затем с большей выдержкой t2 = t1 + ∆t (реле времени 4) подействует на прекращение питания места к. з. от генератора и остановку блока (отключение В1, АГП, останов котла и турбины).

Реле напряжения максимальной защиты с пуском по напряжению обычно питается от трансформатора напряжения ТН1, подключенного к выводам генератора. Для повышения чувствительности к к. з. на стороне высшего напряжения реле напряжения необходимо

451

подключить и к ТН2 на шинах блока.

От внешних к. з. на землю в сети высшего напряжения устанавливается специальная чувствительная защита, реагирующая на ток или напряжение нулевой последовательности. Эта защита служит дополнением к защите от несимметричных к. з., которая обычно имеет недостаточную чувствительность при однофазных к. з. Защита нулевой последовательности резервирует отключение к. з. на землю на шинах блока и в подключенной к ним сети.

Если обмотка высшего напряжения трансформатора блока заземлена, как показано на рис. 17-3, а, то устанавливается токовая защита нулевой последовательности (реле 5, 6 и 7), действующая с выдержкой времени на отключение выключателя блока В1.

Если нейтраль трансформатора не заземлена или трансформатор может работать в режиме заземленной и разземленной нейтрали предусматривается защита, отключающая трансформатор при замыканиях на землю в сети высшего напряжения в случае отказа соответствующих защит поврежденного элемента (шин или линий) с выдержкой времени меньшей, чем на защите других блоков станции, работающих с заземленной нейтралью. Указанная защита выполняется так же, как и на повысительных трансформаторах (§ 16-2, д).

Защита I0 от внешних к. з. (5) имеет также как и защита 2 две выдержки времени: t1 и t2 (рис. 17-3, а). При к. з. на шинах или неотключившемся к. з. в сети высшего напряжения защита блока отключает с меньшей выдержкой времени t1 выключатель блока В1, сохраняя при этом питание собственных нужд блока. Короткие замыкания на элементах блока в случае отказа дифференциальной защиты ликвидируются защитой с выдержкой времени t2, при этом отключается весь блок, т. е. АГП, выключатель В1, трансформатор с. н., котел и турбина. Если защита блока 2 имеет недостаточную чувствительность к к. з. за трансформатором с. н., то со стороны генераторного напряжения трансформатора с. н. устанавливается максимальная защита 8, надежно действующая при указанных повреждениях.

На блоках с трехобмоточным повысительным трансформатором (рис. 17-1, г и 17-3,

б) кроме защиты 1 от внешних к. з. на генераторе устанавливаются дополнительно защиты 2 и 3 на обмотках среднего и высшего напряжения трансформатора для селективного отключения к. з. на шинах и линиях, питающихся от этих обмоток. При наличии питания со всех сторон трансформатора для селективного отключения внешних к. з. защиту одной из обмоток следует выполнять направленной.

В целях упрощения на блоках с трехобмоточными трансформаторами можно не ставить защиту 2 на стороне высшего напряжения, как показано на рис. 17-3, б, используя вместо нее защиту генератора 1, которая в этом случае выполняется с двумя выдержками времени (t1 и t2), Чтобы обеспечить селективное действие защит 1 и 3 при внешних к. з. (в сети среднего или высшего напряжения), их выдержки времени должны удовлетворять условию t3 < t1 < t2.

На мощных трехобмоточных блоках для повышения чувствительности к внешним двухфазным к. з. на обмотке высшего напряжения иногда устанавливается токовая защита обратной последовательности. При необходимости она выполняется направленной.

На сдвоенных блоках (рис. 17-1, д) с выключателями на каждом генераторе защита от внешних симметричных и несимметричных к. з. и перегрузок устанавливается на обоих генераторах. На каждом трансформаторе блока предусматривается защита нулевой последовательности от к. з. на землю в сети высшего напряжения. Эти защиты имеют две выдержки времени и действуют с меньшей выдержкой на отключение выключателя блока, а с большей — на отключение своего генератора. Кроме того, на сдвоенных блоках рекомендуется ставить д о п о л н и т е л ь н у ю максимальную защиту для резервирования дифференциальной защиты трансформатора в режиме, когда генератор этого трансформатора отключен. В этом режиме резервная защита своего генератора не будет работать, а защита спаренного блока нечувствительна к к. з. на стороне низшего напряжения трансформатора первого блока.

452

Защита выполняется в виде двухфазной токовой максимальной защиты (реле 1 и 3 на рис. 17-4). Нормально эта защита отключена, так как она может неправильно работать при перегрузках и качаниях. Защита вводится в работу автоматически в режиме, когда один из генераторов блока отключен. Эта операция выполняется с помощью токового реле 2, реагирующего на исчезновение тока в трех фазах генератора.

б) Защита от повышения напряжения

На блоках с гидрогенераторами защита от повышения напряжения выполняется по § 15-6. На блоках с мощными турбогенераторами и трансформаторами появилась необходимость в установке защиты от повышения напряжения. В связи с интенсивным использованием стали магнитных систем на крупных машинах и трансформаторах заводыизготовители допускают значения магнитной индукции, близкие к началу насыщения стали магнитопроводов. На таких генераторах и трансформаторах повышение напряжения сверх номинального вызывает увеличение магнитной индукции и магнитного потока и

как следствие этого повышенный нагрев магнитопроводов трансформаторов и генераторов.

Опасное повышение напряжения возможно в режиме холостого хода блока или при внезапном отключении блока от сети. В первом случае повышение напряжения возможно из-за увеличения возбуждения вследствие ошибочных действий персонала или работы регулятора возбуждения, во-втором из-за увеличения оборотов машины, исчезновения тока нагрузки и отказа в работе регулятора возбуждения. З а щ и т а в ы п о л н я е т с я с помощью реле напряжения 1 (рис. 17-5). Опасным повышением напряжения для современных трансформаторов считается его увеличение на 20—30% сверх номинального. Поэтому на защите устанавлива-

ется Uс . з = 1,2 Uном и t3 = 3 с. Но при таких уставках защита может ложно работать от кратковременных повышений напряжения во

время качаний и форсировке возбуждения. Учитывая это, защита от повышения напряжения' на блоках с турбогенераторами вводит-

напряжения 1 при исчезновении тока в трех фазах блока одновременно.

В качестве реле напряжения используется реле типа РН-58/200 с kвоз = 0,95. В качестве блокирующего реле 2 применяется трехфазное токовое реле типа РТ-40/Р. Повышение магнитной индукции Вт возможно не только при увеличении напряжения, но и при резком сни-

В связи с этим в зарубежной практике применяется защита, реагирующая на от-

.

ношение U/ f .

в) Дифференциальная защита на блоках генератор—трансформатор

Дифференциальная защита блока. Д л я з а щ и т ы от к. з. в генераторе и трансформаторе блока устанавливается общий комплект дифференциальной защиты, охватывающий генератор и трансформатор, как это показано на рис. 17-6.

На б л о к а х с о т в е т в л е н и е м к трансформатору собственных нужд без выключателя (рис. 17-6, а) дифференциальная защита блока выполняется по упрощенной схеме без трансформаторов тока на ответвлении. В этом случае при к. з. в трансформаторе собственных нужд или в питающейся от него сети в реле защиты появляется ток, равный сумме токов, проходящих к месту к. з. от генератора и от системы:

453

щими торможение (реле типа ДЗТ-5), по схеме приведенной на рис. 15-11.

При наличии дифференциальной защиты генератора дифференциальная защита блока является резервной быстродействующей защитой для генератора. Такое усложнение и дублирование защит генераторов считают оправданными, учитывая большую мощность генератора и обусловленную этим его высокую стоимость.

Как видно из рис. 17-6, б, при установке дифференциальной защиты генератора и блока на нулевых выводах генератора необходимо устанавливать два трансформатора тока. Это вызывается тем, что трансформаторы тока выполняются не больше чем с двумя сердечниками, а с учетом защиты от внешних к. з. 3 для раздельного питания цепей указанных защит нужно иметь три самостоятельных сердечника.

На м о щ н ы х г е н е р а т о р а х 300 МВт и больше размещение двух трансформаторов тока в нуле генератора оказывается довольно трудным по конструктивным причинам. В таких случаях (рис. 17-6, в) в нуле генератора устанавливается один трансформатор тока, от обмоток которого питаются дифференциальная защита генератора 2 и защита от внешних к. з. 3. В м е с т о з а щ и т ы б л о к а устанавливается защита трансформатора 1.

На блоках, выполненных по схеме на рис. 17-1, г и д, каждый генератор должен иметь самостоятельную дифференциальную защиту по условию селективности. Для трансформатора устанавливается отдельная дифференциальная защита.

Дифференциальная защита повысительного трансформатора. В схемах блоков,

имеющих на генераторе выключатель (рис. 17-1, б, в) на повысительном трансформаторе устанавливается самостоятельная дифференциальная защита. Дифференциальная защита блока в этом случае не ставится. Для улучшения отстройки от токов небаланса на трехобмоточных трансформаторах или на трансформаторах с двумя выключателями на стороне высшего напряжения применяются (если это нужно) дифференциальные реле с торможением.

в) Защита от повреждения вводов 500 и 750 кВ трансформаторов

Повреждение вводов 500 кВ является тяжелой аварией трансформатора. Очень часто повреждение изоляции ввода сопровождается его взрывом, в результате которого возникает пожар трансформатора, причиняющий большие разрушения. Ремонт или замена трансформаторов 500 кВ и особенно 750 кВ, отличающихся большой мощностью (240—800 мВ·А), обходится очень дорого и требует значительного времени. Поэтому для трансформаторов 500—750 кВ целесообразно применять защиту, реагирующую на повреждение изоляции вводов, позволяющую обнаружить повреждение изоляции в начальной стадии и предотвратить таким образом тяжелую аварию.

З а щ и т а о с н о в а н а на использовании конструктивных особенностей бумажномасляных вводов. Бумажно-масляный ввод (рис. 17-7, а) состоит из концентрических слоев пропитанной маслом бумажной изоляции 1, охватывающей токоведущий стержень 2. Для равномерного распределения напряженности электрического поля внутри ввода через определенное количество слоев изолирующей бумаги закладываются листы алюминиевой фольги 3. При такой конструкции каждые два соседних листа фольги с изоляцией между ними образуют конденсатор с емкостью С, а ввод в целом представляет систему последовательно включенных емкостей С между токоведущим стержнем 2 и фланцем 4. Такой ввод обладает результирующей емкостью Св. Емкостный ток ввода, возникающий под действием приложенного к вводу фазного напряжения Uф, равен:

При повреждении изоляции ввода часть емкостей С шунтируется и емкостный ток 1с

возрастает. Таким образом, увеличение тока 1с является признаком повреждения изоляции ввода.

Схема защиты ввода показана на рис. 17-7, б. Принцип действия защиты основан на измерении абсолютного значения геометрической суммы емкостных токов вводов трех фаз

455

трансформатора: 1с( А ) + 1с( В ) + 1с( С ) . Для этого наружные обкладки К вводов трех фаз соединяются в звезду и общая точка звезды с помощью нулевого провода 00' соединяется с землей. В нулевой провод включается трансформатор тока Т1. Во вто-

Iр. Реле Р1 и Р2 действуют с выдержкой времени, создаваемой реле времени В1 и В2. Для обеспечения термической устойчивости реле Р2 и миллиамперметр тА включаются на ток Iр через вспомогательный насыщающийся трансформатор Т2.

В н о р м а л ь н о м р е ж и м е емкостные токи всех фаз равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°, если емкости вводов одинаковы, а приложенные к ним напряжения UА, UВ и UС равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°. При этих условиях ток в реле Р1 и Р2 Iр = 0. Однако в действительности фазные напряжения имеют небольшую асимметрию, емкости вводов не точно одинаковы, а кривая фазных напряжений содержит гармоники, поэтому сумма емкостных токов вводов трех фаз отличается от нуля. В н у л е в о м п р о в о д е в нормальном режиме

проходит т о к н е б а л а н с а Iнб(н.р), состоящий из двух слагающих: I'нб, обусловленного неравенством напряжений и емкостей вводов, и I˝нб, вызванного третьими и

кратными им гармониками:

Для уменьшения I'нб в первичной обмотке Т1 предусмотрены ответвления. Подсоединяя провода фаз к разным ответвлениям, можно уравнять н. с, создаваемые током IС каждой фазы, и свести к нулю или уменьшить I'нб.

Для уменьшения I˝нб реле включает через фильтры Ф, пропускающие первую гармонику с частотой 50 Гц и ограничивающие прохождение в реле токов высших гармоник.

П р и н е с и м м е т р и ч н о м к. з. во в н е ш н е й с е т и фазные напряжения искажаются по величине и фазе, соответственно нарушаются симметрия и равенство емкостных токов вводов трансформаторов. В результате этого во время к. з. в сети в реле появляется ток неб аланса:

При металлическом двухфазном к. з. на землю (например, фаз В и С) вблизи трансформатора небаланс достигает максимума:

так как при этом напряжения поврежденных фаз UВ и UC = 0.

456

Д л я и с к л ю ч е н и я л о ж н о й р а б о т ы защиты под действием токов небаланса необходимо выполнить условия

. .

При повреждении изоляции одного в в о д а баланс токов нарушается: I с(А) + I С(В)

.

+ I с(С)≠ 0, в реле появляется остаточный ток — ток повреждения: Iр = ΣIC = Iпов. Реле приходит в действие, если Iпов > Iс.р.С помощью миллиамперметра тА осуществляется

периодический контроль за током в нулевом проводе (в реле). Увеличение тока Iр указывает на появление повреждения во вводе или на нарушение токовых цепей защиты, последнее может привести к ложной работе з ащиты.

Выбор уставок. Ток срабатывания с и г н а л ь н о г о р е л е Р1 должен быть отстроен от небаланса в нормальном режиме:

где kн — коэффициент надежности, равный 2.

По опыту эксплуатации Iн.б(н.р) ≈ 3 ÷ 5 мА. Для исключения ложной работы Р1 при к. з. в сети под действием Iн.б(к) вводится выдержка времени tР1 > tК, здесь tК — максимальное время отключения к. з. в сети.

Ток срабатывания о т к л ю ч а ю щ е г о р е л е Р2 должен быть больше тока небаланса при к. з. в сети. С учетом (17 -3)

где пт1 — коэффициент трансформации Т1, nт1 = 101 . Для вводов, современной кон-

струкции Iс(ф) ≈ 1А. Выдержка времени выбирается минимальной tр2 = 0,5 с для отстройки от бросков зарядного тока во вводах. Защита на рассмотренном принц и- пе типа

КИВ-500Р выпускается Чебоксарским электроаппаратным заводом. В качестве реле Р1 и Р2 в вышеуказанной защите применяются реле типа РТ-40/Ф. Ведется разработка более чувствительной защиты на полупроводниках элементах.

г) Защита генераторов блоков от замыканий на землю

Токи и напряжения нулевой последовательности, появляющиеся на генераторной стороне блоков при замыканиях на землю.

Для выяснения возможных принципов выполнения защиты необходимо представлять величину токов и напряжений нулевой последовательности, появлякщихся в цепях генераторного напряжения блоков во время замыканий на землю в сети высшего напряжения и в самом генераторе. При этом нужно учитывать две особенности блочных схем.

1)Блочные генераторы по принятым в Советском Союзе правилам работают с изолированной или с заземленной через дугогасящую катушку нейтралью.

2)Генераторы блоков связаны с сетью высшего напряжения через повысительный трансформатор. При такой схеме генератор не имеет электрической связи с сетью высшего напряжения, он связан с ней посредством электромагнитной индукции между об-

мотками трансформатора и электростатической индукции через емкость Ст1 между этими же обмотками (рис. 17-8, а).

457

шин) (рис. 17-8, а, в):

Поскольку Uoк1 пропорционально α, то Io ≡ α.

При изменении α от 0 до 1 напряжение Uог меняется от 0 до Uог.макс = Uф.г и ток в месте замыкания 13 = 310 меняется от 0 до максимального значения, определяемого величиной Uф.г:

Характер зависимости Uог и I3 от α показан на рис. 17-8, г. Величина емкостей элементов сети генераторного напряжения невелика, поэтому в месте замыкания на землю /3 = 310 относительно мал. Максимальное значение 13 достигает 5 ÷ 10 А.

Защита и ее принцип действия. С учетом приведенного выше анализа величин токов и напряжений нулевой последовательности, возникающих на генераторной стороне блоков при замыканиях на землю в сети и в генераторе, в Советском Союзе широко применяется простая защита, реагирующая на появление U0 на зажимах генератора. Селективность этой защиты при замыканиях на землю в сети, питающейся от блока, обеспечивается отстройкой от появляющегося при этом напряжения U0Г на зажимах генератора.

Схемы защиты приведены на рис. 17-9. Защита состоит из реле напряжения 1, реагирующего на U0 реле времени 2 и вольтметра 3.

Реле напряжения 1 включается на фильтр напряжения нулевой последовательности. В качестве такого фильтра обычно служит трансформатор напряжения ТН с соединением первичной обмотки в звезду, а вторичной — в разомкнутый треугольник. Для правильной работы фильтра нейтраль первичной обмотки должна быть обязательно заземленной

. . . . .

(§ 6-3). Напряжение на разомкнутом треугольнике U ∆= U А+ U В + U с = 3U 0. Трансформатор напряжения ТН устанавливается на выводах генератора. В качестве

второго варианта включения реле 1 приведена схема на рис. 17-9, б. Здесь реле 1 питается от трансформатора напряжения в нейтрали генератора. В нормальных условиях напряжение нейтрали равно нулю, поэтому напряжение на вторичной обмотке ТН отсутствует. При замыканиях на землю в нейтрали появляется напряжение 110, которое трансформируется на вторичную сторону ТН.

Обычно применяется схема по рис. 17-9, а, поскольку она использует имеющийся ТН для измерений. Рассмотрим ее работу.

В н о р м а л ь н ы х у с л о в и я х напряжение U0 = 0 и реле 1 по принципу сво-

459

его действия не должно работать. Однако из-за погрешности в трансформации ТН и наличия третьих гармоник в напряжении, возникающих вследствие искажения синусоидальной формы кривой фазных э. д. с. генератора, на зажимах разомкнутого треугольника появляется н а п р я ж е н и е н е б а л а н с а :

где Uн.бтн — напряжение небаланса из-за погрешности ТН; U03 — напряжение третьей гармоники на зажимах генератора.

Для исключения работы защиты напряжение срабатывания реле 1 должно удовлетворять условию

П р и в н е ш н и х з а м ы к а н и я х н а з е м л ю за трансформаторами блока на стороне генераторного напряжения появляется Uог = IoхСΣ, к которому добавляется напряжение ∆U03 третьей гармонической.

Для исключения ложной работы защиты необходимо иметь:

П р и з а м ы к а н и и на к о р п у с о б м о т к и г е н е р а т о р а появляется напряжение UОГ = αUф,.г. Защита приходит в действие при условии, что 3Uoг > Uс. з.

Таким образом, рассмотренная защита имеет зону нечувствительности (мертвую зо-

ну) — о н а не д е й с т в у е т , если UСЗ < 3 UОГ = ахUф.г. Здесь ах — число витков, при которых напряжение С/Ог недостаточно для действия защиты, в процентах от полного числа

Для уменьшения мертвой зоны нужно уменьшать Uс.з. Однако уменьшение Uс.з ограничивается условием селективности (17-6).

Д л я п о в ы ш е н и я ч у в с т в и т е л ь н о с т и защиты на мощных генераторах

— 300, 500 МВт и больше реле напряжения целесообразно включать через фильтр, не пропускающий напряжение третьих гармоник.

Подобная схема осуществляется с помощью реле напряжения РНН-57, включаемого через фильтр Ф, как показано на рис. 17-9, в. При частоте 50 Гц реле действует при напряжении U0 4—8 В, а при частоте 150 Гц (третья гармоника) — загрубляется примерно в 8 раз. При наличии фильтра в выражениях (17 -4) и (17-6) не учитывается составляющая U03, что позволяет повысить чувствительность защиты.

По п р и н ц и п у д е й с т в и я защита может работать мгновенно, так как она отстроена от внешних замыканий на землю по напряжению срабатывания.

Однако для большей надежности из-за опасения появления феррорезонансного повышения напряжения в схеме предусмотрено реле времени 3, позволяющее отстроиться от внешних к. з. на землю с выдержкой времени t3.

Выдержка t3 принимается на ступень ∆t больше времени действия tл защит линий от замыканий на землю:

Вследствие малой величины тока замыкания на землю (порядка 5А) такое замедление не может привести к развитию повреждения в генераторе. При токах замыкания на землю до 5 А защита выполняется с действием на сигнал, поскольку такой ток может допускаться длительное время, так как он не вызывает разрушения стали статора (см. § 9-2). На м о щ -

н ы х г е н е р а т о р а х , особенно 300 МВт и выше, защиту целесообразно выполнять с действием н а о т к л ю ч е н и е . Это позволит предотвратить развитие повреждения и обеспечить резервирование защиты от витковых замыканий. Витковые замыкания являются тяжелым видом повреждения и очень часто сопровождаются замыканиями на землю. Защита от витковых повреждений не имеет резервирования другими защитами. В случае отказа в

460