СПОСОБ ЗАЩИТЫ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ЦЕПИ ВОЗБУЖДЕНИЯ
METHOD OF PROTECTING SYNCHRONOUS GENERATORS FROM GROUND FAULT AT ONE POINT OF EXCITATION CIRCUIT

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите синхронных генераторов, и может быть использовано на электрических станциях для защиты от замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения, а также для контроля сопротивления изоляции цепей возбуждения относительно земли.
Известен способ защиты синхронных генераторов от замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения [1], основанный на измерении активной составляющей тока, наложенного на защищаемую цепь от вспомогательного источника напряжения. Основной недостаток этого способа заключается в том, что измерительная схема не рассчитана на большие перенапряжения, вызванные высокочастотными составляющими напряжения возбуждения, характерными для тиристорной и высокочастотной систем возбуждения.
Разработанное на основе способа [1] устройство защиты цепей возбуждения КЗР-3 [2] отличается тем, что измерительная схема ограждена от проникновения высокочастотных составляющих напряжения возбуждения комплектом частотных фильтров. Такая реализация приводит к искажению определяемого напряжения на изоляции цепей возбуждения из-за не скомпенсированного падения напряжения на сопротивлениях частотных фильтров, тем самым снижая точность измерения сопротивления изоляции. По данной причине КЗР-3 не может применяться при емкостях цепей возбуждения, превышающих 2 мкФ. При этом указанная емкость может достигать значения 5 мкФ и более.
С целью устранения недостатка, присущего КЗР-3, была разработана защита БЭ-1104 [3], имеющая компенсирующую ветвь и измерительный орган, реагирующий на разность полного тока замыкания цепи возбуждения на землю и тока в компенсирующей ветви. Такой принцип действия позволяет применять защиту при любой возможной емкости цепей возбуждения, однако наличие компенсирующей ветви предполагает настройку ее параметров для каждой системы возбуждения, основной и резервных, в отдельности и необходимость переключения компенсирующих ветвей при переходе генератора на резервную систему возбуждения.
Для рассмотренных способов защит цепей возбуждения [1-3] характерным является то, что неполное нарушение контакта щеток с валом может приводить к существенному занижению замера сопротивления изоляции и, как следствие, к ложной работе защиты [4]. Полная же потеря контакта может привести к ложному срабатыванию только защиты [3], поэтому в ней используется специальная схема блокировки. Ложное срабатывание защит [1, 2] в этом режиме исключается по принципу действия, однако они полностью теряют свою работоспособность до тех пор, пока персонал самостоятельно не выявит нарушение и не восстановит контакт.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ, по которому работает устройство защиты цепей возбуждения КЗР-3 [2]. Данный способ является более простым в сравнении с [3], так как не требует использования компенсирующей ветви и не нуждается в измерении параметров цепей возбуждения.
Целью изобретения является повышение точности измерения сопротивления изоляции без усложнения схемы защиты, как при работе с большими емкостями цепей возбуждения, так и в условиях неполного нарушения контактов щеток с валом ротора. Методическая погрешность измерения сопротивления, присущая прототипу и достигающая недопустимо больших значений при емкости цепи возбуждения более 2 мкФ, устраняется в заявляемом способе введением компенсации падения напряжения от дополнительного источника на пассивном частотном фильтре. Повышение точности в условиях неполного нарушения контакта щеток достигается путем использования в измерении сопротивления изоляции напряжения, непосредственно приложенного к изоляции цепей возбуждения, определяемого с учетом компенсации падения напряжения между релейной щеткой и землей.
На фиг. 1 приведена схема подключенного к защищаемой цепи возбуждения устройства, реализующего предлагаемый способ.
Схема замещения цепи возбуждения 1 содержит обмотку возбуждения 6; эквивалентные сопротивления изоляции системы возбуждения 2 и обмотки возбуждения 3; эквивалентные емкости системы возбуждения 4 и обмотки возбуждения 5; сопротивления в местах контакта с валом генератора релейной 8 и заземляющей 9 щеток. Устройство защиты 9, подключаемое к одному из полюсов обмотки возбуждения 10 и к релейной щетке 11, представлено ограничителем напряжения 12; пассивным частотным фильтром 13, настроенным в резонанс на частоте источника напряжения; источником напряжения низкой частоты 14; блоком измерения 15; блоком контроля контакта релейной и заземляющей щеток с валом 16; выходным релейным блоком 17.
Способ реализуется следующим образом.
Источник наложения низкой частоты порядка 17 Гц последовательно через фильтр 13 и измерительный блок 15 подключается к цепи возбуждения одним выводом к потенциалу обмотки возбуждения 10, а другим к релейной щетке 11. С помощью блока 15 измеряются комплексы напряжения и тока с частотой наложения. Определение напряжения , приложенного непосредственно к сопротивлению изоляции, осуществляется при допущении, что напряжение , измеряемое относительно релейной щетки и потенциала земли, компенсирует падение напряжения на сопротивлениях в местах контакта релейной и заземляющей щеток, по следующей формуле
где  - измеряемый комплекс напряжения источника наложения низкой частоты;  - измеряемый комплекс тока низкой частоты;  - предварительно измеренное комплексное сопротивление частотного фильтра на частоте наложения.
Таким образом, эквивалентная проводимость изоляции, состоящая из емкостной и резистивной составляющих, определяется как
при этом реальная часть этой проводимости обратно пропорциональна эквивалентному сопротивлению изоляции цепи возбуждения
В конечном итоге, сопротивление изоляции, рассчитываемое на основе измеренных электрических величин и известных параметров устройства защиты
Точность измерения сопротивления изоляции напрямую зависит от точности определения падения напряжения на изоляции. В прототипе этот замер напряжения подвержен искажению из-за падения напряжения на частотных фильтрах. Именно по этой причине занижается замер сопротивления защиты КЗР-3, и это занижение тем значительнее, чем больше емкость цепи возбуждения. Устранение данного недостатка в предлагаемом способе достигается путем программной компенсации указанного падения напряжения, определяемого как .
Замер падения напряжения на изоляции также искажается в случае неполного нарушения контакта релейной или заземляющей щеток из-за того, что возникает падение напряжения на сопротивлениях 7 и 8 в местах контакта с валом. Устранение данного недостатка в предлагаемом способе достигается путем программной компенсации указанного падения напряжения, определяемого как . Следует отметить, что при таком подходе появление сопротивления 7 вносит некоторую погрешность измерения сопротивления изоляции, однако эта погрешность из-за своей незначительности не приводит к ложному срабатыванию защиты при небольших сопротивлениях в местах контакта щеток. А при больших сопротивлениях в местах контакта щеток надежно срабатывает блок контроля целостности контактов релейной и заземляющей щеток с валом 16.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет избавиться от ложных срабатываний защиты в случаях появления малых переходных сопротивлений в местах контакта релейной и заземляющей щеток с валом. При полной потере контакта щеток с валом надежно отработает блокировка 16, основанная, к примеру, на сравнении величины  с установленной пороговой величиной.
Способ может применяться для контроля состояния изоляции и релейной защиты цепей возбуждения, обеспечивая независимость результатов от состояния контакта щеток с валом ротора, величины емкости цепи возбуждения.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №189484, кл. Н02Н 7/06, 1966, бюл. №24.
2. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор - трансформатор/ В.Н. Вавин. – М.: Энергоиздат, 1982. - 256 с. (с. 90-946 рис. 3.19).
3. Авторское свидетельство СССР №612338, кл. Н02Н 7/06, 1978, бюл. №23.
4. Алексеев, В.Г. Отказ защиты ротора из-за ненадежного контакта релейной щетки с валом/ В.Г. Алексеев, А.И. Левиуш, А.Н. Белозор, И. Ахмадов// Электрические станции. - 2013. - №1. - с. 34-36.