О стопроцентной защите синхронных генераторов от замыканий на землю

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

______________ ...

Том 179 ' 1961

О СТОПРОЦЕНТНОЙ ЗАЩИТЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

Р. А. ВАЙНШТЕЙН, А. В. ШМОЙЛОВ

Из всех повреждений синхронных генераторов большинство приходится на статоры, причем основная масса повреждений вызывается заводскими дефектами изготовления [1]. Приводимые там же статистические данные показывают, что количество повреждений генераторов со временем не убывает. Так, например, общее число повреждений генераторов в 1964 г. возросло по сравнению с 1963 г. Это объясняется освоением новых уникальных генераторов для сверхмощных тепловых и гидравлических электростанций, строящихся в СССР. Большинство электрических повреждений, вызванных теми или иными причинами, относится к замыканиям обмотки статора на землю. Часто однофазное замыкание успевает перейти в многофазное короткое замыкание, прежде чем возникшая авария оказывается ликвидированной [2].

Генераторы большой мощности (более 50 мет) работают в блоке с трансформатором. При этом, за исключением сравнительно редких случаев (несколько гидрогенераторов работают параллельно на одну обмотку трансформатора), генераторы не имеют между собой электрической связи. Это обстоятельство в большинстве случаев облегчает выполнение защиты от замыканий на землю обмотки статора, так как не требуется определять поврежденный генератор; но не снимает проблему обеспечения других современных требований, предъявляемых к земляной защите синхронных генераторов. Эти требования сводятся к следующему: 1) отсутствию мертвой зоны, 2) отсутствию необходимости введения выдержки времени для обеспечения селективности.

Необходимость выполнения этих требований объясняется следующим. Наличие выдержки времени у защиты увеличивает вероятность возникновения двойного замыкания на землю при нарушении изоляции другой фазы.

При наличии мертвой зоны у данной защиты возможны весьма опасные повреждения — замыкания фазы на нейтраль генератора. Установившийся ток при данном виде повреждения, например для гидрогенераторов, превышает установившийся ток трехфазного замыкания в два с лишним раза [3].

Существующая защита от замыканий на землю синхронных генераторов, работающих в блоке с трансформаторами;*™ принципу действия имеет мертвую зону вблизи нейтрали генератора (15%). Необходимость обеспечения селективности при замыканиях на землю на высокой сто-

1 V

роне трансформатора вынуждает вводить выдержку времени в действие защиты.

' Ликвидация выдержки времени может быть произведена только ценой загрубления защиты и, следовательно, увеличения мертвой зоны [6].

Ни один из известных методов, использующий естественные электрические величины в установившемся или переходном режиме, не позволяет осуществить защиту без мертвой зоны, так как потенциал нейтрали относительно земли близок к 0.

В связи с этим представляется целесообразной разработка защиты, реагирующей на искусственно вводимые электрические величины, смещающие электрическую нейтраль сети. Подобная защита применительно к распределительной кабельной сети с компенсированной нейтралью разработана на кафедре электрических станций Томского политехнического института [4]. Защита осуществляется .путем включения источника с частотой 25 гц последовательно в цепь дугогасящей катушки.

Предварительные исследования показывают, что эта защита при соответствующем выполнении реагирующего органа успешно может быть применена для мощных блоков генератор-трансформатор с заземлением нейтрали генератора через дугогасящую катушку. Наиболее просто можно выполнить защиту для блоков с одним генератором или для укрупненных блоков с расщепленной первичной обмоткой блочного трансформатора. Защита может быть выполнена также для укрупненных блоков с одной обмоткой низшего напряжения трансформатора. Следует отметить, что величина частоты вспомогательного источника и способ его включения в цепь нейтрали также имеют принципиальное значенц^. При частотах выше промышленной кратность изменения вспомогательного тока как по модулю, так и по фазе всегда меньше. Выбор для источника смещения нейтрали генераторов частоты 25 гц определился возможностью использования бесконтактного статического устройства — электромагнитного параметрического делителя частоты, а также годовым опытом эксплуатации такого источника в промышленных условиях на Барнаульской ТЭЦ-2. Ниже показано, что характер изменения тока с частотой 25 гц при замыкании на землю одной фазы генератора весьма благоприятен. При этом нужные характеристики реагирующего органа могут быть получены с помощью сравнительно простых технических средств.

На рис. 1, а показана принципиальная схема включения защиты, где обозначено ДГК — дугогасящая катушка, ТТ — трансформатор тока, ИКТ — источник контрольного тока 25 гц, РО — реагирующий орган. На рис. 1,6 вычерчена схема замещения участка цепи генератор — трансформатор. На ней обозначено:

ик—напряжение источника контрольного тока (ИКТ);

¿«г — внутреннее сопротивление ИКТ;

¿л —полное сопротивление дугогасящей катушки;

Сг —емкость фаз л генератора относительно земли;

Ст —емкость фазы Ъбмояки низшего напряжения трансформатора относительно земли;

СТ(мо) — продольная емкость фазы трансформатора между обмотками высшего и низшего напряжений.

В дальнейшем при определении установившегося контрольного тока делаем следующие допущения:

1) пренебрегаем продольными сопротивлениями нулевой последовательности;

2) пренебрегаем всеми активными потерями;

3) ИКТ считаем источником напряжения потому, что 2КУ пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением дугогасящей катушки. С учетом этих допущений, которые, вообще говоря, являются общепри-

МГ

Рис.

нятыми при определении токов нулевой последовательности частотой 50 гц в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью (при

частоте контрольного тока 25 гц эти допущения можно принять и подавно), получим расчетную схему замещения, изображенную на рис. 2.

На схеме замещения обо-

значено: к

Рис. 2

/к

и

индуктивность^ дугогасящей катушки; суммарная емкость сети генераторного напряжения;

переходное сопротивление в месте замыкания на землю;

ток 25 гц через трансформатор тока ^защиты; напряжение ИКТ.

При замыкании через переходное сопротивление контрольный ток равен

} ¿п+утгшС)

к (Ц-^НЬО+ушЬ'

1

где «) = — частота контрольного тока;

и>р = — резонансная частота контура, образованного дугога-у ЬС

сящей катушкой и суммарной емкостью генераторной сети.

Так как настройку дугогасящей катушки стараются установить по возможности ближе к резонансной, будем полагать, что <ор=">сетн.

Введя обозначение о)р/, — Хьн положив О — 1, после преобразо-ваний выражения (1) получим

У = 1В* | / 2

При изменении переходного сопротивления /? в пределах [оо-ьО] конец вектора /к опишет полуокружность с центром, лежащим на перпендикуляре к направлению вектора О— 1 (рис. 3). Центр ок^

2

ружности отстоит от начала вектора и на расстоянии -----в ст@-

ЗХЬ

рону отставания.

Рис. 3

Из диаграммы' видно, что отношение величины тока /к "при замыкании без переходного сопротивления к току нормального режима равно 3, фаза тока меняется при этом на 180°. На рис. 4 приведены кривые: 1) зависимости модуля контрольного тока от величины переходного сопротивления /К = /1(Д:), 2) зависимости фазте контрольного тока от величины переходного сопротивления <Р=/2(/?). Характер изменения кривых и <р=/2(/?) позво-

ляет заключить следующее. .

1.-Реагирующий орган защиты может быть выполнен на токовом вринципе. Чувствительность и селективность такого органа будут удовлетворительными при условии, если он будет обладать повышенной чув-

Рис. 4

етвительностью к току с частотой 25 гц. Это облегчит отстройку от высших гармоник и промышленной частоты при замыкании на стороне высшего напряжения блока. Недостатком такого органа является малая чувствительность при замыкании через переходное сопротивление. 2. Реагирующий орган может быть выполнен фазочувствительным.

Изменение фазы .на 180° при металлическом замыкании позволяет осу-*

ществнть торможение в нормальном режиме. При этом реагирующий орган будет очень хорошо отстроен от высших гармоник и от замыканий на стороне высшего напряжения блока.

Обращает на себя внимание очень резкое изменение фазы контрольного тока при замыкании через большое переходное сопротивление. Это обстоятельство позволяет выполнить защиту, действующую при значительных переходных сопротивлениях. При этом чувстви!ельность ее может регулироваться изменением угла наклона линии изменения знака выходной величины реагирующего органа. Защита может быть оборудована также более чувствительной ступенью, действующей на сигнал в области торможения основного органа. Так как кроме тока с частотой 25 гц, через трансформатор тока защиты при замыкании на землю протекает ток промышленной частоты, необходимо придать реагирующему органу частотно-избирательные свойства или компенсировать ток промышленной частоты во вторичных цепях напряжением нулевой последовательности, которое всегда пропорционально этому току. Реализацию необходимых свойств реагирующего органа предполагается выполнить на основе кольцевого модулятора на полупроводниковых диодах или на основе фазочувствительного усилителя на транзисторах. Последний, конечно, более предпочтителен, так как, обладая такой же фазовой характеристикой, что и кольцевая фазочувствительная схема, имеет значительно большую выходную мощность. Опорное напряжение на фазо-чувствительные устройства будет подаваться от источника контрольного тока. Нужно отметить, что эти схемы, по крайней мере частично, по принципу действия будут одновременно решать, вопрос отстройки от токов промышленной частоты. Это объясняется тем, что при кратности частот, опорного напряжения и сигнала, равной четному числу, среднее значение напряжения на выходе обеих фазочувствительных схем равно 0.

При наличии на станции нескольких блоков (если генераторы не имеют электрической связи) защита может быть выполнена для каж1 дого генератора отдельно (рис. 1).

Рис. 5

Для выполнения защиты по этому варианту необходимо в нейтраль каждого генератора устанавливать ИКТ.

Однако возможен и другой вариант, показанный на р;ис. 5, а, б. 3 этом варианте для защиты группы генераторов используется один ИКТ. Мощность ИКТ в таком случае может потребоваться больше мощ-

ности индивидуальных ИКТ для того, чтобы обеспечить в нормальном режиме необходимый ток торможения в реагирующем органе. Чувствительность защиты к замыканиям на землю не ум-еныцается. При использовании рассматриваемого варианта защиты целесообразна установка резервного ИКТ, что повысит надежность защиты.

При выполнении защиты по этому варианту потребуется осуществить соединение заземляемых выводов дугогасящих катушек генераторов.

На рис. 6, а, б приведены варианты выполнения защиты от замыканий на землю генераторов, работающих на сборные шины: а) с несколькими ИКТ по количеству генераторов, имеющих компенсированные нейтрали; б) с одним ИКТ. Для осуществления селективной защиты в этих вариантах необходимо использовать дифференциальную схему. В нормальном режиме работы генератора по реагирующему органу 6у; дет протекать емкостный ток торможения, а при замыкании на землю — ток противополжной фазы, определяемой индуктивностью дугогасящих

В настоящее время при выполнении защиты на естественном токе нулевой последовательности на выводах генераторов устанавливают шинный трансформатор тока нулевой последовательности [6]. Этот трансформатор может быть использован и в данном случае без всякой переделки для включения в дифференциальную схему. Согласованию с ним будет подлежать трансформатор тока, устанавливаемый в цепи нейтрали. Нужно отметить, что благодаря возможности частотной отстройки от токов небаланса фильтра токов нулевой последовательности требования к трансформатору, устанавливаемому на выводах генератора, могут быть снижены, а также появляется принципиальная возможность использовать трехтрансформаторный фильтр нулевой последовательности.

1. Крупные повреждения генераторов возникают в связи с повреждением или ослаблением изоляции по отношению к земле.

2. Существующие контроль изоляции и защита от замыканий на землю, реагирующие на естественные электрические величины, по принципу действия имеют мертвую зону, работают с выдержкой времени, слабо чувствительны к переходным сопротивлениям в месте повреждения.

катушек

Рис. 6.

Выводы

3. Рассматриваемая защита, реагирующая на изменение фазы контрольного тока 25 гц, вводимого в цепи генератора с помощью параметрического делителя частоты, не имеет мертвой зоны, более чувствительна к переходным сопротивлениям, может работать без выдержки времени, сигнализировать ослабление изоляции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анализ аварий и случаев брака в работе на электростанциях и сетях энергосистем электрической и гидротехнической части. «Энергия», 1965.

2. А. М. Федосеев. Основы релейной защиты. ГЭИ, 1961.

3. М. П. Ко стен ко, Л. М. Пиотровский. Электрические машины, часть II, «Энергия», 1965.

4. Р. А. В а й н ш т е й н. Применение низкочастотных параметрических систем для защиты от замыканий на землю компенсированных сетей. Диссертация, Томск, 1965.

5. К. Т. М и т ю ш к и н. Магнитный делитель частоты. «Электричество», № 8, 1957.

6. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 5. Защита блоков генератор — трансформатор и генератор — автотрансформатор, «Энергия», 1963.

*

V