Защита от замыканий между витками одной фазы

Защита от витковых замыканий имеет ограниченное примене­ние вследствие отсутствия простых способов ее осуществления.

Только для мощных генераторов, каждая из фаз которых выполнена в виде двух и более параллельных ветвей, выведенных наружу, разработаны относительно простые и надежные схемы защиты.

В нормальных условиях и при внешних к. з. в параллельных ветвях 1 и 2 каждой фазы генератора наводятся одинаковые по величине и фазе э. д. с. Е₁ и Е₂ (рис. 15-13, а). Сопротивления параллельных ветвей равны, поэтому токи ветвей I₁, и I₂, в нор­мальном режиме и при внешнем к. з. также равны по величине и совпадают по фазе.

В случае замыкания части витков w _k ветви одной фазы в за­короченных витках под действием их э. д. с. Е_к возникает большой ток к. з. I _к, циркулирующий по закороченным виткам.

Электродвижущая сила и сопротивление поврежденной ветви (на рис. 15-13 ветвь 2) уменьшается за счет повредившихся витков w_к, замкнутых накоротко.

В результате этого нарушается баланс э. д. с. Е₁ и Е₂, а также токов 1₁ и I ₂ в параллельных ветвях повреж­денной фазы. Появляется э. д, с. ∆Е = Е₁ — Е₂, под действием которой в контуре поврежденной фазы возникает уравнительный ток

где х₁ и х₂ — индуктивные сопротивления ветвей 1 и 2 (активные сопротивления не учитываются, так как они очень малы); Е₁ и Е₂ — э. д. с. неповрежденной и поврежденной ветвей.

Чем меньше число замкнувшихся витков w _к, тем меньше будет различие между Е₁ и Е₂. Следовательно, согласно (15-14) с умень­шением w_к будет уменьшаться и ток повреждения I_у из-за умень­шения Е₁ — Е₂.

Нарушение равенства токов в параллельных ветвях статора генератора, происходящее при витковых замыканиях, и появление уравнительного тока I _у используются для выполнения защиты от этого вида повреждения.

Для защиты от витковых замыканий в СССР применяется поперечная дифференциальная защита, основанная на сравнении токов двух параллельных ветвей фаз генератора. Такое сравнение можно осуществлять с помощью трехсистемной или односистемной схемы защиты.

Трехсистемная схема предусматривает сравнение токов ветвей отдельно для каждой фазы. Для этой цели устанавливаются три токовых реле. Каждое реле включается на разность токов параллельных ветвей фазы А, В и С соответственно.

Односистемная схема выполняется с помощью одного диффе­ренциального реле, сравнивающего сумму токов параллельных ветвей 1 трех фаз _а1 + _В1 + _с1 с такой же суммой токов _а2 + _В2 + _с2 другой группы параллельных ветвей 2.

Односистемная схема получила преимущественное распрост­ранение в СССР.

Односистемная схема поперечной дифференциальной защиты. (рис. 15-13, б). Три параллельные ветви 1 фаз статора А, В и С и три параллельные ветви 2 тех же фаз соединяются раздельно в две звезды с двумя выведенными наружу нейтралями Н₁ и Н ₂. Эти нейтрали соединяются друг с другом нулевым проводом Н₁ — Н₂. В цепи нулевого провода устанавливается трансформатор тока Т_о. К его вторичной обмотке через фильтр Ф подключается, токовое реле Т. Фильтр Ф пропускает ток основной частоты 50 Гц и запирает ток высших гармоник, в том числе третьей гармоники.

Из схемы видно, что ток I _н._п в нулевом проводе Н₁ — Н₂, питающий реле Т, равен разности токов нулевой последователь­ности звезды двух групп параллельных ветвей 1 и 2:

I _н.п. = ( _А1+ _В1+ _С1) – ( _а2 + _В2 + _с2 ) = 3I₀₁ – 3I₀₂ (15-15)

где I ₀₁ и I ₀₂ — ток нулевой последовательности параллельных ветвей 1 и 2.

В нормальном режиме геометрическая сумма токов фаз каждой звезды равна нулю, т. е. _А1+ _В1+ _С1 = 0 и _а2 + _В2 + _с2 = 0.

При трехфазных и двухфазных внешних к. з. сумма токов к. з. в каждой звезде также равна нулю. Токи нагрузки, проходящие при этих повреждениях в ветвях статора, балансируются, так как нейтраль нагрузки не связана с нейтралью генераторов и токи нулевой последовательности в нагрузке и генераторе отсутствуют.

Таким образом, в обоих случаях ток в нулевом проводе по выражению (15-15) I _н._п = 0 и реле не работает. В действитель­ности ток I_н.п.≠ 0. Вследствие некоторого искажения формы кривой фазных э. д. с. генератора в каждой группе параллельных ветвей возникают гармонические токи, в особенности токи третьей гармоники I₁₍₃₎ и I ₂₍₃₎ Эти токи совпадают по фазе и суммируются в нулевом проводе Н₁ — Н ₂, образуя результирующий тою 3 I ₁₍₃₎ — 3 I ₂₍₃₎ = 3 I _(3).

Вследствие неточного равенства э. д. с. параллельных ветвей Е_А1 и Е_а2, Е_В1 и Е_В2, Е_с1 и Е_С2 в контуре каждой фазы появляется уравнительный ток основной частоты I _уА, I _ув и I_уc. Уравнитель­ный ток и ток третьей гармоники замыкаются в контуре параллель­ных ветвей каждой фазы, протекая по нулевому проводу Н₁ — Н₂:

Токи третьих гармоник запираются фильтром Ф и не попадают в реле. Уравнительные токи I _у имеют частоту 50 Гц и поэтому беспрепятственно проходят в реле, обусловливая появ­ление в нем тока небаланса:

Для исключения ложного действия защиты необходимо выпол­нить условие

При замыкании витков в ветви одной из фаз, как было показано выше, равенство токов в ветвях поврежден­ной фазы нарушается, возникает уравнительный ток I _у, опреде­ляемый выражением (15-14).

Этот ток замыкается по нулевому проводу Н₁ — Н₂ и вызы­вает появления тока в реле:

Защита приходит в действие при I _у > I _сз.

Поскольку величина тока I _у уменьшается с уменьшением числа замкнувшихся витков w _к, защита имеет мертвую зону. Она не действует при I _у < I _с.з. Защита реагирует не только на витковые замыкания, она может сработать при междуфазных к. з. и при замыканиях между ветвями одной фазы, так как при этом обычно нарушается равенство э. д. с. и токов в параллельных ветвях поврежденных фаз. В этом можно убедиться, рассмотрев токораспределения в обмотках статора для каждого из указанных повреждений. В обоих случаях защита имеет значительные мерт­вые зоны.

Трансформатор Т_о, питающий защиту, выбирается без учета тока нагрузки, поскольку ток появляется в нем только при повреждениях, но он должен проходить по условиям тер­мической и динамической устойчивости при максимальном зна­чении тока повреждения.

Этим требованиям отвечает трансформатор тока спервичным номинальным током порядка 0,25 I _ном.г. Исходя из этого, коэф­фициент трансформатора тока Т_о выбирается по выражению

при этом вторичный ток Т_о должен соответствовать шкале уставок на дифференциальном реле. В отличие от всех остальных схем дифференциальных защит в данной схеме, погрешность трансформатора тока Т_о не вызывает токов небаланса, поэтому к его точности (характеристикам намагничивания) не предъявляют особых требований.

В связи с образованием двух нейтралей (Н₁ и Н_г) у нулевых выводов обмоток статора трансформаторы тока для продольной дифференциальной защиты генератора должны иметь по две пер­вичные обмотки, состоящие из двух изолированных друг от друга пакетов шин первой и второй параллельной ветвей фазы статора генератора.

Ток срабатывания защиты должен быть больше тока небаланса, появляющегося в реле при внешних к. з.: I _с.з = k _н I _{нб.макс.} На осно­вании опыта эксплуатации принимается I _с.з = (20 ÷30%) I_ном.г. Как показывает опыт, такая уставка при наличии фильтра обеспе­чивает достаточную отстройку от тока небаланса и действие за­щиты согласно расчетам ВНИИЭ при замыкании одного витка (имеется в виду, что обмотка фазы турбогенератора имеет 7—9 вит­ков).

Для выполнения защиты применяется реле РТ-40/Ф, схема которого показана на рис. 15-13, б. Сопротивления обмоток реле и конденсатора С подобраны так, что токи третьей гармоники, цир­кулирующие по проводу, соединяющему нейтрали Н₁ и Н₂, замы­каются главным образом через конденсатор; благодаря этому I _ср при частоте 150 Гц получается в 10 раз больше, чем при токе с частотой 50 Гц. Ток срабатывания реле регулируется отпайками на трансформаторе Т и пружиной на реле в пределах 1,75—8,8 А.

В процессе эксплуатации выявилось, что поперечная диффе­ренциальная защита может неправильно работать при двойных замыканиях на землю в обмотке ротора. Это объясняется тем, что витки параллельных ветвей фаз статора располагаются в раз­ных пазах; при двойном замыкании в роторе магнитное поле ротора становится неравномерным; ветви одной фазы попадают в поле с разной магнитной индукцией, в результате чего равенство э. д. с. ветвей нарушается и в реле поперечной дифференциальной защиты появляется ток.

Двойные замыкания на землю в роторе иногда бывают неустой­чивыми (носят кратковременный характер). Чтобы исключить в этом случае работу поперечной дифференциальной защиты, можно замедлить ее действие. Однако при этом защита теряет свое быстро­действие, что приводит к увеличению повреждения при витковых замыканиях. Поэтому от применения замедления отказались, допуская срабатывание защиты при двойных замыканиях на землю в обмотке ротора.

Оценка защиты. Достоинством рассмотренной защиты от вит­ковых замыканий являются ее простота и быстродействие, а не­достатком — наличие мертвой зоны и непригодность для защиты генераторов, не имеющих параллельных ветвей.

Защита от витковых замыканий, реагирующая на гармони­ческие составляющие токов повреждения. В связи с недостаточ­ным совершенством применяемых защит во ВНИИЭ разработана новая защита от витковых замыканий типа ЗЗВ-1. Защита обладает достаточно хорошей чувствительностью и может применяться на генераторах с любым чи­слом ветвей в обмотке ста­тора.

Защита реагирует на по­явление в обмотке ротора переменного тока, при витко­вых замыканиях в обмотке статора.

Исследования и экспери­менты показали, что при вит­ковых замыканиях в статорной обмотке в кривой н. с. статора появляются состав­ляющие пятой гармоники, вызывающие соответствую­щие токи в роторе. В нор­ мальном режиме и при внеш­них к. з. пятая гармоника

практически отсутствует [Л. 112]. Структурная схема защиты ЗЗВ-1, использующей эту особенность, приведена на рис 15-14. В цепи ротора устанавливается воздушный трансформатор тока ТТВ. Вторичный ток поступает через фильтр 1 в реаги­рующий орган реле. Фильтр 1 пропускает токи с частотой 250 Гц (пятая гармоника). Этот ток поступает в реле 2, выпрямляется, сглаживается, усиливается и подается в исполнительный орган защиты - промежуточные реле РП (типа РП-212). Защита нахо­дится в опытной эксплуатации.

Дата добавления: 2014-12-23