КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр

При замыканиях на землю (на корпус) обмотки генератора появляется напряжение нулевой последовательности U0 Г = UФ.Г.,

где:
	количество замкнувшихся на землю витков обмотки статора
	генератора, %;
UФ.Г.	фазное напряжение генератора.

Защита срабатывает при условии 3U0 Г>Uс.з..

На рис. 9-5, б представлена зависимость напряжения нулевой последовательности U0 Г и тока замыкания на землю Iз от числа замкнувшихся витков, из которой видно, что рассматриваемая защита имеет зону нечувствительности (мёртвую зону) если Uс.з.<3U0 Г= xUФ.Г.,

	где:
	х	число витков, при которых U0 Г. недостаточно для действия защиты
			Uс.з.
	x			100%
			UФ

Обычно уставка срабатывания защиты выбирается порядка Uс.з.=0,15 UФ.Г. (Uс.р.=15 В), при этом защита надёжно отстроена от напряжений небаланса появляющегося на обмотке разомкнутого треугольника ТН в реальных эксплуатационных режимах, в том числе защита не реагирует на замыкания на землю в сети собственных нужд, но может сработать при зам ыканиях на землю в сети ВН блочного трансформатора.

На генераторах, имеющих ток замыкания на землю менее 5А защиту выполняют с действием на сигнал с выдержкой времени порядка 0,5 1,5с, а при токах замыкания на землю более 5А устанавливают в нулевой точке генератора дугогасящую катушку, компенсирующую ёмкостный ток генератора до величины меньше 5А.

Для повышения чувствительности защиты реле максимального напряжения включают через фильтр третьей гармоники (используют специальное реле с фильтром типа РНН-57), что значительно снижает уставку защиты (до величины 4-5 В).

Недостатком рассмотренной максимальной защиты напряжения нулевой последовательности является наличие зоны нечувствительности при замыкании вблизи нулевых выводов обмотки статора. Вероятность повреждений в указанной зоне возросла в связи с использованием на мощных генераторах (300 мВт и выше) непосредственного охлаждения обмотки статора. Поэтому в последние годы на генераторах с непосредственным охлаждением применяют защиту типа ЗЗГ-1, не имеющей мёртвую зону (так называемую

«100% земляную защиту генератора»).

Схема подключения ЗЗГ-1 приведена на рис. 9-6.

Рис. 9-6. Схема подключения реле ЗЗГ-1

Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

61

Защита состоит из 2-х реле: органа основной гармоники и органа третьей гармоники.

Орган первой гармоники представляет собой максимальное реле напряжения с фильтром высших гармоник, пропускающим только напряжение основной гармоники.

Реле подключается к разомкнутому треугольнику ТН генератора и предназначено для защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора со стороны главных выводов генератора.

Орган третьей гармоники представляет собой реле напряжения с торможением, в котором рабочее напряжение представляет собой сумму напряжений третьей гармоники

			, а тормозным напряжением является напряжение нейтрали		. Реле
Uí	UB			Uí

подключается к разомкнутому треугольнику ТН генератора и ко вторичной обмотке ДГК (или ТН нейтрали генератора) и предназначено для защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора со стороны нулевых выводов генератора.

Орган третьей гармоники срабатывает в режимах, когда

Uраб= Uí UB >Uторм= Uí ,

			где
:
			напряжение нейтрали генератора;
	Uí
			напряжение на главных выводах генератора.
UB

Коэффициент торможения реле обычно принимают равным:

KT		Uторм						2
					Uн
		Uраб		Uн		UB

Значения напряжений третьей гармоники как на главных выводах, так и в нейтрали генератора относительно малы. Отношение этих напряжений практически не изменяется и не зависит от изменения нагрузки и режима работы генератора.

Орган 3-ей гармоники реагирует на отношение модулей векторов

и

,

UB

Uí

Uí

где:

и

векторы напряжений 3-ей гармоники в нейтрали

Uí

UB

и на главных выводах генератора

В нормальном режиме (без замыкания на землю) защита ЗЗГ-1 не работает так как

во-первых орган основной гармоники имеет уставку срабатывания превышающую

напряжение небаланса на разомкнутом треугольнике ТН генератора Uс.з1>Uнб, и во-

вторых суммарное напряжение

(в рабочем контуре реле близко к нулю |

| и |

UB

Uí

Uí

| противоположны по фазе, а в тормозном контуре действует напряжение

UB

Uí

надёжно блокируя орган третьей гармоники.

При замыкании на землю на главных выводах или в части обмотки статора со стороны главных выводов генератора орган основной гармоники срабатывает т.к. на разомкнутом треугольнике ТН генератора появляется напряжение

Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

62

3U0=UФ.Г.>Uс.з.1=0,15UФ.Г.

Орган третьей гармоники не работает, так как при замыкании на землю одной из фаз на выводах генератора напряжение UB равно нулю, при этом напряжение в рабочем и

тормозном контурах будут равны. Срабатывание или несрабатывание защиты в этом случае зависят от коэффициента торможения, а так как КТ настраивается равным 2, то орган третьей гармоники будет блокирован.

При замыкании в нейтрали напряжение третьей гармоники		снижается до
	Uí

нуля, а UB возрастает, при этом тормозное напряжение также снижается до нуля, а

рабочее возрастает Uраб>Uторм и орган третьей гармоники срабатывает. Орган первой гармоники в этом режиме не работает т.к. имеет мёртвую зону со стороны нейтрали.

Защита ЗЗГ-1 действует на отключение и развозбуждение генератора.

Выводы:

1.В качестве защиты от однофазных замыканий на землю в статоре блочных генераторов с косвенным охлаждением применяют защиту максимального напряжения нулевой последовательности выполненную на одном реле максимального напряжения подключаемым к обмотке разомкнутого треугольника трансформатора напряжения установленного на главных выводах генератора. Защита выполняется с действием на сигнал и имеет «мёртвую зону» со стороны нейтрали генератора.

2.Для защиты блочных генераторов с непосредственным охлаждением

(мощностью более 300 мВт) применяют защиту от замыканий на землю, не имеющую зоны нечувствительности типа ЗЗГ-1. Защита выполняется с действием на отключение и развозбуждение генератора.

9.5. Защита от повреждения вводов напряжением 500 кВ и выше блочных трансформаторов.

Мощные генераторы, как правило, работают в блоках с трансформаторами, имеющими на стороне ВН бумажно-масляные вводы напряжением 500 и 750 кВ. При повреждении изоляции бумажно-масляного ввода возникает пожар трансформатора, причиняющий больше разрушения. Ремонт или замена мощного силового трансформатора обходится очень дорого и требует длительного времени. Поэтому на трансформаторах ВН 500 кВ и выше для предотвращения тяжёлых аварий применяют специальную защиту, реагирующую на ухудшение изоляции вводов и позволяющую обнаружить повреждение изоляции ввода в начальной стадии.

Бумажно-масляный ввод состоит из концентрических слоёв пропитанной маслом бумажной изоляции, охватывающей токоведущий стержень. Внутри изоляции ввода через определённое количество слоёв бумаги закладываются листы алюминиевой фольги (для равномерного распределения напряженности электрического поля). Таким образом, между соседними листами фольги с изоляцией между ними образуется конденсатор, а ввод в целом представляет собой систему последовательно включённых ёмкостей между токоведущим стержнем и землёй.

Ёмкостный ток ввода, возникающий под действием приложенного к нему фазному напряжению равен:

	Ic	UФ
		Xc
	где:
Iс		ёмкостный ток ввода;
UФ		фазное напряжение;

Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

63

Xc		1
			ёмкостное сопротивление изоляции ввода;
		ωCB
СВ			результирующая ёмкость изоляции ввода.

При повреждении изоляции ввода часть ёмкостей ввода шунтируется и ёмкостный ток возрастает. Таким образом, по изменению ёмкостного тока можно определять состояние изоляции ввода.

Для защиты от повреждения вводов напряжением 500 кВ и выше применяется устройство контроля изоляции вводов трансформаторов типа КИВ-500Р.

Принцип действия КИВ-500Р основан на измерении абсолютного значения геометрической суммы ёмкостных токов вводов трёх фаз трансформатора: İс(А)+ İс(В)+ İс(С) на рис. 9-7.

Наружные обкладки вводов 3-х фаз соединяются в звезду, а общая точка звезды присоединяется к земле через согласующий трансформатор Т1, во вторичную цепь которого включаются последовательно три органа защиты: чувствительное реле Р1, действующее на сигнал; грубое реле Р2, действующее на отключение и миллиамперметр с кнопкой для измерения суммарного ёмкостного тока вводов.

Рис. 9-7. Схема защиты вводов КИВ-500Р.

В нормальном режиме ёмкостные токи всех фаз равны по величине и сдвинуты по фазе на 1200, поэтому ток в реле Р1 и Р2 равен нулю и защита не работает. В действительности ёмкости фаз вводов неодинаковы, а также отличаются по величине фазные напряжения, поэтому сумма ёмкостных токов вводов трёх фаз отличается от нуля и в нулевом проводе проходит ток небаланса. Для уменьшения тока небаланса в первичной обмотке согласующего трансформатора Т1 предусмотрены ответвления, а реле Р1 и Р2 включают через фильтры Ф, пропускающую только первую гармонику с частотой 50 Гц.

При несимметричных к.з. во внешней сети фазные напряжения изменяются по величине и фазе и следовательно симметрия и равенство ёмкостных токов вводов нарушается и в реле также появляется ток небаланса.

Для исключения ложной работы защиты ток срабатывания защиты необходимо отстраивать от токов небаланса нормального режима и режима внешних несимметричных к.з.:

Iс.з.>Iнб.

При повреждении изоляции одного из вводов симметрия ёмкостных токов нарушается

Ic A Ic B Ic C 0 и защита срабатывает.

С помощью миллиамперметра дежурный персонал имеет возможность осуществлять периодический контроль за током небаланса КИВ-500Р. Увеличение тока указывает на появление начальной стадии повреждения изоляции ввода или на неисправность токовых цепей защиты, что может привести к её ложному срабатыванию.

Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

64

Сигнальный орган КИВ-500 действует на сигнал и настраивается на ток срабатывания в первичной обмотке согласующего трансформатора разном 5-7% номинального ёмкостного тока ввода.

Повреждение изоляции ввода, как правило, развивается относительно медленно при увеличении ёмкостного тока до 125 130% его номинального значения. Дальнейшее увеличение тока может происходить лавинообразно и быстро привести к разрушению ввода, поэтому отключающий орган КИВ-500Р, действующий на отключение трансформатора от сети, настраивается на ток срабатывания равный 20-25% номинального тока ввода, тем самым, предотвращая электрический пробой и разрушение ввода.

Основным в устройстве КИВ-500Р является сигнальный орган, так как его срабатывание свидетельствует о начавшемся процессе повреждения изоляции ввода ВН трансформатора и необходимости быстрого отключения трансформатора от сети.

Выводы:

1.Мощные трансформаторы, имеющие на стороне ВН бумажно-масляные вводы напряжением 500 кВ и более, оснащаются специальной защитой, реагирующей на изменение изоляции вводов и позволяющую выявить начальную стадию повреждения изоляции и не допустить возникновения разрушения ввода.

2.Для защиты от повреждения вводов ВН силовых трансформаторов напряжением 500 кВ и выше применяется устройство контроля изоляции вводов типа КИВ-500Р, состоящее из: сигнального органа (с уставкой 5-7% номинального ёмкостного тока ввода); отключающего органа (с уставкой 25-30% номинального ёмкостного тока ввода) и измерительного органа с помощью которого осуществляется периодический контроль за изменением суммарного ёмкостного тока всех трёх вводов силового трансформатора.

3.Основным элементом КИВ-500Р является сигнальный орган так как его срабатывание указывает о начавшемся процессе повреждения изоляции ввода ВН трансформатора и о необходимости быстрого отключения трансформатора от сети.

Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

65

10.ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Как в электроустановках потребителей, так и в установках собственных нужд электростанций наиболее широкое применение нашли простые и надёжные в эксплуатации асинхронные электродвигатели (АД). Асинхронные электродвигатели потребляют из сети относительно большую реактивную мощность, что является их недостатком, поэтому для приводов механизмов, не требующих регулирования частоты вращения применяют синхронные электродвигатели (СД) устройства автоматического регулирования возбуждения которых позволяют обеспечить резкое увеличение отдаваемой ими реактивной мощности при снижении напряжения в сети, что является эффективным средством повышения устойчивости работы электроустановок.

Релейная защита электродвигателей так же как и защита других электрических машин (генераторов и трансформаторов) должна реагировать на внутренние повреждения и опасные ненормальные режимы.

10.1. Повреждения и ненормальные режимы работы электродвигателей. Основные виды защит.

В обмотках электродвигателей могут возникать следующие повреждения: междуфазные к.з.,

замыкания на землю одной фазы статора и замыкания между витками. Междуфазные к.з. и

замыкания на землю могут также возникать на выводах электродвигателей и в питающих их кабелях. Короткие замыкания в электродвигателях сопровождаются прохождением в месте повреждения больших токов разрушающих изоляцию и медь токоведущих частей обмоток, а также сталь статора и ротора электродвигателя.

Для защиты электродвигателей напряжением выше 1 кВ от междуфазных к.з. применяется

токовая отсечка или продольная дифференциальная защита действующая на отключение.

Электродвигатели напряжением до 500 В защищаются от к.з. с помощью плавких предохранителей или электромагнитных расцепителей автоматов.

Однофазные замыкания на землю в обмотках статора электродвигателей напряжением 3-10 кВ, работающих в сетях с изолированной нейтралью, менее опасны чем к.з., так как сопровождаются прохождением небольших токов порядка 5-20А, определяемых ёмкостным током сети. Поэтому защита от замыканий на землю устанавливается на электродвигателях мощностью до 2 мВт при токах замыкания на землю более 10А и на электродвигателях мощностью более 2 мВт при токах замыкания на землю более 5А.

Перегрузка (длительное прохождение по обмоткам электродвигателя тока превышающего номинальный) является ненормальным режимом, так как может повлечь за собой повреждение электродвигателя.

Перегрузка электродвигателей может возникать из-за перегрузки или неисправности механизмов, а также при пусках и самозапусках электродвигателей когда из-за уменьшения скорости вращения уменьшается сопротивление электродвигателя.

Зависимость тока электродвигателя I от скорости вращения n при постоянно напряжении на его выводах приведена на рис. 10-1.

Рис. 10-1. Зависимость тока статора и сопротивление
электродвигателя	от	скорости	вращения	66
Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

Электродвигатели оснащаются защитами от перегрузки действующими: на разгрузку механизма или на отключение электродвигателя от сети.

Зависимость момента электродвигателя от напряжения на его зажимах характеризуется соотношением:

Mg=KU2

При к.з. в сети напряжения на выводах электродвигателя понижается, вследствие чего создаваемый им вращающийся момент уменьшается и становится меньше противодействовавшего ему момента механизма. В результате скорость вращения электродвигателя уменьшается тем больше, чем глубже и длительнее было снижение напряжения. После отключения к.з. напряжение на выводах восстанавливается, и скорость его вращения увеличивается. При этом по обмоткам электродвигателя проходят большие токи, величина которых определяется скоростью вращения и напряжением на его выводах. При снижении скорости вращения электродвигателя на 10-25% из-за снижения его сопротивления происходит увеличение тока до величины пускового тока. Процесс восстановления нормальной работы электродвигателя после отключения к.з. называется самозапуском, а токи, проходящие при этом – токами самозапуска.

Особое место по своей ответственности среди электродвигателей занимают электродвигатели механизмов собственных нужд электростанций. Поэтому защиты электродвигателей ответственных механизмов электростанций должны отличаться особой надёжностью и должны обеспечивать возможность их самозапуска.

Для обеспечения самозапуска электродвигателей ответственных механизмов собственных нужд электростанций применяют специальную защиту минимального напряжения, отключающую неответственные электродвигатели при снижении напряжения на их выводах до 60-70% номинального.

В случае обрыва одной из 3-х фаз обмотки статора электродвигатель продолжает работать, при этом скорость вращения ротора незначительно уменьшается, а обмотки 2-х неповреждённых фаз перегружаются током в 1,5-2 раза больше номинального. Как правило, защита от перегрузки является чувствительной к этому режиму и отдельной защиты от работы электродвигателя на 2-х фазах не предусматривают. Применение специальной защиты от работы электродвигателей на 2-х фазах допускается лишь в порядке исключения для электродвигателей защищаемых предохранителями, если 2-х фазный режим может привлечь за собой повреждение электродвигателя.

Специальных защит от витковых замыканий в одной фазе обмотки статора электродвигателя не применяют, так как простых способов исполнения таких защит на сегодняшний день не существует.

Выводы:

1. В электродвигателях могут возникать следующие повреждения и ненормальные режимы работы:

междуфазные к.з.;

замыкания на землю одной фазы обмотки статора;

витковые замыкания в обмотках статора и ротора;

перегрузки;

понижения напряжения.

2.	Электродвигатели должны оснащаться защитами от: междуфазных к.з.,
замыканий на землю, (действующие на отключение) и защитой от перегрузки
(действующей на разгрузку механизма или на отключение электродвигателя от
сети).
Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx		67

Специальными защитами от витковых замыканий электродвигатели не оснащаются из-за отсутствия простых способов их исполнения.

3. Защиты электродвигателей ответственных механизмов собственных нужд электростанций должны отличаться особой надёжностью и обеспечивать возможность самозапуска электродвигателей.

10.2.Защиты от междуфазных к.з.

Для защиты электродвигателей мощностью до 5 мВт от междуфазных к.з. обычно используется максимальная токовая отсечка мгновенного действия, отстроенная от пусковых токов и токов самозапуска.

Наиболее просто токовая отсечка реализуется на реле прямого действия встроенного в привод выключателя. При использовании реле косвенного действия применяется одна из двух схем соединения трансформаторов тока, приведённых на рис. 10-2. В схеме на рис. 10-2, а токовая отсечка выполнена на одном реле тока с зависимой характеристикой, а в схеме на рис. 10-2, б – на 2-х реле с независимыми характеристиками. Реле тока отсечки подключаются на разность токов 2- х фаз и когда это возможно по чувствительности применяется однорелейная схема.

Рис. 10-2. Токовая отсечка электродвигателей а) на переменном оперативном токе с помощью реле с зависимой

характеристикой выдержки времени; б) на постоянном оперативном токе в 2-х релейном исполнении с

помощью реле с независимой от тока характеристикой выдержки

	времени.
Ток срабатывания токовой отсечки выбирается по выражению:
Iс.з.	Кн I пуск
	КВ
где:
Кн	коэффициент надёжности, учитывающий погрешности реле и расчёта
	(в зависимости от типа реле может принимать значения 1,8 для реле тока
	типа РТ-40 и 2,0 – для РТ-80);
КВ	коэффициент возврата реле (для реле РТ-40 КВ=0,85, для реле РТ-80 –
	0,4);
Iпуск	пусковой ток электродвигателя.

Зная номинальный ток электродвигателя и кратность пускового тока можно рассчитать пусковой ток по следующему выражению:

Iпуск=Кн Iном.д.

где:
Кн	кратность пускового тока;
Iном.д.	номинальный ток электродвигателя.
Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx		68

Токовую отсечку электродвигателей мощностью до 2 мВт, как правило, выполняют по однорелейной схеме, а для электродвигателей мощностью 2–5 мВт – по двухрелейной схеме. Двухрелейную схему токовой отсечки следует также применять на электродвигателях мощностью до 2 мВт, если коэффициент чувствительности однорелейной схемы меньше двух.

На электродвигателях мощностью 5 мВт и более для защиты от междуфазных к.з. устанавливают продольную дифференциальную защиту в двухфазном исполнении (рис. 10-3),

обеспечивающую более высокую чувствительность, чем токовая отсечка к.з. на выводах и в обмотках статора электродвигателей.

Ток срабатывания продольной диф. защиты электродвигателей (при условии идентичности трансформаторов тока и выбора их по кривым 10% кратности) принимается равным:

Iс.з.=(1,5 2,0) Iном.дв. – при использовании реле типа РТ-40

и

Iс.з.=(0,5-1,0) Iном.дв. – при использовании реле типа РНТ.

Продольная диф.защита может также применяться на электродвигателях мощностью меньше 5 мВт, когда токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности.

Чувствительность защиты электродвигателя от междуфазных к.з. (токовой отсечки или продольной диф. защиты) оценивается коэффициентом чувствительности, представляющим собой отношение тока металлического 2-х фазного к.з. на выводах электродвигателя при минимальном режиме работы питающей сети к первичному току срабатывания защиты:

2

Кч IK.м.м 2 Iс.з.

Выводы:

1.Для защиты электродвигателей от междуфазных к.з. применяют: максимальную токовую отсечку мгновенного действия – для электродвигателей мощностью до 5 мВт; продольную дифференциальную защиту – для электродвигателей более 5 мВт, а также для электродвигателей меньшей мощности, когда токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности.

2.На электродвигателях мощностью до 2 мВт, как правило, применяют однорелейные, а на электродвигателях мощностью от 2 до 5 мВт – двухрелейные схемы токовой отсечки или продольной диф. защиты.

Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

69

10.3.Защита от перегрузки

Защита от перегрузки устанавливается только на электродвигателях, подверженных технологическим перегрузкам и, как правило, действует на разгрузку механизма или на отключение электродвигателя от сети. В некоторых случаях допускается действие защиты от перегрузки на сигнал.

Использование защиты от перегрузки с действием на отключение целесообразно в случаях, когда невозможно устранить перегрузку по технологическим причинам, а также в электроустановках без обслуживающего персонала.

На электродвигателях не подверженных перегрузкам защиты от перегрузок не устанавливается.

Для электродвигателей опасны только устойчивые перегрузки, так как кратковременные перегрузки обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя самоликвидируются при достижении нормальной частоты вращения. Значительное увеличение тока электродвигателя (в 1,5 2 раза) получается также при обрыве фазы что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями при перегорании одного из них. Устойчивые перегрузки появляются при механических повреждениях электродвигателя или вращаемого им механизма, а также при перегрузках механизма.

Основной опасностью токов перегрузки является повышение температуры токоведущих частей (питающего кабеля и обмоток) электродвигателя, что ускоряет износ изоляции и снижает срок службы электродвигателя.

Перегрузочная способность электродвигателя характеризуется зависимостью тока перегрузки и допустимым временем его прохождения:

t T α -1 K -1

где:
t	допустимая длительность перегрузки, с;
Т	постоянная времени нагрева, с;
	коэффициент, характеризующий тип изоляции

		электродвигателя (для асинхронных электродвигателей
		=1,3;
K	Iпер		кратность перегрузки.
	Iном.дв.

Характеристика зависимости допустимой длительности перегрузки от кратности перегрузки при постоянной времени нагрева Т=300 приведена на рис. 10-4.

Казанцева Вера Викторовна G:\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 2 семестр.docx

70