Защита от замыкания обмотки статора на корпус (на землю)

а) Требования к защите

Как уже отмечалось в СССР сети генераторного напряжения работают с изолированными нейтралями, а емкостные токи сети компенсируются дугогасящими катушками. При замыканиях на корпус (на землю) обмотки статора ток повреждения 1_з замыкается на землю через магнитопровод статора, вызывая при этом повреж­дения стали. Размеры повреждения зависят от величины тока и длительности его протекания.

Лаборатория высокого напряжения имени Смурова, проводившая специальные испытания, установила зависимость допустимой продолжительности прохождения тока 1_з от его величины, т. е. t= f(1_з) (р_ИС. 15-15). В частности, исследования лаборатории показали, что ток 5 А может допускаться дли­тельно. Допустимыми разрушениями считались такие, устранение которых не требует переборки стальных листов статора.

В 1950 г. ЦНИЭЛ МЭС производил опыты непосредственно на генераторе, которые также подтвердили, что ток до 5 А может допускаться длительно. Токи более 5 А вызывают повреждение стали и поддерживают электрическую дугу, вызывающую горение изоляции обмотки статора. Поэтому токи более 5 А могут допускаться лишь ограни­ченное время.

В эксплуатации имелись случаи длительной работы генератора с замы­канием на землю обмотки статора, не сопровождавшиеся опасным поврежде­нием стали при токе замыкания на землю порядка 5 А.

На основании результатов экс­периментов и опыта эксплуатации к защите от замыкания на землю генераторов в СССР предъявляют­ся два требования:

а) При токах замыкания на землю менее 5 А защита может действовать на сигнал, так как при этих токах не наблюдаетсяопасных повреждений статора.

б) При токе замыкания на землю 5 А и выше защита должна действовать на отключение генератора, поскольку при этом имеется опасность повреждения стали статора.

б) Принципы выполнения защиты

По принципу своего действия на замыкание на землю в обмотке статора генератора может реагировать дифференциальная защита, но ее использование для этой цели было бы возможным только при глухом заземлении нейтрали, при изолированной нейтрали она оказывается нечувствительной. Поэтому для защиты генера­торов от замыканий на землю применяется специальная высоко­чувствительная защита, реагирующая на ток нулевой последова­тельности.

В СССР были созданы чувствительные токовые защиты, дей­ствующие при токах 1_з = 4 ÷ 5 А. Эти защиты выполняют на естественном емкостном токе или остаточном токе компенсации, не прибегая к искусственным мерам и не предъявляя каких-либо требований к его величине, так как при появлении опасных токов (больше 5 А) действие защиты на отключение генератора обеспечено.

Токи I ₀ и напряжения U₀ при замыканиях на землю обмотки статора. В § 9-1 показано, что ток замыкания на землю 1_з ра­вен 3 I ₀ и пропорционален напряжению нулевой последовательности U₀:

где х_C — емкостное сопротивление фазы сети генераторного на­пряжения.

При замыкании на землю в обмотке генератора (рис. 15-16, а) напряжение U₀ равно напряжению замкнувшихся на землю вит­ков w₃ обмотки фазы статора. С некоторым приближением можно считать, что напряжение распределяется равномерно по всем виткам фазы.

Тогда, выражая w₃ в процентах, от всех витков фазы, получаем:

где U_ф.Г — нормальное напряжение фазы генератора.

Подставив U₀ из (15-16а) в (15-16), найдем:

Из (15-16а) и (15-166) следует, что U₀, I ₀ и 1_з, появляющиеся при замыкании на землю, пропорциональны числу замкнувшихся витков w_3, Графически эта зависимость изображена на рис. 15-16, б.

Величины U₀, I ₀, 1_з имеют максимальное значение при замы­кании на землю на выводах генератора. В этом случае w₃— 100%; подставив это значение в (15-16а) и (15-166), получим U₀ = U_ф.Г, а

где С — емкость одной фазы сети генераторного напряжения.

При приближении точки замыкания на землю к нейтрали гене­ратора w₃ уменьшается от 100% до 0_; вследствие этого уменьшаются и U_0, I ₀, 1_з , достигая нуля при замыкании в нейтрали генератора (рис. 15-16, б).

При наличии дугогасящей катушки ток замыкания на землю 1_з из двух составляющих: тока, замыкающегося через ем­костное сопротивление сети х_С, и тока, замыкающегося через сопротивление дугогасящей катушки х_L.

Результирующий ток равен их разности:

Фильтры токов I ₀. Принципиально, как и в защите линий (§ 9-4, б), возможны два способа выполнения токовых защит нулевой последовательности: с трехтрансформаторным фильтром I ₀ (рис. 15-17, а) и однотрансформаторным фильтром I ₀ — ТНП (рис. 15-17, б).

Первоначально защита выпол­нялась с помощью трехтрансформаторного фильтра. Такая за­щита была недостаточно чувстви­тельна, она срабатывала при то­ках замыкания на землю 15—20 А. Чувствительность этой защиты ограничивалась током небаланса, от которого защита должна быть отстроена, I _с.з > I _нб Последний определяется погрешностью транс­ форматоров тока и имеет значительную величину (см. § 9-4, б и в).

В настоящее время защита генератора от замыканий на землю выполняется только по второму способу — с ТНП. Ток небаланса в ТНП значительно меньше, вследствие чего защита получается более чувствительной. Однако ТНП обычной конструкции (см. рис. 9-8) не обеспечивают необходимой чувствительности, поэтому применяются ТНП с подмагничиванием, позволяю­щим получить требуемую чувствительность защиты (3—5 А пер­вичных).

Принцип действия токовой защиты с ТНП, выполненной по рис. 15-17, б.

При замыкании на землю в обмотке статора возникает напряже­ние U₀ под действием которого в каждой фазе генератора появится ток I _0С, замыкающийся через емкость С соответствующей фазы сети и место повреждения К. Проходя через магнитопровод ТНП, охва­тывающий три фазы генератора, три тока I _0С (3 I _0С) индуктируют во вторичной обмотке ТНП ток I _р = 3 I _0С / k_П, который питает обмотку токового реле (здесь k_П — коэффициент преобразования первичного тока ТНП во вторичный).

Если в сети установлена дугогасящая катушка (ДГК), то на ток I _0Сналoжится ток ДГК I _0L, замыкающийся по контуру ка­тушка — место повреждения. В этом случае I _р = 3I _0С — 3I _0L, а условие срабатывания примет вид:

Поскольку токи I _0С и I _0Lпропор­циональны w₃, то и ток I _р ≡ w_3. При замыкании вблизи нейтрали генератора ток I _р может оказаться меньше тока срабатывания (рис. 15-19) и защита не подействует.

Таким образом, защита, реагирую­щая на ток I ₀ по принципу ее действия имеет мертвую зону. Величина мертвой зоны, т. е. число незащищен­ ных витков обмоток α, может быть оп­ределена графически как точка пересе­чения прямых 3 I _0С = f (w₃) и I _с.з (рис. 15-19). Мертвая зона является недостатком защиты. Однако создание устройства, обес­печивающего защиту 100% витков обмотки статора, представляет трудную задачу и требует усложнения схемы и реле. Поэтому на генераторах малой и средней мощности мертвая зона считается допустимой, если при повреждении в ней 1_з < 5 А.

При внешних замыканиях на землю (рис. 15-18, б) под дей­ствием напряжения U₀, появляющегося в месте повреждения, возникают токи I ₀, замыкающиеся через емкость сети и емкость обмоток генератора (I _0Си I _0г). Токи I _0г проходят через ТНП и реле. Поэтому при внешних замыканиях ток I _р = 3 I _0Г.

Как уже отмечалось в гл. 9, в момент возникновения замыка­ния появляется нестационарный бросок тока, в 4—5 раз превос­ходящий установившееся значение 3 I _0Г. Очевидно, что защита генератора должна быть отстроена от этого броска тока с неко­торым запасом, для чего

где к_б — коэффициент, характеризующий величину броска ем­костного тока.

Величины токов 3 I _0г по данным завода «Электросила» для тур­богенераторов приводятся в табл. 15-4.

Ток небаланса. При нормальной нагрузке и внешних к. з, сумма первичных токов, проходящих через ТНП, равна нулю, поэтому ток в реле должен отсутствовать. Однако за счет несимметрии расположения фаз по отношению к магнитопроводу ТНП в реле защиты появляется ток небаланса I _нб. В нормальном режиме ток небаланса очень мал. При к. з. I _нб возрастает, что может привести к неправильной работе защиты.

Для предупреждения неправильной работы защиты при внеш­них к. з. можно или загрубитъ защиту так, чтобы она была на­дежно отстроена от I _нб.к или блокировать, т. е. выводить защиту из действия во время к. з., сохраняя ее нормальную чувствитель­ность.

Предпочтение отдается второму способу, позволяющему обес­печить большую чувствительность защиты.

Применение блокировки исключает действие за­щиты при одновременных замыканиях на землю в генераторе и сети (двойных замыканиях), так как в этом случае появляется ток к. а. и защита от замыканий на землю выводится из действия. Поэтому если дифференциальная защита генератора выполнена н а двух фазах, то в схеме защиты от замыканий на землю преду­сматривается второе реле с грубой уставкой, во много раз пре­восходящей ток небаланса I _нб.к, но надежно действующее от тока 3 I ₀ при двойных замыканиях на землю.

Для обеспечения необходимой чувствительности защиты I _с.з <5 А) применяются ТНП с подмагничиванием.

Место установки ТНП. Кабели или шины, соединяющие гене­ратор с выключателем, не рекомендуется включать в зону защиты от замыкания на землю генератора. Замыкание на землю в этих элементах не представляет опасности и может быть ликвидиро­вано персоналом так же, как это делается при замыканиях в ка­бельных линиях. Включение генераторных токопроводов в зону защиты приводит к увеличению тока I _0г, проходящего через ТНП, при внешних замыканиях на землю и вызывает загрубление защиты. По этим причинам ТНП устанавливается непосред­ственно у выводов генератора.

в) Защита от замыканий на корпус с ТНП, имеющим подмагничивание ¹

На рис. 15-21изображена кривая намагничивания ТНП для переменного тока. Она представляет зависимость э. д. с. на за­жимах разомкнутой вторичной обмотки ТНП от намагничиваю­щей силы F первичного тока: Е₂ = f (F). Показав на диаграмме н. с. F₃ при токе замыкания на землю 1_з, можноубедиться, что вследствие малой величины 1_з трансформатор работает в начальной пологой части характеристики намагничивания. Наводи­мая во вторичной обмотке э. д. с. Е₂ = Е'₂ будет мала; соответ­ственно будет мал и вторичный ток, если вторичную обмотку замкнуть на реле.

Чувствительность защиты значительно возрастает, если на магнитопроврд поместить дополнительную обмотку 3 (рис. 15-20), питаемую переменным током I_п от постороннего источника. Намаг­ничивающая сила дополнительной обмотки F_п будет подмагничивать магнитопровод, создавая в нем магнитный поток Ф_п. Если при наличии подыагничивания появится тот же ток замы­кания на землю 1_з, то созданная им намагничивающая сила F₃ складывается с намагничивающей силой обмотки подмагничивания F_П. В результате этого ТНП работает в более крутой части характеристики намагничивания ВС и э. д. с, наводимая током, Е"₂ будет значительно (в 15—20 раз) больше, чем при том же 1_з без подмагничивания; соответственно возрастает ток в реле, что повышает чувствительность защиты. Указанное подмагничивание осуществляется переменным током ² от трансфор­матора напряжения генератора, поэтому магнитный поток Ф_п, создаваемый обмоткой подмагничивания, будет наводить во вто­ричной обмотке дополнительную э. д. с. Е_П, искажающую ра­боту ТНП.

¹ Защита разработана Институтом электродинамики АН УССР.

² Подмагничивание постоянным током не дает увеличения э. д. с. ТНП, создаваемой током /₃, и поэтому не может использоваться для повышения чувствительности защиты (подробнее этот вопрос рассмотрен в [Л. 13 и 37]).

Для устранения вредного влияния обмотки подмаг­ничивания магнитопровод выполняется из двух одинаковых сер­дечников: 1 а и 16 (рис. 15-22). На каждом сердечнике распола­гаются вторичные обмотки 2а и 26 и обмотки подмагничивания За и 36. Обмотки подмагничивания 3а и 3б соединяются встречно-последовательно и создают в сердечниках магнитные потоки противоположного направления. Вторичные обмотки 2а и 26 соеди­няются согласно-последовательно, поэтому наводимые в них током подмагничивания э. д. с. Е_П.а и Е_П.б взаимно уничтожаются. Практически за счет неточной балансировки во вторичной об­мотке появляется разность этих э. д. с. (Е_П._а — Е_{П б} = Е_{нб п}), создающая ток небаланса I_{нб п}. Его величина может быть точно измерена, она имеет максимальное значение при нормальном напряжении сети.

При зам ы к а н и и н а з е м л ю в первичной цепи ТНП появляется ток 3 I ₀. Он наводит в обмотках 2а и 2б последовательно направленные и равные по величине э. д. с, которые склады­ваются и вызывают в реле ток I _р = 3 I ₀.

При симметричных к. з. и нагрузке ток в реле дол­жен отсутствовать, однако из-за иесимметрии расположения пер­вичных токопроводов во вторичных обмотках ТНП возникает э. д. с. небаланса Е_{нб нес}, обусловливающая появление в реле тока I _нб.нес

С учетом небаланса от обмоток подмагничивания результи­рующий ток небаланса

Таким образом,

при симметричных к. з. и токах нагрузки в реле защиты появляется ток небаланса, состоящий из двух составляющих: одна обусловлена несимметрией расположения фаз первичных токопроводов ТНП I _нб.нес,вторая — подмагничиванием I _{нб.подм}.

Теоретический анализ [Л. 37] и эксперименты показывают, что Е_{нб нес}, а следовательно, и I _нб.нес пропорциональны величине первичного тока, т. е. Е_{нб нес} = к1_перв.. Расположение вторичной обмотки на магнитопроводе ТНП подобрано с таким расчетом,чтобы I _нб.нес имел минимальное значение.

Благодаря этому при нагрузке I _нб.нес не превышает 2—3 мА, при к. з. он соответственно возрастает пропорционально I _к.

Число витков вторичной обмотки выбирается из расчета, чтобы сопротивление намагничивания ТНП равня­лось сопротивлению реле (z_тнп = z_p). Как известно, при этом условии обеспечивается отдача максимальной мощности от источ­ника питания (вторичной обмотки ТНП) внагрузку (реле).

При включении на ТНП реле ЭТ-521/0,2, имеющего потреб­ление 0,1 В·А с уставкой 0,1 А, защита работает при токе замы­кания на землю 4—5 А. Включая реле ЭТД-551/60 с потребле­нием 0,01 В-А, можно повысить чувствительность защиты до 3 А. В настоящее время изготовляются ТНП для генераторов с числом кабелей до 18. Для генераторов с шинными выводами имеется аналогично выполненная конструкция ТНПШ.

Основное затруднение в конструкции шинного ТНП составляет ограничение токов небаланса, возникающих из-за большей, чем в кабельных ТНП, несимметрии расположения фаз относительно магнитопровода. Эти затруднения преодолеваются подбором раз­мещения вторичной обмотки ТНП. Конструкция шинного ТНП показана на рис. 15-23. Токоведущие шины для первичной цепи должны иметь надежную, разделяющую их изоляцию. Форма токоведущих шин выбрана из условия ограничения тока неба­ланса, наводимого во вторичной обмотке токами, проходящими по шинам. На генераторах, соединяемых со сборными шинами пофазными токопроводами, ТНПШ устанавливаются в специально изготавливаемом комплектном шиноблоке.

На шинных ТНП в ка­честве реагирующего органа применяется реле типа РТЗ-50, имею­щее высокую чувствительность и высокий k_воз.

Технические данные выпускаемых промышленностью ТНП и ТНПШ приведены в [Л. 2].

Принципиальная схема защиты с ТНП, имеющим подмагничивание, изображена на рис. 15-24. В схеме предусмотрены два токовых реле: чувствительное и грубое. Чувствительное реле 1 предназначено для действия при однофазных замы­каниях на землю в обмотке статора генератора. Это реле не отстра­ивается от токов небаланса при внешних к. з. и поэтому имеет блокировку, выводящую его из действия при внешних повреж­дениях ¹.

В цепи отключения реле 1 предусмотрено реле времени 4 с выдержкой времени 0,5—1 с. Замедление повышает надежность отстройки реле 1 от мгновенных бросков нестационарного емкост­ного тока при внешних замыканиях на землю и позволяет не счи­таться с пиками этого тока. В результате этого уменьшается I _с.з и повышается чувствительность защиты. Замедление защиты не ухудшает ее качеств, поскольку максимальные значения токов замыкания на землю ограничены: они обычно не превосходят20—40 А и могут поэтому допускаться в течение нескольких секунд (рис. 15-14). Грубое токовое реле 2 устанав­ливается для действия при двойных замыканиях на землю (од­ном — в генераторе и втором — в сети), когда чувствительное реле 1 выводится из работы блокировкой. Реле 2 отстраивается от токов небаланса при внешних к. з. и действует на отключение без выдержки времени.

При больших кратностях тока двойного замыкания на землю возможно искажение формы кривой вторичного тока ТНП и как следствие этого возникновение вибрации подвижной системы и контактов реле 2 и отказ его в работе. Для исключения этого реле 2 включается на ток ТНП через насыщающийся трансформа­тор 6 БНТ (рис. 15-24, а). В качестве такого реле применяется реле РНТ-565. БНТ при больших токах насыщается и ограничивает величину тока, поступающего в реле, устраняя таким путем воз­можность его вибрации.

¹ Опыт эксплуатации показывает, что благодаря весьма малым токам небаланса в кабельных ТНП блокировка может не применяться.

Во вторичную цепь ТНП включается сопротивление R = 5 Ом для ограничения тока в этой цепи при двойных замыканиях на землю. При больших токах магнитная система реле РТЗ-50 на­сыщается и его сопротивление уменьшается от 45 Ом до 1 Ом, соответственно возрастает вторичный ток ТНП, величина кото­рого зависит от сопротивления вторичной цепи. Большой ток опасен для РТЗ-50 по условию нагрева его обмоток. Сопротив­ление R ограничивает ток во вторичной цепи ТНП при двойных, замыканиях, предупреждая нагрев реле. При однофазных замы­каниях на землю сопротивление R также уменьшает ток в защите, но, как показали испытания, это не оказывает существенного влияния на ее чувствительность.

Обмотка подмагничивания ТНП питается от трансформатора напряжения генератора. При обрыве этой цепи защита загрубляется и может отказать при повреждениях с ма­лым током замыкания. Для контроля этой цепи может преду­сматриваться реле, подающее сигнал при исчезновении тока в его обмотке (на рис. 15-24 не показано).

Блокировка реле 1 осуществляется с помощью проме­жуточного реле 3, которое пускается от токовых реле защиты генератора от внешних к. з. (симметричных и несимметричных). При своем действии реле 3 разрывает оперативную цепь реле 1, выводя его из действия. На рис. 15-24, б показан второй вариант блокировки; здесь реле 3 разрывает оперативную цепь реле 1 и, кроме того, для обеспечения надежного возврата чувствительного реле 1 шунтирует его обмотку. Такой способ блокировки позволяет выбирать уставку реле без учета коэффициента возврата реле 1, что повышает чувствительность последнего (см. выбор уставок).

При шунтировании токовой обмотки реле 1 сопротивление вторичной цепи ТНП уменьшается. В результате этого резко возрастает ток небаланса, он которого может сработать грубое токовое реле2. Поскольку реле 2 предназна­чено для действия при двойном замыкании на землю, его блокировка при к. з. ¹ недопустима. Для предупреждения ложного действия реле 2 от I _нб, появля­ющегося при шунтировании обмотки реле 1, необходимо или выбрать I _с.р реле 2 больше повышенного I _нб, или ввести при действии блокировки в токовую цепь защиты сопротивление z_доп, равное сопротивлению реле 1, благодаря чему сопротивление цепи, а следовательно, и I _нбостаются неизменными. Ввод z_доп осуществляется контактом реле 3, как показано на схеме пунктиром.

Применяя в качестве чувствительного реле 1 РТЗ-50 с k_воз = 0,94 и выполняя блокировку по первому варианту, можно получить практически ту же чувствительность, что и при шунти­ровании токовых цепей. Это достигается за счет высокого коэф­фициента возврата реле, как это следует из выражения (15-17).

Учитывая это, следует предпочесть первый вариант блокировки как более простой.

Выбор уставок чувствительного комплекта защиты [Л. 2]. Первичный ток срабатывания токового реле 1 выбирается из условия недействия защиты при повреждениях вне генератора (в сети).

Наиболее тяжелым случаем, принимаемым для расчета, яв­ляется замыкание на землю одной фазы сети (в К₁) при одновре­менном к. з. между двумя другими фазами в К₂ (рис. 15-25).

В этом случае в реле 1 появляются бросок емкостного тока ге­нератора I_CГ, обусловленный замыканием на землю, и ток неба­ланса I _нб, вызванный токами к. з., протекающими через ТНП от генератора к месту поврежде­ния. Если блокировка, выводящая чувствительный ком­плект защиты, размыкает только ее оператив­ную цепь, то токовое ре­ле 1 может замкнуть свои кон­такты под действием появив­шихся в нем токов I_CГ и I _нб. После отключения к. з. бло­кировка возвращается, восста­навливая оперативную цепь, и поэтому необходимо обеспечить возврат реле 1 при прохожде­нии по нему оставшихся токов I_CГ + I _нб.

Ток I с_г обусловлен остав­шимся замыканием на землю (в точке К₁), а ток I _нб — про­ теканием через ТНП токов на­грузки генератора I _Н. Вследствие самозапуска двигателей, про­исходящего при восстановлении напряжения в сети, ток I _Н может иметь повышенное значение.

Исходя из сказанного, I _с.з выбирается из условия возврата реле 1 при прохождении по нему тока I _р = I с_г+ I _нб.

С учетом коэффициента возврата к_воэ и соответствующих коэффициентов надежности

где I с_г — установившееся значение емкостного тока генератора при «земле» в сети (см. табл. 15-4); к' _н— коэффициент, учитыва­ющий бросок емкостного тока в неустановившемся режиме: при наличии выдержки времени t = 0,5 ÷ 1 с к' _н= 2 ÷3; I _{нб (бл)} — ток небаланса при токе нагрузки генератора в послеаварийном режиме, в худшем случае ток I _Н равен току возврата блокировки;

Ток срабатывания грубого токового реле 2 (рис. 15-24) должен быть таким, чтобы реле не могло подействовать от броска емкост­ного тока при замыканиях на землю в сети и тока небаланса при внешних к. з. в наиболее тяжелом расчетном случае, приведенном на рис. 15-25. Для этого необ­ходимо выполнить условие

I_{с .З2}> I _р.макс = к' _н I _С+ к" _н I _нб.к.

На основании анализа и опыта эксплуатации рекомен­дуется принимать первичный ток срабатывания I_{с .З2}= 100А. При этом грубое токовое реле с большим запасом отстраи­вается ОТ I _р.макс.

г) Повышение чувствительности защиты от замыканий на землю

На мощных генераторах (50 тыс. кВт и больше) защита полу­чается грубой за счет большой вели­чины емкости обмоток генератора. Чувствительность защиты может быть повышена или путем примене­ния направленных реле, не дей­ствующих от емкостного тока генератора, протекающего через ТНП при внешнем замыкании на землю, или путем компенсации емкостного тока ге­нератора. В обоих случаях необходимость загрубления защиты для отстройки от емкостного тока генератора отпадает. Один из вариантов схемы защиты с компенсацией емкостного тока генератора изображен на рис. 15-26.

Компенсирующая обмотка 1 питается от трансформатора напряжения 2. Конденсатор С подобран с таким расчетом, чтобы,ток в компенсирующей обмотке был равен емкостному току генератора при внешнем замыкании и противоположен ему по знаку. Тогда ток в компенсирующей обмотке при внеш­нем замыкании на землю компенсирует емкостный ток генератора, а при по­вреждении в генераторе действует согласно с током повреждения и повы­шает чувствительность защиты. Схема применяется на генераторах 100 МВт.

д) Оценка защит с ТНП

Разработанные в СССР токовые защиты с трансформаторами тока нулевой последовательности с подмагничиванием отличаются простотой и высокой чувствительностью. Опыт эксплуатации их

дал весьма положительные результаты. Нуждается в дальнейшей разработке вопрос об отстройке защиты от бросков емкостного тока при замыканиях на землю вне генератора.

Дата добавления: 2014-12-23