УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ОБМОТКЕ СТАТОРА

Область техники
Предложение относится к электротехнике и может быть применено в устройствах защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора.
Уровень техники
Известно устройство защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора [пат. RU 2096885, МПК H02H 7/06, 1997 г.], выбранное в качестве прототипа.
Прототип содержит преобразователь тока, к выходу которого присоединены входы первого и второго реагирующих органов. Первый реагирующий орган выполнен в виде последовательно соединенных заграждающего фильтра, усилителя, выпрямителя, сглаживающего элемента и органа сравнения с уставкой. Устройство содержит также пусковой орган, первый и второй органы блокировки. К выходу пускового органа подключен вход первого органа блокировки, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого реагирующего органа, а третий вход - с выходом второго органа блокировки. Выход второго реагирующего органа подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу пускового органа, а третий - к выходу второго органа блокировки. Выход первого элемента И через первый элемент выдержки времени на срабатывание подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого через второй элемент выдержки времени на срабатывание подключен к выходу второго элемента И, а выход соединен с входом исполнительного органа.
Недостатки прототипа состоят в следующем.
Защита чувствительна только к устойчивым однофазным замыканиям в обмотке статора, при которых длительность протекания тока нулевой последовательности превышает выдержку времени на срабатывание, необходимую для отстройки от однократных кратковременных замыканий. Между тем, как показывают исследования, повреждение обмотки статора генератора, работающего на сборные шины в сети с компенсированной нейтралью, в начальной стадии характеризуется многократными повторно-кратковременными замыканиями, каждое из которых имеет длительность 2-5 мс, повторяющихся с интервалом 40-200 мс.
При определенных временных соотношениях возможна необоснованная блокировка защиты при следующей последовательности замыканий:
- внешнее однофазное замыкание на землю в сети, переходящее в двойное замыкание с одной точкой во внешней сети, а второй - в зоне действия защиты;
- отключение внешнего замыкания сетевыми защитами с сохранением однофазного замыкания во второй точке в зоне действия защиты.
Кроме того, прототип необоснованно блокирует защиту при двойных замыканиях в зоне действия защиты, если последние сопровождаются большим током.
Раскрытие существа полезной модели
Задача полезной модели - устранить указанные недостатки прототипа.
Технический результат полезной модели - обеспечение чувствительности защиты не только к устойчивым замыканиям на землю в генераторе, но и к повторно-кратковременным замыканиям и недопущение необоснованных блокировок при переходе двойного замыкания в однофазное и при двойных замыканиях, сопровождающихся большими токами.
Предметом полезной модели является устройство защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора, содержащее первый токовый орган, избирательно реагирующий на однофазное замыкание на землю, и второй токовый орган, избирательно реагирующий на двойное замыкание на землю, входы которых подключены к выходу датчика тока нулевой последовательности, первый пусковой орган, реагирующий на любое замыкание на землю в сети генераторного напряжения, и второй пусковой орган, реагирующий на замыкание на землю вблизи нейтрали обмотки статора, входы которых подключены к выходу датчика напряжения нулевой последовательности, датчик междуфазного короткого замыкания и логический блок, подключенный выходом к исполнительному элементу защиты, а первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами к выходам первого токового органа, второго токового органа, первого пускового органа, второго пускового органа и датчика междуфазного короткого замыкания соответственно, при этом логический блок выполнен с возможностью:
запрета срабатывания защиты от первого токового органа через заданное время выдержки после срабатывания первого или второго пусковых органов;
снятия указанного запрета при срабатывании первого или второго токовых органов;
запрета срабатывания защиты от первого токового органа при срабатывании датчика междуфазного короткого замыкания;
запрета срабатывания защиты от первого токового органа на заданное время после возврата датчика междуфазного короткого замыкания;
запрета срабатывания защиты от токовых органов при отсутствии срабатывания, по меньшей мере, одного из пусковых органов;
снятия запрета срабатывания защиты от первого токового органа при срабатывании, по меньшей мере, одного из пусковых органов;
снятия запрета срабатывания защиты от второго токового органа при срабатывании первого пускового органа;
запрета срабатывания защиты при кратковременных срабатываниях токовых и пусковых органов;
обеспечения срабатывания защиты при непрерывном срабатывании, по меньшей мере, одного пускового органа и одновременном N-кратном повторно-кратковременном срабатывании первого токового органа с интервалом, не превышающим заданный.
Это позволяет получить указанный технический результат.
Развитие полезной модели состоит в том, что первый токовый орган снабжен блоком компенсации емкостной составляющей тока нулевой последовательности, вход которого подключен к выходу датчика напряжения нулевой последовательности.
Это устраняет необходимость загрубления защиты в том случае, когда в зону действия защиты входят кабели, соединяющие генератор с распределительным устройством, и, тем самым, повышает ее чувствительность и селективность.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 представлен пример схемы устройства, подключенного к электрооборудованию защищаемого генератора. На схеме показаны:
- первый токовый орган 1, избирательно реагирующий на однофазное замыкание на землю, и второй токовый орган 2, избирательно реагирующий на двойное замыкание на землю, входы которых подключены к выходу датчика 3 тока нулевой последовательности;
- первый пусковой орган 4, реагирующий на любое замыкание на землю в сети генераторного напряжения, и второй пусковой орган 5, реагирующий на замыкание на землю вблизи нейтрали обмотки статора, входы которых подключены к выходу датчика 6 напряжения нулевой последовательности;
- датчик 7 междуфазного короткого замыкания, сравнивающий с уставками фазные токи генератора, и срабатывающий (выдающий сигнал) при превышении уставки, хотя бы одним из них;
- логический блок 8, который подключен выходом к исполнительному элементу 9 защиты, а первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами 10, 11, 12, 13 и 14 к выходам первого токового органа, второго токового органа, первого пускового органа, второго пускового органа и датчика 7 междуфазного короткого замыкания соответственно.
Кроме того, на фиг.1 показаны обмотка 15 статора защищаемого генератора и установленная на его выводах трехфазная группа измерительных трансформаторов 16 тока.
а
с
0
Токи 1 и 1 двух фазных обмоток трансформатора 16 проходят через входные цепи датчика 7 и суммируются с током третьей фазной обмотки трансформатора 16 на входе датчика 3 тока I нулевой последовательности. Датчик 3 представляет собой преобразователь тока в напряжение (например, низкоомный резистор), введенный в цепь суммарного тока трех фаз трансформатора 16.
0
Датчик 6 напряжения U нулевой последовательности выполнен на основе трансформатора напряжения с последовательно соединенными вторичными обмотками.
На фиг.1 также показана внутренняя структура первого токового органа 1 и блока 8.
Орган 1 снабжен блоком 17 компенсации емкостной составляющей тока нулевой последовательности, который входом подключен к выходу датчика 6 напряжения нулевой последовательности. В состав первого токового органа 1 входят последовательно включенные заграждающий фильтр 18, усилитель 19, выпрямитель 20, сумматор 21 и орган 22 сравнения с уставкой. Блок 17 компенсации образуют последовательно включенные заграждающий фильтр 23, дифференцирующий элемент 24 и выпрямитель 25, выход которого подключен к первому входу сумматора 21.
В состав логического блока 8 входят: первый 26 и второй 27 элементы выдержки времени на срабатывание, первый 28, второй 29 и третий 30 элементы выдержки времени на возврат, первый 31, второй 32, третий 33 и четвертый 34 элементы ИЛИ, первый 35 и второй 36 элементы И, а также счетчик 37. Элемент 28 выдержки времени помимо запускающего входа, подключенного к выходу элемента 31, снабжен блокировочным входом, подключенным к выходу элемента 33.
Такое выполнение блока 8 не является единственно возможным. Блок 8 может быть выполнен также на базе программируемого микропроцессора и реализовывать свои функции под управлением соответствующей программы.
Устройство работает следующим образом.
Через датчик тока 3 протекает ток Io от трехфазной группы трансформаторов тока 16, содержащий как составляющую промышленной частоты, так и высшие гармоники. В режиме без замыкания на землю ток Io является током небаланса, а при внешнем однофазном замыкании на землю - суммой тока небаланса и тока нулевой последовательности через емкость обмотки 15 статора генератора на землю.
К входам пусковых органов 4 и 5 и входу первого токового органа 1 подводится от датчика 6 напряжение нулевой последовательности 3Uo, которое в режиме без замыкания на землю близко к нулю. При возникновении однофазного замыкания на землю напряжение 3Uo увеличивается, причем его величина и гармонический состав зависит от вида однофазного замыкания. Первый пусковой орган 4 срабатывает и формирует на своем выходе сигнал логической единицы в случае, если суммарное напряжение 3Uo превысит заданное значение. Второй пусковой орган 5 срабатывает и формирует на своем выходе сигнал логической единицы в случае, если третья гармоническая составляющая напряжения нулевой последовательности (150 Гц) превысит заданное значение. При отсутствии замыкания на землю в сети генераторного напряжения пусковые органы 4 и 5 находятся в несработанном состоянии, и на их выходах сигнал соответствует логическому нулю. Эти сигналы поступают на входы 12 и 13 логического блока 8 соответственно.
Заграждающий фильтр 23 выделяет из суммарного напряжения 3Uo составляющие всех частот за исключением составляющей промышленной частоты. Полученный сигнал дифференцируется элементом 24, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный току нулевой последовательности, протекающему на землю через емкость обмотки статора генератора. Сигнал с выхода элемента 24 выпрямляется выпрямителем 25 и со знаком минус поступает на первый вход сумматора 21.
Сигнал с выхода датчика тока 3 поступает в первый токовый орган 1 на заграждающий фильтр 18, который выделяет составляющие высших гармоник. Далее, пройдя через усилитель 19, выпрямитель 20, сигнал со знаком плюс поступает на второй вход сумматора 21. Элемент 21 суммирует поступающий со знаком плюс рабочий сигнал с выхода выпрямителя 20 и поступающий со знаком минус тормозной сигнал с выхода выпрямителя 25. Полученный на выходе сумматора 21 сигнал поступает на вход элемента 22 сравнения с уставкой. Уставка элемента 22 обеспечивает отстройку от токов небаланса. Поэтому при отсутствии однофазного замыкания на землю на выходе элемента 22 формируется сигнал логического нуля, соответствующий несработанному состоянию органа 1. Этот сигнал поступает на вход 10 блока 8.
Сигнал с выхода датчика тока 3 поступает также на второй токовый орган 2, предназначенный для выявления двойных замыканий на землю с одной точкой в зоне действия защиты, а второй во внешней сети. При отсутствии такого замыкания на выходе 2 органа формируется сигнал логического нуля, который поступает на вход 11 блока 8.
Через входную цепь датчика 7 протекают токи двух фаз (А и С) обмоток 15 статора защищаемого генератора. Датчик 7 предназначен для блокирования действия защиты при неудаленных внешних коротких замыканиях, сопровождающихся насыщением трансформаторов тока 16, резким возрастанием их погрешностей и, вследствие этого возрастанием тока небаланса на входе датчика 3. При фазных токах Ia и Ic, не превышающих заданный уровень, на выходе датчика 7 формируется сигнал логической единицы, а при превышении любым из токов Ia, Ic заданного уровня датчик 7 срабатывает и его выходной сигнал принимает значение логического нуля, которое поступает на вход 14 блока 8.
Таким образом, в нормальном режиме, без однофазных замыканий на землю на входах 10, 11, 12 и 13 блока 8 имеют место сигналы логического нуля, а на входе 14 - сигнал логической единицы.
При возникновении внешнего однофазного замыкания на землю под действием появившегося напряжения нулевой последовательности частотой 50 Гц срабатывает пусковой орган 4 и на входе 12 блока 8 появляется сигнал логической единицы. Через элемент 31 ИЛИ этот сигнал запускает элемент 28 выдержки времени, который в течение заданного времени пропускает запускающий сигнал на первый вход элемента 35 И. Однако, из-за того, что орган 1 не срабатывает в течение выдержки времени элемента 28 на второй вход элемента 35 И поступает сигнал логического нуля и на выходе элемента 35 И также сохраняется сигнал логического нуля. Сигнал логической единицы с входа 12 поступает также на первый вход элемента 36 И. Однако, из-за того, что орган 2 не срабатывает, на второй вход элемента 36 И поступает сигнал логического нуля и на выходе элемента 36 И также сохраняется сигнал логического нуля. Сигнал логической единицы с выхода первого элемента 31 ИЛИ через второй элемент 32 ИЛИ по цепи установки нуля деблокирует счетчик 37. Однако, из-за несрабатывания первого токового органа 1 на счетном входе счетчика 37 отсутствуют импульсы и на его выходе сохраняется сигнал логического нуля. Таким образом, на всех трех входах четвертого элемента 34 ИЛИ присутствуют сигналы логического нуля, и исполнительный орган защиты 9 не срабатывает.
При возникновении устойчивого однофазного замыкания на землю в обмотке 15 статора защищаемого генератора под действием появившегося напряжения нулевой последовательности срабатывают либо пусковой орган 5 (при замыкании вблизи нейтрали генератора), либо пусковой орган 4 (при замыкании в остальной части обмотки). На входе 12 или 13 блока 8 появляется сигнал логической единицы. Через элемент 31 ИЛИ этот сигнал запускает элемент выдержки времени 28, который в течение заданного времени пропускает запускающий сигнал на первый вход элемента 35 И. Поскольку однофазное замыкание произошло в обмотке 15 статора защищаемого генератора, ток нулевой последовательности через датчик 3 попадает на вход заграждающего фильтра 18, который выделяет составляющие высших гармоник. Эти составляющие через усилитель 19 и выпрямитель 20 поступают на второй вход сумматора 21 как рабочий сигнал. На вход заграждающего фильтра 23 поступает напряжение нулевой последовательности от датчика 6. Заграждающий фильтр 23 выделяет составляющие высших гармоник, которые с выхода фильтра через дифференцирующий элемент 24 и выпрямитель 25 поступают на первый вход сумматора 21 в качестве тормозного сигнала, знак которого противоположен знаку рабочего сигнала на втором входе. Тормозной сигнал пропорционален собственному емкостному току обмотки статора генератора. Поскольку в режиме однофазного замыкания на землю в обмотке 15 статора рабочий сигнал существенно превосходит тормозной, то на выходе сумматора 21 появляется сигнал положительного знака, превышающий уставку элемента 22 и вызывающий его срабатывание. Таким образом, на входе 10 блока 8 формируется сигнал логической единицы. Этот сигнал поступает на второй вход элемента 35 И. При отсутствии блокировки по третьему входу элемента 35 И со стороны датчика 7, на выходе элемента 35 И формируется сигнал логической единицы, запускающий элемент выдержки времени 26. Через элемент 33 ИЛИ сигнал логической единицы с входа 10 блокирует элемент выдержки времени 28, устанавливая независимый от выдержки времени сигнал логической единицы на первом входе элемента 35. По истечение заданного времени запущенный элемент 26 формирует на своем выходе сигнал логической единицы, который через элемент 34 ИЛИ вызывает срабатывание исполнительного органа 9, сигнал с выхода которого вызывает отключение защищаемого генератора.
При возникновении прерывистого, повторно-кратковременного однофазного замыкания на землю в обмотке 15 статора защищаемого генератора работа устройства принципиально аналогична, за исключением того, что элемент 22 срабатывает также повторно-кратковременно и сигнал на входе 10 логического блока является прерывистым. Напряжение нулевой последовательности в паузе между отдельными замыканиями снижается относительно медленно, с постоянной времени, определяемой емкостью сети и активными потерями в изоляции сети, поэтому при небольших (менее 0,4 секунды) паузах, пусковые органы 4 и 5 непрерывно находятся в сработанном состоянии и формируют на своих выходах непрерывный сигнал логической единицы. Вследствие прерывистости сигнала логической единицы на втором входе элемента 35 И, сигнал на входе элемента 26 меньше значения выдержки времени этого элемента и на выходе элемента 26 сохраняется сигнал логического нуля. Действие устройства на отключение генератора при этом производится по цепи счетчика 37 повторно-кратковременных замыканий. Пусковые органы по цепи из элементов 31 ИЛИ и 32 ИЛИ снимают сигнал логического нуля с входа установки нуля счетчика 37, разрешая тем самым подсчет импульсов с входа 10 блока 8, который соединен со счетным входом счетчика 37. Когда число импульсов отсчитанных счетчиком 37 с момента разрешения счета достигнет заданного значения, на его выходе формируется сигнал логической единицы, который через первый вход элемента 34 ИЛИ вызывает срабатывание исполнительного органа 9. Пауза между повторно-кратковременными замыканиями контролируется элементом выдержки времени 29, который по своему выходу через элемент 32 ИЛИ вызывает сброс на нуль счетчика 37, если пауза превышает заданное элементом 29 значение.
При возникновении двойного замыкания на землю с одной точкой в обмотке 15 статора защищаемого генератора, а второй точкой во внешней сети, под действием появившегося напряжения нулевой последовательности частотой 50 Гц срабатывает пусковой орган 4 и на входе 12 блока 8 появляется сигнал логической единицы. Под действием появившегося на входе датчика 3 тока нулевой последовательности частотой 50 Гц срабатывает токовый орган 2 и формирует на своем выходе и на входе 11 блока 8 сигнал логической единицы. Под действием сигналов логической единицы на первом и втором входах элемента 36 И на его выходе появляется сигнал, запускающий элемент 27 выдержки времени. По истечении заданной выдержки времени на выходе элемента 27 появляется сигнал логической единицы, через элемент 34 ИЛИ поступающий на вход исполнительного органа 9 и вызывающий его срабатывание с действием на отключение защищаемого генератора.
При возникновении внешнего однофазного замыкания на землю с переходом в двойное замыкание со второй точкой в обмотке 15 статора защищаемого генератора и отключением внешнего замыкания сетевыми защитами до истечения выдержки времени элемента 27, в обмотке 15 статора защищаемого генератора сохраняется однофазное замыкание на землю. Поскольку к моменту перехода внешнего однофазного замыкания в двойное, выдержка времени элемента 28 истекла, то по блокирующему сигналу на первом входе элемента 35 И запуск элемента 26 выдержки времени запрещен и возникает опасность отказа устройства защиты при сохранившемся однофазном замыкании в обмотке 15 статора после отключения внешнего замыкания. Чтобы предотвратить отказ, при появлении кратковременного сигнала логической единицы на входе 10 блока 8, вызванного двойным замыканием, через второй вход элемента 33 ИЛИ производится деблокирование элемента 28 выдержки времени с повторным запуском его после перехода сигнала на входе 10 блока 8 в состояние логического нуля. С этого момента дальнейшая работа устройства аналогична описанной выше работе при возникновении однофазного замыкания на землю в обмотке статора.
При возникновении внешних коротких замыканий с большим током возникает опасность неселективного срабатывания устройства вследствие появления токов небаланса трехфазной группы измерительных трансформаторов тока 16, содержащих высокий уровень высших гармоник. Неселективное срабатывание предотвращается датчиком 7, который контролирует токи фаз А и С и при превышении ими заданного уровня (т.е. при возникновении внешних коротких замыканий) срабатывает, формируя на своем выходе сигнал логического нуля. Этот сигнал поступает на вход 14 блока 8 и через элемент 30 выдержки времени на возврат и третий вход элемента 35 И запрещает запуск элемента 26 на заданное время после возврата датчика 7 (до отключения внешнего замыкания и истечения выдержки времени после отключения, необходимой для снижения тока небаланса).