Повреждения и ненормальные режимы работы генераторов, основные требования к защите генераторов.

Защита генераторов

Виды повреждений генераторов. Большинство повреждений генератора вызывается нарушением изоляции обмоток статора и ротора, которые происходят вследствие старения изоляции, ее увлажнения, наличия в ней дефектов, а также в результате перенапряжений, механических повреждений, например из-за вибрации стержней обмоток и стали магнитопровода.

Повреждения в статоре. В статоре возникают междуфазные КЗ, замыкание одной фазы на корпус (на землю), замыкание между витками обмотки одной фазы. Междуфазные КЗ сопровождаются прохождением в месте повреждения очень больших токов (десятки тысяч ампер) и образованием электрической дуги, вызывающей выгорание изоляции и токоведущих частей обмоток, а иногда и стали магнитопровода. При замыкании обмотки статора на корпус ток повреждения проходит в землю через сталь магнитопровода статора, выжигая ее. Повреждение стали требует длительного ремонта с перешихтовкой магнитопровода (переборка активной части стали статора). Длительные замыкания на землю могут переходить в междуфазные КЗ, что увеличивает объем повреждений. Замыкание витков одной фазы происходит относительно редко; оно переходит либо в замыкание на землю, либо в КЗ между фазами.

Повреждения в роторе. Обмотка ротора генератора находиться под сравнительно невысоким напряжением, и поэтому ее изоляция имеет значительно больший запас электрической прочности, чем изоляция статорной обмотки. Однако из-за значительных механических усилий, обусловленных большой частотой вращения роторов турбогенераторов (1500-3000об/мин), относительно часто наблюдаются случаи повреждения изоляции и замыкания обмотки ротора на корпус (т.е на землю)

в одной или двух точках.

Замыкание на корпус в одной точке обмотки ротора неопасно, так как ток в месте замыкания очень мал и нормальная работа генератора не нарушается. Но при этом повышается вероятность возникновения опасного для генератора аварийного режима в случав появления второго замыкания на корпус в другой точке цепи возбуждения. При двойных замыканиях часть витков обмотки ротора оказывается зашунтированной; сопротивление ротора при этом уменьшается, и в обмотке появляется повышенный ток, что вызывает дальнейшие разрушения в месте повреждения и может вызвать горение изоляции обмотки ротора. Кроме того, из-за нарушения симметрии магнитного потока в воздушном зазоре между ротором и статором, обусловленного замыканием части витков обмотки ротора, возникает сильная вибрация, опасная для генератора. Особенно большая и опасная вибрация появляется при двойном замыкании на землю на гидрогенераторах и синхронных; компенсаторах (СК), имеющих явнополюсные роторы.

Ненормальные режимы. Ненормальными режимами генератора считаются: опасное увеличение тока в статоре или роторе сверх номинального значения (появление сверхтоков); несимметричная нагрузка фаз статора; опасное повышение напряжения на статоре; асинхронный и двигательный режимы генератора. Повышенные токи в генераторе возникают при внешних КЗ и перегрузках. При внешних КЗ в генераторе, питающем место повреждения, появляется ток КЗ Iк > Iном.г.Нормально такие КЗ ликвидируются РЗ поврежденного элемента и неопасны для генератора. Однако в случае отказа РЗ или выключателя этого элемента ток в генераторе будет проходить длительно, нагревая его обмотки, что может привести к их повреждению. Для предупреждения этого, на генераторе должны предусматриваться РЗ, реагирующие на внешние КЗ и резервирующие отказ выключателей смежных элементов. Перегрузка, т. е. увеличение тока нагрузки в обмотках генератора сверх номинального значения Iг > Iном, так же как и внешнее КЗ, ведет к перегреву обмоток и может вызвать порчу изоляции, если ее температура превзойдет некоторое пре дельное значение Тдоп, опасное для изоляции. Допустимое время tдоп для генератора с косвенным охлаждением определяется по формуле: tдоп = 150/(ki - 1), где ki - кратность тока перегрузки к Iном.

Для ограничения размеров и массы, снижения стоимости и уменьшения затрат дефицитных материалов генераторы мощностью 63 МВт и более выполняются с повышенной магнитной индукцией в магнитопроводе машины, повышенной плотностью тока в обмотках статора и ротора, пониженными термическими запасами и более интенсивной (форсированной) системой непосредственного охлаждения обмоток, осуществляемого подачей охлаждающей среды (водорода, воды, масла) во внутреннюю полость проводников обмоток статора и ротора. Отечественные заводы выпускают генераторы с непосредственным охлаждением обмоток: ротора водородом - типа ТВФ; ротора и статора водородом - ТГВ-200 и ТТВ-300; статора водой, а ротора водородом - ТВВ и ТГВ-200М; статора маслом, а ротора водой - ТВМ; статора и ротора водой - ТГВ-500 и ТГВ-800.

Допустимая длительность перегрузки по статору и ротору для генераторов разных типов приведена на рис. 18, Это время зависит от способа охлаждения. Перегрузка статора до 30% на генераторах с непосредственным охлаждением и до 50% на генераторах с косвенным охлаждением допускается в течение 2 мин и более, поэтому при таких перегрузках не требуется немедленного автоматического отключения генератора. Во многих случаях перегрузки ликвидируются сами до истечения предельного времени tдоп. При авариях в энергосистеме с дефицитом генераторной мощности автоматически или вручную оперативным персоналом принимаются меры по разгрузке перегруженных генераторов.

Несимметрия токов в фазах генераторов возникает при двух - и однофазных КЗ вне генератора, при обрывах одной или двух фаз цепи, связывающей генератор с нагрузкой, и при неполно-фазном режиме работы в сети. Несимметрия токов статора при водит к дополнительному нагреванию ротора и механической вибрации машины. Несимметрия сопровождается появлением в обмотке статора токов ОП I2. Эти токи создают магнитное поле, вращающееся в сторону, противоположную вращению ротора. В результате этого магнитный поток, созданный тока ми I₂, пересекает корпус ротора с двойной частотой. Он индуцирует в металлических частях ротора значительные вихревые токи двойной частоты и создает дополнительный, пульсирующий с двойной частотой электромагнитный момент. Вихревые токи вызывают повышенный нагрев ротора, пульсирующий момент - вибрацию.

Несимметрия токов особенно опасна для крупных современных турбо- и гидрогенераторов, выполняемых, как указывалось выше, с пониженным тепловым запасом. С учетом термических и механических характеристик отечественных генераторов допускается их длительная работа с несимметрией токов по фазам, не превышающим 10% для турбогенераторов и 10-20% для гидрогенераторов и СК, при условии,что ток в фазах не превосходит номинального значения. При указанной несимметрии ток I₂ составляет примерно 5% и 10% I_ном соответственно, эти значения являются максимально длительно допустимыми токами I_2maxд.Ток I₂ >I_2max вызывает опасный дополнительный нагрев ротора и допускается лиш в течении t_доп определяемого предельной

температурой t_пред , допустимой для изоляции обмотки ротора и отдельных, наиболее подверженных нагреву его элементов:

₂

t_{доп =} А/I_2* ;

Где I₂ – кратность среднего за время t_доп действующего значения тока I₂ к номинальному току генератора; А - тепловая постоянная

Зависящая от типа генератора.Под средним значением тока I₂ генератора понимается действующее значение этого тока, остающееся постоянным в течении времени t_доп и выделяющее за это время такое же количество тепла, что и действительный ток I_2(f), значение которого измеряется во времени:

где I_2(f) – мгновенное значение I₂ , отн.ед.

Выражение (17.1) является тепловой характеристикой ротора генератора, определяющей допустимую продолжительность несимметричных режимов в зависимости от значения тока I₂:

t_доп = f(I₂) [57].Тепловые характеристики приведены на рис. 19и в табл. 1Постоянная А принята по данным заводов. Для турбогенераторов с косвенным водородным охлаждением А = 30, для генераторов

П Продолжительность несимметричного режима, с.	Допустимый ток I2, в долях номинального, для турбогенераторов
ТВФ	ТВВ и ТГВ (до 800Мвт)
	2,6
	2,3	1,6
	1,9	1,4
	1,7	1,25
	1,2	0,9
	0,9	--

Таблица 1

ТВФ А - 15, ТГВ, ТВВ и ТВМ А = 8. Для турбогенераторов 800 МВт А = 6.

Из характеристик на рис. 19 видно, что для мощных генера­торов с непосредственным охлаждением при I _3* = 0,3Iном.г вре­мя tдоп относительно мало (меньше 2 мин), поэтому при подоб­ных перегрузках требуются автоматические устройства, защи­щающие генераторы при несимметричных режимах.

У генераторов с косвенным охлаждением и большими запа­сами по нагреву роторов (кривые 1 и 2) допустимое время зна­чительно больше, и автоматическое отключение для них тре­буется при токах I2 > 0,5Iном.г.

Повышение напряжения возникает на генераторах при вне­запном сбросе нагрузки, так как при этом исчезает магнитный поток реакции статора и увеличивается частота вращения раз­грузившейся машины.

На турбогенераторах, как правило, повышение напряжения не достигает опасных значений и ликвидируется автоматиче­скими регуляторами скорости и возбуждения.Вместе с тем в условиях холостого хода генератора при неисправности авто­матического регулятора возбуждения (АРВ) может иметь мес­то значительное повышение напряжения обмотки статора, опасное для турбогенератора. Для предотвращения подобных повышений напряжения на турбогенераторах с непосредствен­ным охлаждением обмоток предусматривается специальная РЗ, действующая на гашение поля.

На гидрогенераторах регуляторы скорости действуют медлен­нее, чем на турбогенераторах, в результате этого при сбросе нагрузки частота вращения агрегата резко увеличивается и может превысить номинальную на 40-60%, а напряжение генератора вследствие этого может возрасти до 150% номинального и больше. Поэтому на всех гидрогенераторах предусматривается РЗ от повышения напряжения, действующая на снятие возбуждения или отключение генератора.

Асинхронный режим возникает при потере возбуждения,

из-за отключения АГП и по любой другой причине. Асинхронный режим сопровождается потреблением из сети значительного реактивного тока, понижением напряжения на зажимах генератора, увеличением частоты вращения ротора и в общем случае - качаниями.

Турбогенераторы могут работать в асинхронном режиме с некоторым скольжением, как асинхронные генераторы, при условии снижения активной нагрузки. Благодаря повышенным

значениям тока работа генератора в асинхронном режиме ограничена а зависимости от его конструкции и термических характеристик.

При переходе генератора в асинхронный режим целесообразно отключить АГП, после чего обмотка ротора замкнется на гасительное сопротивление. Это приведет к уменьшению скольжения, уменьшению колебаний тока и напряжения на зажимах статора, снижению перенапряжений на обмотке ротора, созданию благоприятных условий для ресинхронизации. Поскольку снижение напряжения статора может вызвать нарушение работы электродвигателей и механизмов собственных нужд, целесообразно переводить питание собственных нужд энергоблока, генератор которого работает в асинхронном режиме, на резервный источник питания.

Для всех турбогенераторов мощностью до 500Мвт допускается кратковременный асинхронный режим (длительностью до 15мин).Использование асинхронного режима с последующей ресинхронизацией генератора (после восстановления его возбуждения) позволяет сохранить его в работе. Однако в ряде случаев асинхронный режим может оказаться недопустимым из-за дефицита реактивной мощности в данном районе энергосистемы. В этих случаях генератор должен отключаться.

Для турбогенераторов мощностью 800Мвт и более, а также для гидрогенераторов, имеющих роторы с явно выраженными полюсами, асинхронный режим недопустим, поскольку он сопровождается большими толчками токов и длительными незатухающими качаниями.

Общие требования к защите генераторов. На генераторах устанавливаются РЗ от внутренних повреждений и опасных ненормальных режимов, т.е таких режимов, которые могут вызывать повреждение генератора. При ненормальных режимах работы генератора, не требующих немедленного отключения, РЗ, как правило, должна действовать на сигнал, по которому дежурный обязан принять меры к устранению ненормального режима без отключения генератора. Автоматическое отключение генератора допускается только в тех случаях, когда возникший ненормальный режим нельзя устранить, а его дальнейшее продолжение ведет к повреждению генератора.

Для предотвращения развития повреждения, возникающего в генераторе, РЗ от внутренних повреждений должны отделить генератор от сети, отключив генераторный выключатель, и прекратить ток в обмотке ротора. Защиты от внешних КЗ должны отключать генераторный выключатель для прекращения тока КЗ, посылаемого генератором в сеть, и для прекращения тока в обмотке ротора в целях предупреждения повышения напряжения на зажимах генератора вследствие сброса нагрузки.

При тиристорном возбуждении гашение поля осуществляется переводом тиристоров в инверторный режим, при бесщеточном возбуждении - переводом в инверторный режим тиристоров в цепи возбуждения возбудителя. Технологические защиты турбины при некоторых повреждениях и ненормальных режимах (например, при осевом сдвиге ротора, понижении давления масла, срыве вакуума) действуют на закрытие стопорного клапана турбины и подают команду по цепям своей технологической защиты на отключение генератора и прекращение тока возбуждения в роторе.

Зарубежные фирмы(например, АВВ) предусматривают дополнительно защиту от работы генератора в режиме двигателя в виде реле направления мощности, реагирующего на появление активной составляющей мощности, направленной в обмотку статора генератора. Подобная защита начала также применяться и в отечественной практике.

Дата добавления: 2014-01-04