Часть 2: Защиты генераторов трансформаторов, блоков генератор-трансформатор, электродвига-телей и сборных шин.

5. Защиты генераторов

Современные генераторы являются сложными и дорогостоящими электрическими машинами, поэтому они оснащаются устройствами релейной защиты, которые выявляют недопустимые режимы работы генераторов и производят отключение их от сети и далее действуют на развозбуждение, а в некоторых случаях при внутренних повреждениях – на останов агрегатов.

При повреждениях генераторов (особенно большой единичной мощности) абсолютные значения токов к.з. достигают десятков и сотен тысяч ампер, что приводит к тяжёлым последствиям, связанным с необходимостью дорогостоящего и длительного ремонта обмоток, а также активного железа статора и ротора генератора. Поэтому к релейной защите генераторов предъявляются повышенные требования по быстродействию селективности, чувствительности и надёжности.

1. Повреждения и ненормальные режимы работы генераторов. Требования к защитам генераторов.

Повреждения обмотки статора.

Междуфазные к.з. (3-х фазные и 2-х фазные) относятся к наиболее тяжёлым повреждениям генераторов. Они сопровождаются большими токами, которые в несколько раз превышают номинальный ток генератора.

Для защиты генераторов от междуфазных к.з., вызывающих значительные разрушения в статоре на генераторах мощностью более 1 МВт устанавливается продольная дифференциальная защита, действующая на отключение и развозбуждение генератора.

На генераторах меньшей мощности допускается применение более простых защит: максимальной токовой защиты или отсечки.

Однофазные замыкания на землю в крупных генераторах напряжением 3 кВ и выше, работающих с изолированной нейтралью, сопровождаются прохождением в месте замыкания небольших токов, однако длительное прохождение их и горение дуги в месте замыкания на корпус генератора могут привести к выгоранию изоляции и значительному оплавлению активной стали статора, после чего потребуется продолжительный ремонт с заменой повреждённой стали.

Из опыта эксплуатации и специальных испытаний установлено, что при однофазных повреждениях в обмотке статора ток замыкания на землю величиной до 5А не приводит к значительным повреждениям стали. Поэтому при токах замыкания на землю в сети генераторного напряжения величиной менее 5А защита от однофазных замыканий на землю, как правило, выполняется с действием на сигнал.

Если же токи замыкания на землю превышают величину 5А, а также на мощных генераторах независимо от величины тока замыканий на землю, защита должна действовать на отключение генератора от сети и развозбуждение.

На генераторах малой мощности напряжением до 500 В, работающих с заземлённой нейтралью, защита от однофазных к.з., которые сопровождаются большими токами к.з. должна действовать на отключение и развозбуждение генератора.

При замыканиях между витками одной фазы в статоре генератора, токи, проходящие в месте повреждения соизмеримы с токами к.з. между фазами. На генераторах, имеющих выведенные параллельные ветви, для защиты от витковых замыканий устанавливается поперечная дифференциальная защита, действующая на отключение и развозбуждение генератора. На генераторах, не имеющих выведенных параллельных ветвей, защита от витковых замыканий не устанавливается, так как выполнить такую защиту технически сложно, а также потому, что витковые замыкания в статоре генератора происходят одновременно с однофазным замыканием на землю или междуфазным к.з. Поэтому при витковых замыканиях в обмотке статора, как правило, будут срабатывать защиты генератора от однофазных замыканий на землю или междуфазных к.з.

Повреждения обмотки ротора

Замыкание на землю в одной точке обмотки ротора не оказывает влияние на нормальную работу генератора, так как ток в месте повреждения не проходит, а симметрия магнитного потока ротора не нарушается. Однако наличие одного замыкания на землю в цепи возбуждения представляет опасность для генератора, так как в случае появления второго замыкания на землю часть обмотки ротора оказывается замкнутой накоротко. Особенно это опасно для явнополюсных синхронных машин (гидрогенераторов и синхронных компенсаторов).

При замыкании на землю в двух точках обмотки ротора из-за несимметрии магнитного потока появляется сильная вибрация.

Появление дуги в месте замыкания приводит к повреждениям обмотки и стали ротора. Поэтому на гидрогенераторах предусматривается защита от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения, которая действует на сигнал, а защита от двойных замыканий на землю не устанавливается. При появлении сигнала о замыкании в одной точке цепи возбуждения дежурным персоналом должны приниматься меры по скорейшему выводу генератора из работы для устранения замыкания на землю. На мощных гидрогенераторах эта защита должна действовать на отключение.

Неявнополюсные генераторы (турбогенераторы) в большинстве случаев могут некоторое время работать при наличии замыкания на землю в цепи возбуждения без существенных повреждений. Поэтому турбогенераторы при появлении замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения, как правило, остаются в работе и на них устанавливается только защита от двойных замыканий на землю. Эта защита выполняется с действием на сигнал на генераторах с косвенным охлаждением обмотки ротора. На мощных турбогенераторах с непосредственным охлаждением обмоток ротора защита от двойных замыканий на землю в цепи возбуждения выполняется с действием на отключение.

Замыкание на землю в двух точках обмотки ротора фактически является витковым замыканием обмотки ротора, поэтому отдельная защита от витковых замыканий на генераторах не предусматривается.

Ненормальные режимы

Генераторы должны эксплуатироваться на номинальных параметрах указанных на заводских табличках (паспортах) или с отклонениями от них, но в допустимых пределах.

Номинальный режим генератора – это режим, при котором обеспечивается номинальная мощность при максимальном к.п.д. (Номинальная мощность генератора – это длительная мощность, при которой обеспечивается наиболее экономичный и оптимальный режим по всем параметрам генератора: напряжениям статора и ротора, токам статора и ротора, температурам обмоток и активной стали статора и ротора, максимальный к.п.д и ).

Перегрузка по току статора током больше номинального также как и внешние, по отношению к генератору к.з., вызывают перегрев обмотки статора и могут привести к её повреждению, если температура нагрева превысит предельное значение опасное для изоляции.

З

ависимость допустимой длительности перегрузкиt_доп от кратности тока генератора I_г к номинальному току I_ном приведена на рис. 7‑1.

Рис.7-1. Зависимость допустимой длительности перегрузки t_доп от кратности тока статора к номинальному току генератора.

Современные мощные генераторы выполняются с непосредственным охлаждением обмоток, в которых охлаждающая среда циркулирует внутри токоведущих стержней, благодаря чему обеспечиваются лучшие условия охлаждения и более высокие плотности тока. Конструкция генераторов с непосредственным (форсированным) охлаждением такова, что они допускают значительно меньшую перегрузку, чем генераторы меньшей мощности с косвенным охлаждением.

Данные, определяющие длительность симмметричной перегрузки генераторов по току статора приведены в таблице 7-1.

Продолжительность перегрузки, tдоп, мин.	Кратность перегрузки статора			Продолжительность перегрузки, мин	Кратность перегрузки статора
	с косвенным охлаждением обмоток	с непосредственным охлаждением обмоток			с косвенным охлаждением обмоток	с непосредственным охлаждением обмоток
		водой	водородом			водой	водородом
60	1,1	1,1	-	4	1,3	1,3	1,2
15	1,15	1,15	-	3	1,4	1,35	1,25
10	-	-	1,1	2	1,5	1,4	1,3
6	1,2	1,2	1,15	1	2,0	1,5	1,5
5	1,25	1,25	-

Таблица 7-1

Перегрузочная способность генераторов по симметричному току статора

Перегрузка по току ротора генератора может произойти при отказах в системе управления возбуждением. Допустимое время нагрева ротора также ограничено и зависит от кратности перегрузки (отношения I_рот/I_ном).

Допустимое время перегрузки для обмотки ротора генератора с непосредственным охлаждением приведено в таблице 7-2.

Таблица 7-2

Перегрузочная способность генераторов по току ротора

Продолжительность перегрузки ротора с непосредственным охлаждением, мин.	Кратность перегрузки ротора
60	1,05
10	1,1
6	1,15
4	1,2
1	1,5
0,3	2

Для предотвращения повреждений ротора при перегрузке его обмотки во время форсировки возбуждения на генераторах предусматривается автоматическое ограничение длительности форсировки, а на генераторах с непосредственным охлаждением защита ротора от перегрузки, действующая на отключение генератора.

Как следует из таблицы 7-1 и 7-2 перегрузка до 30% на генераторах с непосредственным охлаждением и до 50% на генераторах с косвенным охлаждением допускается в течение достаточно длительного времени (2 мин и более), поэтому при таких перегрузках немедленного автоматического отключения генератора не требуется.

Во многих случаях перегрузки, обусловленные форсировкой возбуждения, синхронными качаниями и т.п. ликвидируются внешними защитами до истечения предельного времени t_доп. Отключение генераторов при перегрузках допускается только тогда, когда принятые дежурным персоналом меры по их разгрузке не дают результата, а допустимые время истекло.

Поэтому защиты от перегрузки генераторов на электростанциях с дежурным персоналом действуют на сигнал, а на полностью автоматизированных электростанциях защиты от перегрузки выполняются с действием на отключение или разгрузку генераторов по истечению допустимого времени перегрузки.

Несимметричная перегрузка по току статора возникает при 2-х фазных и однофазных к.з. вне генератора, при обрывах одной или 2-х фаз цепи, соединяющей генератор с нагрузкой, а также при неполнофазных режимах работы сети. Несимметрия токов в статоре генератора приводит к дополнительному нагреву ротора и механической вибрации, что может привести к повреждению генератора. Несимметрия может возникнуть при отказе во включении и отключении одной из фаз выключателя.

Несимметрия сопровождается появлением в обмотке статора генератора токов обратной последовательности, которые имеют обратное чередование фаз и создают магнитное поле, вращающееся в сторону, противоположную вращению ротора. Магнитный поток от токов обратной последовательности создаёт дополнительный пульсирующий с двойной частотой электромагнитный момент, пересекает корпус ротора с двойной скоростью и индуктирует в металлических частях ротора (в бочке ротора) значительные вихревые токи, имеющие двойную частоту. Вихревые токи вызывают повышенный нагрев ротора, а пульсирующий момент – вибрацию вращающихся частей машины.

Допустимая длительность прохождения по генератору тока обратной последовательности может быть определена по следующему выражению:

где:
tдоп	-	допустимая длительность прохождения тока обратной последовательности;
	-	кратность тока обратной последовательности по отношению к номинальному току генератора;
А	-	постоянная величина для генератора данного типа.

Например, для гидрогенераторов СШГЭС А=20, а для гидрогенераторов Майнской ГЭС – 40.

Защита генераторов от внешних несимметричных к.з. и несимметричных режимов осуществляется специальной токовой защитой обратной последовательности, действующей на сигнал при незначительной несимметрии выше допустимых значений и на отключение при появлении опасных для генератора значений токов обратной последовательности.

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

Повышение напряжения на выводах обмотки статора генератора может привести к пробою изоляции и возникновению в генераторе междуфазного к.з.

На турбогенераторах регулятор скорости предотвращает значительное увеличение скорости вращения, а если скорость вращения превысит 110% номинальной, срабатывает автомат безопасности и прекращается доступ пара в турбину.

На гидрогенераторах при сбросе нагрузки могут иметь место увеличение скорости вращения до величины 150-170% номинальной и соответствующее повышение напряжения статора. Поэтому защита от повышения напряжения устанавливается только на гидрогенераторах с действием на отключение и развозбуждение.

Асинхронный режим на генераторах возникает при потере возбуждения, а также при потере синхронизма генератора работающего параллельно с другими генераторами системы.

При работе в асинхронном режиме увеличивается скорость вращения генератора и возникает пульсация тока статора.

Большинство турбогенераторов может длительно работать в асинхронном режиме (с косвенным охлаждением до 30 минут с нагрузкой до 60%, с непосредственным охлаждением до 15 минут с нагрузкой до 40% номинальной).

Асинхронный режим работы гидрогенераторов в большинстве случаев сопровождается значительным понижением напряжения и большими качаниями, при которых ток статора может в несколько раз превышать номинальный. Поэтому «Правилами технической эксплуатации» (ПТЭ) работа гидрогенераторов в асинхронном режиме без возбуждения, а также работа возбуждённого гидрогенератора в асинхронном режиме относительно других генераторов энергосистемы запрещается.

В случае потери возбуждения все гидрогенераторы необходимо отключать от сети или немедленно принять меры к восстановлению нормального режима, для этого гидрогенераторы оснащаются защитой от потери возбуждения, действующей на отключение и развозбуждение, а на мощных гидрогенераторах дополнительно устанавливается специальная защита от асинхронного хода, действующая на немедленную разгрузку генератора по активной мощности и если асинхронный ход не устраняется – на отключение от сети и развозбуждение генератора.

В соответствии с требования ПУЭ для генераторов напряжением выше 1 кВ и мощностью более 1 МВт, должны быть предусмотрены устройства РЗ от следующих видов повреждений и нарушений нормального режима работы:

• междуфазных к.з. в обмотке статора генератора и на его выводах;

• однофазных замыканий на землю в обмотке статора;

• двойных замыканий на землю, одно из которых – в обмотке статора, а второе – во внешней сети;

• замыканий между витками одной фазы в обмотке статора;

• внешних к.з.;

• перегрузки токами обратной последовательности (для генераторов мощностью более 30 МВт);

• симметричной перегрузки обмотки статора;

• перегрузки обмотки ротора током возбуждения (для генераторов с непосредственным охлаждением проводников обмоток);

• замыкания на землю в цепи возбуждения;

• асинхронного режима с потерей возбуждения.

Выводы:

1. В процессе эксплуатации в генераторах могут возникать повреждения и ненормальные режимы.

2. К основным видам повреждений генераторов относятся:

• междуфазные к.з. (3-х и 2-х фазные к.з.);

• замыкания на землю (корпус) одной фазы обмотки статора;

• замыкания на землю (корпус) в обмотке ротора (в одной или в 2х точках цепи возбуждения);

• замыкания между витками одной фазы обмотки статора;

• витковые замыкания в обмотке ротора.

Ненормальными (анормальными) режимами генератора считаются:

• перегрузка по току статора (симметричная и несимметричная);

• перегрузка по току ротора;

• повышение напряжения;

• асинхронный режим.

Генераторы должны оснащаться защитами от внутренних повреждений и опасных ненормальных режимов, т.е. таких режимов, которые могут привести к повреждению генератора.

Защиты от внутренних повреждений должны отделить генератор от сети, отключив генераторный выключатель, и прекратить ток в обмотке ротора отключением автомата гашения поля (АГП), т.е. развозбудить генератор.

При ненормальных режимах работы генератора, не требующих немедленного отключения, защита, как правило, должна действовать на сигнал для принятия дежурным персоналом мер по устранению ненормального режима без отключения генератора. Если возникший ненормальный режим нельзя устранить, то защита должна действовать на отключение генератора от сети.