Продольная дифференциальная защита

Основной
защитой генератора от междуфазных к.з.
в обмотке статора генератора и на его
выводах является продольная дифференциальная
защита.

Принцип
действия продольной дифференциальной
защиты основан на сравнении величин и
фаз токов по концам защищаемой зоны.

С

хема, поясняющая принцип действия
защиты представлена на рис.7-2.

Рис. 7-2. Принцип
действия продольной диф.защиты генератора

а) токораспределение
при внешнем к.з.

б) токораспределение
при к.з. в зоне.

Реле
защиты подключается на разность токов
трансформаторов тока с одинаковыми
коэффициентами трансформации установленных
со стороны главных выводов и со стороны
нейтрали генератора, поэтому в зону
действия защиты входят обмотка и выводы
(главные и нулевые) статора генератора.

При
внешнем к.з. (К1)
и в нагрузочных режимах токи в первичных
обмотках трансформаторов тока (I_I
и I_II)
равны по величине и направлены в одну
сторону (к месту к.з.), а ток в реле
I_p=I_IB—I_IIB
равен нулю поэтому защита не работает.

При
к.з. в зоне действия защиты (К2)
первичные токи к.з. направлены встречно
(противоположны по фазе), ток в реле
суммируется I_p=I_IB+I_IIB
и реле срабатывает если I_p>I_с.з.

Продольная
дифференциальная защита должна
действовать на отключение генераторного
выключателя и развозбуждение генератора
(отключение автомата гашения поля –
АГП).

В
действительности из‑за погрешностей
трансформаторов тока в реле появляется
ток небаланса I_p=I_нб.
Для исключения ложной работы защиты
ток срабатывания продольной диф. защиты
генератора выбирается по условию
отстройки от тока небаланса, проходящего
в реле при внешних к.з.:

I_c.з.=К_нI_{нб.макс}

Чтобы
уменьшить ток небаланса для продольной
дифференциальной защиты подбираются
трансформаторы тока с одинаковыми
характеристиками намагничивания. При
расчёте тока небаланса это учитывается
коэффициентом однотипности.

С
этой же целью рекомендуется выравнивать
сопротивления плеч продольной
дифференциальной защиты подбором
соответствующих сечений жил соединительных
кабелей и включать последовательно с
токовыми реле добавочные сопротивления
величиной 5-10
Ом.

Для
повышения чувствительности дифференциальной
защиты наиболее целесообразно использовать
реле с быстро насыщающимися трансформаторами
типа РНТ, а также использовать диф. реле
с торможением типа ДЗТ.

На генераторах,
работающих на шины генераторного
напряжения, применяются две схемы
продольной диф. защиты (рис. 7-3).

В
схеме на рис. 7-3, а, которая применяется
на генераторах малой мощности (до 30
МВт),
используются два токовых реле и четыре
трансформатора тока. Существенным
недостатком этой схемы защиты является
то, что она не будет срабатывать при
двойном замыкании на землю (одно в сети,
другое в обмотке статора генератора,
на фазе в которой отсутствуют трансформаторы
тока). Обычно схему в 2-х фазном исполнении
с реле тока типа РТ-40
применяют на генераторах, имеющих защиту
от замыканий на землю, действующую на
отключение генератора без выдержки
времени при двойных замыканиях на землю.
При отсутствии земляной защиты применяют
схемы диф. защиты в 3-х фазном исполнении.

Рис. 7-3. Схемы
продольной диф.защиты генератора

а) в 2-х фазном
исполнении на реле РТ-40

б) в 3-х фазном
исполнении на реле РНТ.

Защита
может ложно сработать при обрывах
проводов в её плечах, так как при этом
в реле одной фазы появляется ток,
соответствующий току нагрузки генератора.
Поэтому ток срабатывания защиты
выполненной с использованием реле тока
РТ-40
определяют по выражению:

I_с.з.=1,3I_г.ном

при этом
чувствительность защиты существенно
уменьшается.

Схема
продольной диф. защиты на реле РНТ
(рис. 7-3, б) используется на генераторах
мощностью выше 30
МВт,
при этом защита выполняется, как правило,
в 3-х фазном исполнении независимо от
наличия защиты от замыканий на землю,
действующей на отключение.

При
использовании реле типа РНТ
с быстронасыщающимся трансформаторами
(БНТ)
дифференциальная защита имеет задержку
на срабатывание на время присутствия
в токе к.з. значительной апериодической
составляющей. При этом К_a=1.
Наличие в схеме БНТ
позволяет эффективно отстраиваться от
бросков тока небаланса при внешних
к.з., но приводит к увеличению на 1,01,5
периода времени действия защиты при
внутренних к. з. Кроме того, наличие
выравнивающих обмоток у реле РНТ
позволяет скомпенсировать неравенство
токов в плечах диф. защиты.

Ток
срабатывания защиты с использованием
реле РНТ
определяется
по выражению:

I_с.з.=(0,5-0,6)
I_г.ном.

при
этом чувствительность защиты выше, чем
в защите с токовыми реле РТ‑40.

Для
сигнализации обрыва соединительных
проводов токовых цепей диф. защиты в
нулевой провод токовых цепей включается
токовое реле Т₀,
ток срабатывания которого устанавливается
равным (0,20,3)
I_г.ном.

На
рис. 7-4 представлена упрощённая схема
продольной диф. защиты генератора с
использованием реле подключенных через
быстронасыщающиеся трансформаторы с
торможением (с использованием реле ДЗТ)
с током срабатывания

Рис. 7-4. Упрощённая
схема продольной диф. защиты генератора
на реле ДЗТ

При
использовании дифференциальных реле
с торможением типа ДЗТ
в
которых сочетается два принципа отстройки
защиты от тока небаланса: применение
быстронасыщающегося трансформатора
для ограничения I_нб,
поступающего в реле и торможения, при
котором ток срабатывания реле автоматически
увеличивается с ростом тока к.з. При
этом I_с.з.=(0,1-0,2)
I_г.ном.

Реле
ДЗТ
имеют тормозную (W_т)
и рабочую (W_р)
обмотки. Тормозная обмотка, как правило,
включается на ток трансформаторов тока
со стороны главных выводов генератора,
а рабочая – по дифференциальной схеме
на разность токов через быстронасыщающийся
трансформатор.

Чувствительность
продольной дифференциальной защиты
генератора проверяют по току 2-х фазного
к.з. на выводах отключённого от сети
генератора:

Следует
отметить, что продольная дифференциальная
защита является быстродействующей
защитой с абсолютной селективностью,
так как работает без выдержки времени,
а селективность её действия обеспечивается
самой схемой защиты (защита действует
только при к. з. внутри защищаемой зоны
– в зоне между ТТ
установленных на главных и нулевых
выводах обмотки статора генератора).

Кроме
того, продольная диф. защита генератора
не действует при замыканиях между
витками одной и той же фазы обмотки
статора, а также при междуфазных к.з.
вблизи нулевой точки генератора (в
мёртвой зоне). Однако, из-за небольших
потенциалов в этой части цепи статора
генератора, вероятность возникновения
там к.з. незначительна.

Выводы:

1. Продольная
   дифференциальная защита является
   основной защитой генератора от
   междуфазных к.з. в обмотке статора и на
   его выводах.

2. Продольная
   дифференциальная защита является
   защитой с абсолютной селективностью,
   обладает необходимыми быстродействием
   и надёжностью; селективность действия
   обеспечивается её принципом действия
   основанном на сравнении величин и фаз
   токов по концам защищаемой зоны.

3. Высокая
   чувствительность защиты обеспечивается
   соответствующим выбором трансформаторов
   тока, применением дифференциальных
   реле с БНТ, а также диф. реле с торможением.

4. Недостатком
   продольной диф. защиты с БНТ является
   наличие некоторого замедления её
   действия при к.з. в зоне (до 0,060,1
   с).

5.2 Защита генераторов

Синхронные генераторы относятся к наиболее ответственному оборудованию, работающему в режиме интенсивных электрических и механических нагрузок. Их выход из работы может привести к возникновению системной аварии, поэтому устройства релейной защиты должны в полном объеме обеспечивать требования быстродействия, селективности, чувствительности и надежности.

5.2.1 Виды повреждений и ненормальных режимов работы генераторов

Повреждения генераторов

Витковые замыкания являются опасным видом повреждения и характеризуются протеканием больших токов в замкнувшихся витках при незначительном изменении тока в неповрежденной части обмотки.

Замыкания на землю — наиболее часто возникающий режим повреждения. В месте замыкания на землю возникает дуга, которая может привести к значительным разрушениям стали статора.

Многофазные короткие замыкания. Наиболее вероятной причиной их возникновения являются однофазные замыкания при нарушении изоляции в лобовых частях обмотки. Возникающие токи могут привести к значительным разрушениям генератора, поэтому требуют немедленного отключения.

Повреждения обмотки ротора. Обмотки ротора генератора находятся под невысоким напряжением (300 — 500) В, поэтому их изоляция обладает значительным запасом прочности. Однако, из-за тяжелых механических условий работы относительно часто возникают замыкания на землю в одной или двух точках. Замыкание на землю в одной точке ротора не влияет на работу генератора, но при этом возникает возможность замыкания в другой точке возбуждения. При его появлении часть обмотки ротора шунтируется. Искажение магнитного поля машины приводит к возникновению вибрации и разрушению подшипников и уплотнений вала генератора, обгоранию изоляции и оплавлению меди обмотки.

124

Анормальные режимы работы генераторов

Внешние короткие замыкания должны ликвидироваться защитами смежных присоединений. Однако, в случае отказа защиты или выключателя этого элемента ток короткого замыкания должен быть отключен защитой генератора.

Перегрузки генератора возникают в результате отключения или отделения части параллельно работающих генераторов, при работе форсировки возбуждения, самозапуске двигателей, потере возбуждения и т. д. Перегрузки вызывают перегрев обмоток, старение изоляции и, как следствие, ее повреждение. При возникновении перегрузки защита должна действовать на сигнал и только в тех случаях, когда разгрузка генераторов не дает результатов, по истечении допустимого времени генераторы должны отключаться.

Несимметрия фазных токов возникает при внешних однофазных и двухфазных замыканиях, при большой несимметричной нагрузке близких потребителей, при неполнофазных режимах работы энергосистемы. Несимметрия сопровождается появлением в обмотке статора токов обратной последовательности. При этом в роторе возникают токи двойной частоты, вызывающие его повышенный нагрев и вибрацию вращающихся частей машины.

Повышение напряжения возникает в результате неисправности системы возбуждения. Защита обязательна к установке на гидрогенераторах и турбогенераторах мощностью 160 мВт и более.

Асинхронный режим возникает при потере возбуждения и в результате нарушения устойчивости и сопровождается потреблением из сети значительного реактивного тока, понижением напряжения на зажимах генератора, увеличением частоты вращения ротора, возникновением местных перегревов ротора и повышенным нагревом крайних пакетов статора. Из-за повышенных значений тока статора работа генератора в асинхронном режиме ограничивается по времени. Для турбогенераторов мощностью (63 — 500) мВт длительность асинхронного режима допускается до 15 минут, для турбогенераторов мощностью 800 мВт и более асинхронный режим недопустим.

5.2.2 Защита генераторов от внутренних повреждений

Для защиты генераторов от внутренних повреждений применяются следующие защиты:

— поперечная дифференциальная защита;

125

-продольная дифференциальная защита;

-защита от замыканий на землю

5.

2.3 Поперечная дифференциальная защита

Поперечная дифференциальная защита ставится на генераторах, обмотки статора которых содержат две параллельные ветви, и предназначена для защиты от витковых замыканий. Принцип действия защиты основан на сравнении токов, протекающих по параллельным ветвям. Защита выполняется односистемной на токовом реле с фильтром высших гармоник. Это реле присоединяется к трансформатору тока, врезанному в перемычку между нейтралями параллельных обмоток статора (Рис.93).

Рис.93 Принцип действия поперечной дифференциальной защиты генератора

В нормальном режиме работы э.д.с. соответствующих ветвей генератора равны между собой:

E A1 E A2; EB1 EB2; EC1 EC2.

При возникновении виткового замыкания, например, при замыкании части витков ветви 1 фазы А, э.д.с. этой ветви становится меньше э.д.с. параллельной ветви:

126

EA1 E A2 ,

внулевом проводе начинает протекать ток, и реле сработает.

Первичный ток срабатывания защиты при проектировании принимается равным 0,2Iномгенератора.

Ликвидация витковых замыканий в обмотке статора, не имеющей параллельных ветвей, возлагается на защиту от замыканий на землю

5.2.4 Продольная дифференциальная защита

Продольная дифференциальная защита является основной защитой генератора от многофазных коротких замыканий. Защита присоединяется к трансформаторам тока, установленным со стороны фазных и нулевых выводов генератора (Рис.94).

Рис.94 Схема продольной дифференциальной защиты генератора

Принцип действия защиты основан на сравнении токов, протекающих со стороны фазных и нулевых выводов. В зону действия защиты входят обмотки, выводы статора и шины до распределительных устройств. Для повышения чувствительности в качестве пусковых органов используются токовые реле с насыщающимися трансформаторами или реле с торможением.

Чувствительность дифференциальной защиты оценивается по току двухфазного короткого замыкания для двух режимов: повреждение ге-

127

Дифференциальная защита генератора — система циркуляционного тока премии Merz и ее работа

Дифференциальная защита генератора в основном используется для защиты обмоток статора генератора от замыканий на землю и междуфазных замыканий. Неисправности обмотки статора очень опасны и наносят значительный ущерб генератору. Для защиты статорной обмотки генератора используется система дифференциальной защиты для устранения неисправности в кратчайшие сроки для минимизации степени повреждения.

Система оборотного тока Merz-Prize

В этой схеме защиты сравниваются токи на концах защищаемых секций. Когда система находится в нормальном рабочем состоянии, величины токов равны на вторичных обмотках трансформаторов тока. При возникновении неисправности ток короткого замыкания протекает через систему, и величина тока становится другой. Эта разность токов в условиях неисправности проходит через рабочую катушку реле.

Затем реле замыкает свои контакты и вызывает срабатывание автоматического выключателя, тем самым изолируя защиту от системы. Такая система называется системой циркуляционного тока Merz-Prize. Он очень эффективен при замыканиях на землю и замыканиях между фазами.

Соединение для системы дифференциальной защиты

Для системы защиты требуется два одинаковых трансформатора, которые устанавливаются по обеим сторонам зоны защиты. Вторичные выводы трансформаторов тока соединены звездой, а их концевые выводы соединены через контрольный провод. Катушки реле соединены треугольником. Нейтраль трансформатора тока и реле подключаются к общей клемме.

Реле подключается к эквипотенциальным точкам трех контрольных проводов так, чтобы нагрузка на каждый трансформатор тока была одинаковой. Эквипотенциальной точкой контрольного провода является его центр, поэтому реле расположено посередине контрольных проводов.

Для правильной работы системы дифференциальной защиты необходимо расположить катушки реле рядом с трансформатором тока рядом с главной цепью. Это можно сделать, подключив балансировочное сопротивление последовательно с контрольными проводами, чтобы создать точки уравнивания потенциалов, расположенные рядом с главным автоматическим выключателем.

Работа с системой дифференциальной защиты

Предположим, что неисправность возникает на фазе R сети из-за пробоя изоляции. Из-за неисправности ток во вторичной обмотке трансформатора становится неравным. Дифференциальные токи протекают через катушку реле. Таким образом, реле становится рабочим и дает команду выключателю на срабатывание.

Если неисправность возникает между любыми двумя фазами, скажем, Y и B, то через эти фазы протекает ток короткого замыкания. Неисправность разбалансировала ток, протекающий через трансформаторы тока. Дифференциальный ток протекает через рабочую катушку реле и, таким образом, реле размыкает их контакты.

Проблема, связанная с системой дифференциальной защиты

Провод сопротивления нейтрали используется в системе дифференциальной защиты для предотвращения неблагоприятного воздействия токов замыкания на землю. Когда замыкание на землю происходит вблизи нейтрали, это вызывает небольшой ток короткого замыкания, протекающий через нейтральную точку из-за небольшой ЭДС. Этот ток дополнительно уменьшается за счет сопротивления заземления нейтрали. Таким образом, небольшой ток будет протекать через реле. Этот небольшой ток не будет управлять катушкой реле, и, следовательно, генератор выйдет из строя.

Модифицированная схема системы дифференциальной защиты.

Для преодоления вышеуказанной проблемы была разработана модифицированная схема. В этой схеме расположены два элемента: один для защиты от замыкания на фазу, а другой для защиты от замыкания на землю.

Фазовые элементы соединены звездой вместе с резистором. Реле замыкания на землю находится между звездой и нейтралью. Двухфазные элементы вместе с балансировочным резистором соединены в звезду, а реле замыкания на землю подключено между звездой и нейтральным пилотным проводом.

Цепь, соединенная звездой, симметрична, и любой сбалансированный ток перегрузки из точки циркуляции тока не будет проходить через реле замыкания на землю. Таким образом, в этой системе чувствительное реле замыкания на землю будет работать с высокой степенью стабильности.

Дифференциальная защита генератора — защита генератора переменного тока с помощью дифференциальных реле

Дифференциальное реле — это реле защиты энергосистемы, которое срабатывает, когда разность векторов двух или более одинаковых электрических величин превышает заданное значение. В этой статье вы познакомитесь с дифференциальной защитой генераторов переменного тока.

Предположим, нам нужно измерить величину тока на обоих концах каждой фазной обмотки трехфазного генератора, показанного на следующей диаграмме: точек, чтобы их можно было соединить в конфигурации «звезда» или «треугольник» по желанию. В данном случае обмотки генератора соединены звездой. Пока мы измеряем ток, входящий и выходящий из каждой обмотки отдельно, не имеет большого значения, соединены ли эти обмотки генератора по схеме «звезда» или «треугольник».

 Если схема точно такая, как нарисована выше, величина тока, входящего и выходящего из каждой фазной обмотки, должна быть одинаковой в соответствии с законом тока Кирхгофа. То есть:

  IA1 = IA2 IB1 = IB2 IC1 = IC2

Предположим теперь, что один из витков внутри обмотки фазы «C» случайно коснется металлического каркаса генератора, например, что может произойти. в результате повреждения изоляции. Это замыкание на землю вызовет третий путь для тока в неисправной обмотке. IC1 и IC2 теперь будут разбалансированы на величину, равную току короткого замыкания IF:

Другая неисправность, определяемая законом тока Кирхгофа, представляет собой межфазное замыкание обмоток, когда ток течет из одной обмотки в другую. В этом примере короткое замыкание между фазами B и C в генераторе нарушает баланс входящих и исходящих токов для обеих фаз:

быть достаточно большим, чтобы создать угрозу перегрузки по току для генератора, но само существование дисбаланса тока в любой фазе доказывает, что обмотка повреждена. Другими словами, это тип системной неисправности, которая не обязательно может быть обнаружена реле максимального тока (50/51), и поэтому должна быть обнаружена каким-либо другим способом.

 Тип реле, предназначенный для этой задачи, называется реле дифференциального тока. Код номера ANSI/IEEE для дифференциальной защиты — 87. Существуют также дифференциальные реле напряжения с тем же обозначением «87» ANSI/IEEE, что требует указания, является ли рассматриваемая дифференциальная величина напряжением или током, когда упоминается «87». реле.

 Простая форма дифференциальной защиты по току для этого генератора может быть реализована путем подключения трансформаторов тока с обеих сторон каждой обмотки к рабочим катушкам такого электромеханического реле. Для простоты будет показана защита только одной фазной обмотки (С) генератора. Практичная система реле защиты от дифференциального тока будет контролировать ток через все шесть проводов статора генератора, сравнивая входные и выходные токи в каждой фазе:

Если первичные токи ТТ IC1p и IC2p равны и коэффициенты трансформации ТТ равны, вторичные токи ТТ IC1s и IC2s также будут равны. В результате ток через рабочую катушку (ОС) дифференциального реле будет равен нулю46.

 Если, однако, замыкание на землю или соседнюю обмотку возникнет где-либо в пределах обмотки статора «C» генератора, то первичные токи двух трансформаторов тока станут неравными, вызывая неравные вторичные токи, тем самым вызывая значительное количество ток, протекающий через катушку срабатывания дифференциального реле (OC). Если этого тока достаточно для того, чтобы дифференциальное реле «сработало», реле отправит сигнал, дающий команду на отключение автоматического выключателя генератора.

 Даже если значение срабатывания реле смещено во избежание ненужного срабатывания, все еще возможно, что большой фазный ток, требуемый от генератора, может вызвать срабатывание дифференциального реле из-за невозможности идеального согласования между двумя фазами «C». трансформаторы тока. Любое несоответствие между этими двумя трансформаторами тока приведет к неравенству вторичных токов, которое будет увеличиваться по мере увеличения величины фазного тока. Большие пусковые токи с высоким содержанием гармоник47, иногда возникающие при первоначальном включении большого силового трансформатора, также могут вызывать ложные срабатывания в этой простой форме дифференциальной защиты. Мы не хотим, чтобы это дифференциальное реле срабатывало по каким-либо причинам, кроме внутренней неисправности генератора в его фазной обмотке, поэтому необходима модификация для обеспечения другой рабочей характеристики.

 Если мы изменим реле так, чтобы оно имело три катушки, одну для перемещения его механизма в направлении срабатывания и две, чтобы «удерживать» его механизм (удерживая механизм в нормальном рабочем положении), мы можем соединить эти катушки в таким образом, что две тормозные катушки 48 (RC) получают питание от двух вторичных токов ТТ, в то время как рабочая катушка видит только разницу между двумя вторичными токами ТТ. Мы называем эту схему дифференциальным реле с торможением, а прежнюю (более простую) конструкцию — дифференциальным реле без торможения:

Общая характеристика дифференциального реле с торможением заключается в срабатывании при превышении дифференциальным током установленного процента фазного тока. На этой фотографии показаны три дифференциальных реле, используемых для защиты обмоток трехфазного генератора на газотурбинной электростанции. Обратите внимание, что для защиты каждой из трех фаз генератора требуется одно реле дифференциального тока:

Современные цифровые дифференциальные реле обычно воспринимают сигналы трансформатора тока со всех трех фаз, что обеспечивает защиту в одном блоке, монтируемом на панели.