работе витковой защиты повреждение будет развиваться, пока не перейдет в замыкание между фазами, на. которое реагирует дифференциальная защита. Действие на отключение должно также предусматриваться, если ток замыкания на землю превосходит 5А.
Д в у х с т у п е н ч а т а я защита для мощных блоков с действием на сигнал и отключение показана на рис. 17-9, в. Реле Н2 включено через фильтр Ф, не пропускающий токи высших гармоник. Вольтметр служит для контроля за исправностью цепей трансформатора напряжения, для контроля за изоляцией статора при включении генератора в сеть и для определения числа замкнувшихся витков фазы статора при действии защиты на сигнал.
Из п р и н ц и п а р а б о т ы защиты вытекает, что она будет действовать при замыканиях на землю не только в генераторах, но и на всех элементах генераторного напряжения (обмотках генераторного напряжения трансформаторов блока и собственных нужд и соединительных связях между ними и генератором).
Выбор уставок [Л. 6]. Напряжение срабатывания выбирается по условию селективности при замыканиях на землю в сети высшего напряжения (17-6).
Действующее значение напряжения срабатывания реле
где 
U ог2 U 032 — результирующее действующее значение составляющих основной частоты
Uог и третьей гармоники U03 [Л.29]; кн — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,3—1,5; пн — коэффициент трансформации ТН.
На основании опыта эксплуатации Uс.з принимается в схемах без фильтра третьей гармоники равным 10—15 В. В схемах с фильтром Uс.з = 4 ÷ 6 В.
Время действия защиты выбирается по выражению (17-7).
Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь з а щ и т ы характеризуется процентом витков обмотки статора а, не попавших в зону защиты, или, иначе говоря, зоной нечувствительности защиты, называемой м е р т в о й з о н о й . Защита не работает, если напряжение 3 U0 < Uс.з Чем ближе к нейтрали возникло повреждение, тем меньше напряжение U0 (см. рис. 17-8, г), поэтому мертвая зона защиты располагается вблизи нейтрали генератора. Граница мертвой зоны определяется из условия 3 U0 = Uс.з, такому напряжению соответствует число замкнувшихся на землю витков αм.3. Считая, что α = U0 и при α = 100% напряжение U0 = Uф, находим число витков, при котором защита не действует:
Зона нечувствительности может находиться графическим способом, как показано на рис. 17-8, г. Для уменьшения мертвой зоны необходимо уменьшать Uс.з. Однако чувствительность защиты ограничена условием (17-6), поэтому защита нулевой последовательности всегда имеет мертвую зону (примерно 5—15% витков) вблизи нейтрали генераторов.
Защита, не имеющая зоны нечувствительности (мертвой зоны). На мощных генера-
торах с непосредственным охлаждением имеется повышенная возможность повреждения изоляции и появления замыкания на землю в любой точке обмотки статора, в том числе и вблизи нейтрали генератора. Если защита не реагирует на эти повреждения, то с течением времени они переходят в витковые замыкания, а затем в междуфазные короткие замыкания, которые обычно сопровождаются значительными разрушениями. По этой причине для мощных и дорогостоящих генераторов 300—500—800 МВт и более признано необходимым применять защиту от замыкания на землю2 не и м е ю щ у ю м е р т в о й з о н ы . Разработки подобной защиты ведутся в СССР и за рубежом. Для создания защиты, охватывающей всю обмотку статора, необходимо найти пути получения напряжения и тока, на которые могла бы реагировать защита при замыканиях на землю вблизи нейтрали генератора. Получение та-
ких напряжений и токов возможно тремя способами:
1) путем искусственного смещения напряжения нейтрали генератора (рис.
(3).
17-10, а). При замыкании на землю под действием напряжения смещения UСМ появляется дополнительный ток Icм, па который может реагировать защита;
2) подключением к нейтрали генератора или в обмотку разомкнутого треугольника ТН искусственно созданного напряжения Uк (рис. 17-10, б), контролирующего состояние изоляции статора. При замыкании на землю в любой точке обмотки статора под влиянием напряжения UК появляется ток 1К, вызывающий работу защиты. В качестве напряжения UК используется напряжение непромышленной частоты (например 100 или 20 Гц) или напряжение постоянного тока [Л. 1.15, 116];
3) использованием для действия защиты составляющих третьей гармоники, имеющихся в фазных э. д. с. генераторов [л. 117, 111].
В Советском Союзе начинается выпуск защит, реагирующих на третьи гармоники. Рассмотрим принцип их действия.
Защита, реагирующая на третьи гармоники. Пространственная кривая магнитно-
го поля (индукции В) в воздушном зазоре генераторов не точно синусоидальна и содержит гармоники, в том числе и т р е т ь ю . Как следствие этого, э. д. с. Еф, наводимая в фазах статора, имеет составляющие третьих гармоник Е Магнитное поле в воздушном зазоре создается н. с. ротора, а при наличии тока нагрузки и н. с. статора. Последняя изменяется с изменением нагрузки. В связи с этим величина э. д. с. Е{3) также меняется с изменением тока нагрузки. Испытание и расчеты показывают, что в современных мощных машинах э, д. с. третьей гармоники составляет 1—3% э. д. с. Еф и в зависимости от нагрузки она может снижаться в 2—3 раза [Л. 111].
На использовании третьей гармоники во ВНИИЭ Минэнерго СССР разработана защита от замыкания на землю, не имеющая зоны нечувствительности. Защита состоит из двух комплектов (блоков) К1 и К2 (рис. 17-11, а). Комплект К1 реагирует на напряжение нулевой последовательности и защищает около 85—90% витков. Второй комплект К2 реагирует на
напряжение третьей гармоники, он предназначен для работы в зоне нечувствительности первого комплекта К1.
П е р в ы й к о м п л е к т (рис. 17-6) выполнен по схеме, аналогичной приведенной на рис. 17-9, а. Измерительный орган комплекта К1 на рис. 17-11, а включен на напряжение 3U0 через фильтр Ф1, пропускающий только основную гармонику. Ток, полученный от фильтра Ф1, выпрямляется выпрямителем В и подается на зажимы т — п реагирующего реле. Это реле представляет собой триггер с одним устойчивым состоянием. Триггер работает аналогично рассмотренному в § 11-11, в. На выходе триггера установлено электромагнитное реле Р1. Напряжение срабатывания пускового органа регулируется в пределах от 5 до 15 В.
В т о р о й к о м п л е к т реагирует на отношение модулей (абсолютных значений) напряжений третьих гармоник
где UN — напряжение третьей гармоники, получаемое от трансформатора напряжения ТН1 (рис. 17-11, а), в нейтрали генератора N; U∆ — напряжение третьей гармоники утроенное, получаемое с зажимов разомкнутого трехугольника трансформатора напряжения ТН2; k — коэффициент равный 1/3.
Рассматривая схемы замещения (рис. 17-11, б и в) можно показать [Л. 111], что выражение (17-9а) пропорционально отношению сопротивления zN, замеренного со стороны нейтрали генератора между точкой N и землей, к удвоенному сопротивлению zC обмотки генератора относительно земли, т. е., что
где zN* — относительное сопротивление в нейтрали N генератора, на которое реагирует рассматриваемый комплект защиты К2.
В нормальных условиях (при отсутствии повреждения в статоре) zN (н. р) |
|
|
|
|
z1 |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
zC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
464 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пренебрегая активными составляющими z1 и zC, получим:
где L, z1 и х1 — индуктивность, полное и реактивное сопротивление первичной обмотки ТН1; С хС — емкость и сопротивление по отношению к земле одной фазы сети генераторного напряжения; ω3 — угловая частота третьей гармоники.
При этом сопротивлении (zN(н.р)) комплект К2 не должен действовать. Для этого необходимо выполнить условие zс.з < zN(н.р).
При металлическом замыкании в нейтрали генератора ТН1 оказывается зашунтированным. В этом случае напряжение UN = О, в результате чего zN = О и комплект К2 приходит в действие, так как zN < zс.з.
При удалении точки замыкания на землю от нейтрали N сопротивление zN увеличивается и приблизительно при α ≥ 50% комплект К2 перестанет действовать, так как zN станет больше zс.з. Но при таком повреждении надежно работает комплект защиты К1.
Рассмотренное реле сопротивления построено на сравнении абсолютных значений двух
. |
. |
. |
напряжений тормозного U N |
и рабочего kU +U N (рис. 17-12). Эти напряжения подво- |
дятся через фильтры третьей гармоники Ф к выпрямителям В2 и В1. Разность выпрям-
. |
. |
. |
ленных напряжений | kU |
+ U N | — | U N | подается на четырех-каскадный нуль-индикатор |
НИ, на выходе которого установлено исполнительное реле Р2 типа РП-211. Реле дей-
. |
. |
. |
ствует, если | kU |
+ U N | > | U N |. При замыкании на землю в нейтрали N UN = 0 и |
реле работает. На рассмотренном принципе ЧЭАЗ готовит выпуск защиты ЗЗГ-2. |
Во ВНИИЭ разработан |
в т о р о й в а р и а н т защиты с использованием составляю- |
щих третьей гармоники. Он основан на различии скорости изменения величины напряжения третьей гармоники U∆(3) изменении нагрузки и при возникновении замыкания на землю. В первом случае изменение величины U∆(3) происходит относительно медленно, а во втором — быстро. Это объясняется различием постоянных времени, определяющих скорость изменения электрических величин в переходном режиме. Измерительный орган защиты выполняется в виде реле, реагирующего на скорость изменения U∆(3), или, иначе говоря, на производную
dU (3) .
dt
Как и в предыдущем случае, защита состоит из двух комплектов: блока, реагирующе-
го на 3 U0, и блока третьей гармоники, реагирующего на dU (3) . Обе защиты должны dt
пройти проверку в условиях эксплуатации.
д) Взаимодействие с технологическими защитами блока
Выше отмечалось, что основные элементы блока: котел, турбина, генератор, трансформатор
— представляют единое целое. Отключение повысительного трансформатора или генератора означает прекращение работы блока и нарушение режима работы турбины и котла. В зависимости от причин отключения электрического оборудования блока и возможности его обратного включения возможен перевод тепловой части блока в один из двух режимов:
1)полной остановки турбины и погашения котла;
2)перевод, блока на холостой ход.
При повреждении генератора и повысительного трансформатора дальнейшая работа блока невозможна, поэтому защиты от внутренних повреждений генератора и повысительного трансформатора должны воздействовать через цепи технологических защит на остановку турбины и погашение котла.
При отключении блока вследствие к. з. в сети или перегрузки генератора целесообразен перевод турбины и котла в режим холостого хода, так как в этих случаях должны приниматься меры к быстрому включению блока в сеть. В соответствии с этим первые ступени защиты от внешних к. з. (действующих на отключение выключателя блока) должны одновременно воздействовать на перевод тепловой части блока в режим холостого хода.
е) Пуск от защиты устройств пожаротушения на повысительных трансформаторах блока
Мощные повысительные трансформаторы снабжаются автоматическими устройствами пожаротушения водой или многократной пеной. Пуск установок пожаротушения осуществляется от газовой и дифференциальной защит трансформатора (не блока). Пуск пожаротушения разрешается при действии указанных защит и фиксации (с помощью реле минимального напряжения) отсутствия
напряжения на трансформаторе. В руководящих указаниях [Л. 5 и 6] предусматривается пуск установки пожаротушения от защит трансформатора, реагирующих на их повреждение, с блокировкой от защиты замыкания на корпус трансформатора, рассмотренный в § 16-11. Такой способ пуска сложнее первого и обеспечивает действие устройства пожаротушения только при повреждениях, связанных с замыканием на землю. Оба способа пуска несовершенны — они приводят в действие установку пожаротушения при всех повреждениях в трансформаторе, в том числе и при повреждениях, не сопровождающихся пожаром. Схема пуска от защиты пожарной установки показана на рис. 17-13. Автоматический пуск
467
устройства пожаротушения от защиты должен выполняться на крупных трансформаторах и на трансформаторах, пожар которых может распространиться на соседние объекты.
ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ
ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 1
18-1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Релейная защита электродвигателей, так же как и защита генераторов и трансформаторов, должна реагировать на внутренние повреждения и опасные ненормальные режимы
[Л. 75, 76].
Весьма важно, чтобы электродвигатели не отключались защитой при неопасных ненормальных режимах, так как такие отключения могут иметь массовый характер и нанести большой ущерб промышленности.
Защиту электродвигателей следует выполнять простой и дешевой, так как применение дорогих защит не оправдывается. Для мощных электродвигателей 2 000 кВт и выше возможно применение более сложных защит.
Особое по своей ответственности место среди электродвигателей занимают электродвигатели механизмов собственных нужд электрических станций. Отключение этих электродвигателей из-за неправильного действия защиты может нарушить нормальную работу электро-
станции, поэтому защита электродвигателей ответственных механизмов электростанций должна отличаться особой надежностью.
Большое значение для бесперебойной работы промышленных предприятий и особенно собственных нужд электростанции имеет с а м о з а п у с к электродвигателей. Самозапуск электродвигателей заключается в том, что при кратковременном понижении напряжения в сети, питающей электродвигатели, они не отключаются и после восстановления напряжения вновь разворачиваются до нормальной скорости вращения (т. е. «сами запускаются»). Наиболее часто кратковременные понижения напряжения происходят в результате к. з. и при автоматическом переключении двигателей с одного источника питания на другой в результате действия АВР.
Возможность и большая эффективность самозапуска электродвигателей впервые были доказаны в СССР. Многолетняя практика эксплуатации электродвигателей в Советском Союзе опровергла мнение о недопустимости самозапуска, и в настоящее время самозапуск электродвигателей является обязательным [Л. 75].
В связи с этим защита электродвигателей должна обеспечивать возможность их самозапуска, т. е. она не должна преждевременно отключать электродвигатели как при понижении напряжения, так и при его восстановлении.
Наибольшее распространение как в промышленности, так и особенно на собственных нуждах электрических станций имеют асинхронные электродвигатели. Поэтому их защите в этой главе уделяется основное внимание.
Защита синхронных двигателей кратко рассматривается в § 18-11.
18-2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЗАЩИТ, ПРИМЕНЯЕМЫХ НА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ
Наиболее частыми повреждениями в электродвигателях являются междуфазные к. з. в обмотках статора. Междуфазные к. з. вызывают значительные разрушения и сопровождаются понижением напряжения в питающей сети с нарушением нормальной работы остальных потребителей. Поэтому защита электродвигателей от междуфазных повреждений является обязательной.
Однофазные замыкания обмотки статора на землю менее опасны, так как сети, от которых питаются электродвигатели, как правило, работают с изолированными нейтралями. Защита электродвигателей от замыкания на землю устанавливается в тех случаях, когда ток замыкания на землю достигает 5—10 А (см. ниже).
1 Эта глава написана совместно с Н. В. Виноградовым.
Специальные защиты от витковых замыканий в одной фазе статора не применяются, так как простых способов ее выполнения на сегодняшний день не существует.
Наиболее частым ненормальным режимом для электродвигателей является перегрузка током.
Прохождение повышенных токов сверх определенного времени опасно для электродвигателей. Поэтому на электродвигателях, подверженных перегрузкам, устанавливается защита от перегрузки, которая в зависимости от условий работы и обслуживания электродвигателей выполняется действующей на сигнал, разгрузку приводимого механизма или отключение электродвигателя.
В некоторых случаях является недопустимым или нежелательным самозапуск электродвигателей при восстановлении напряжения после кратковременного его исчезновения. Такое положение может иметь место по условиям технологии производства или безопасности персонала, а также бывает необходимо для ограничения токов самозапуска путем отключения части малоответственных электродвигателей (см. § 18-3). На таких электродвигателях устанавливается защита минимального напряжения, действующая на их отключение.
18-3. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
В р а щ а ю щ и й м о м е н т э л е к т р о д в и г а т е л е й и м о м е н т с о п р о - т и в л е н и я м е х а н и з м а . Нормальный установившийся режим работы электродвигателя характеризуется равенством момента Мд , развиваемого электродвигателем, и момента сопротивления Мс механизма, приводимого электродвигателем:
Мд = МС.
(18-1)
Если Мд < Мс, то электродвигатель будет тормозиться, а если Мд> Мс, то частота вращения электродвигателя будет увеличиваться.
При неизменном напряжении питающей сети момент, развиваемый электродвигателем, зависит от частоты вращения п или, что то же, от скольжения s (рис. 18-1). В нормальных условиях равенство Мд = Мс имеет место при s = 2 ÷ 5%. Максимальный момент двигателя Мд.макс равен примерно двукратному номинальному моменту, т. е.
Частота вращения nк и скольжение sк, соответствующие максимальному моменту, называются критическими.
П у с к о в о й м о м е н т Мд.пуск, соответствующий частоте вращения п = 0 или скольжению s = 1, в зависимости от конструкции электродвигателя имеет различные
величины (кривые 1, 2, 3 рис. 18-1).
Х а р а к т е р и с т и к и м о м е н т о в с о п р о - т и в л е н и я м е х а н и з м о в, приводимых электродвигателями, в зависимости от их частоты вращения могут быть разделены на два типа: зависящие от частоты вращения (кривая 5) и не зависящие от нее (кривая 4, рис. 18- 1).
Момент сопротивления, не зависящий от частоты вращения, имеют, например, шаровые мельницы. Момент сопротивления, резко зависящий от частоты вращения, имеют все центробежные механизмы.
Т о к , п о т р е б л я е м ы й с т а т о р о м э л е к т р о -
469
д в и г а т е л я из сети, Iд состоит из тока намагничивания Iнам статора и тока ротора, приведенного к обмотке статора, I'рот, т. е.
Это следует из схемы замещения, представленной на рис. 18-2. Ток в роторе определяется наведенной в нем
э.д.с, которая зависит от скольжения (т. е. скорости пе-
ресечения обмотки ротора магнитным потоком статора электродвигателя). В результате этого то-
ки ротора и статора также меняются с изменением скольжения.
Примерный характер зависимости периодической составляющей тока статора Iд и сопротивления электродвигателя zд от скольжения представлен на рис. 18-3.
При нормальной работе электродвигателя,когда скольжение составляет 2—5% (т. е. близко к нулю), сопротивление ротора очень велико, ток ротора мал, а значит мал и ток статора, так как ветвь намагничивания имеет большое сопротивление.
П у с к э л е к т р о д в и г а т е л е й . При пуске, т. е. подаче напряжения на неподвижный электродвигатель, сопротивление его мало и ток ротора имеет максимальное значение. Соответственно максимальное значение имеет и ток статора. Ток статора при пуске электродвигателя называется п у с к о в ы м т о к о м . По величине начальный пусковой ток равен току трехполюсного к. з. за сопротивлением, равным сопротивлению неподвижного электродвигателя.
Пусковой ток состоит из переменной составляющей, затухающей по мере увеличения частоты вращения, и апериодической составляющей, которая затухает по экспоненциальной кривой в течение нескольких периодов.
Осциллограмма пуска двигателя представлена на рис. 18-4. Из осциллограммы видно, что по мере разворота ток, потребляемый электродвигателем, меняется сначала мало и только при приближении к синхронной частоте вращения он быстро спадает. Объясняется это характером изменения сопротивления двигателя.
Периодическая составляющая пускового тока электродвигателя / п.пуск при неподвижном роторе обычно в 4—8 раз превосходит его номинальный ток. В отдельных случаях эта величина бывает больше. Максимальный пик тока с учетом апериодической составляющей достигает:
Продолжительность затухания периодической составляющей пускового тока до значения номинального тока зависит от параметров электродвигателя и условий пуска.
