5. Токовые защиты генератора от внешних к.З. И перегрузок

Защиты генератора от внешних междуфазных к.з. предназначены для отключения от сети генератора в случае отказа защит и выключателей смежных присоединений, а также для резервирования основных защит генератора при внутренних междуфазных к.з. в обмотке статора с действием на отключение и развозбуждение генератора.

Генераторы оснащаются также защитами от перегрузок (симметричных и несимметричных), которые, как правило, действуют на сигнал на электростанциях с постоянным дежурным персоналом и на разгрузку или отключение генератора при отсутствии дежурного персонала.

При внешних междуфазных к.з. защита генератора должна по возможности быстро действовать на отключение. Обычная МТЗ с реле включёнными на полные токи фаз, как правило, не может быть использована в качестве защиты генератора от внешних к.з. из-за недостаточной её чувствительности и необходимости отстройки её времени срабатывания от времени действия токовых защит смежных элементов сети. Поэтому в качестве защит генераторов от внешних к.з. применяются: максимальные токовые защиты с дополнительными пусковыми органами напряжения, токовые защиты обратной последовательности от несимметричных к.з. и дистанционные защиты.

Для генераторов малой и средней мощности с косвенным охлаждением в качестве защит от перегрузок применяют простые токовые защиты, реагирующие на увеличение фазного тока (сигнализация о симметричных перегрузках) и появление тока обратной последовательности (сигнализация о несимметричных перегрузках).

Для мощных генераторов, имеющих непосредственное охлаждение проводников обмоток статора, применяются защиты от перегрузок токами обратной последовательности действующими на разгрузку или отключение генератора с выдержками времени соответствующими перегрузочной способности генератора.

Максимальная токовая защита от внешних к.з. с блокировкой (пуском) по напряжению

Схема защиты представлена на рис. 7-11.

Реле тока защиты РТЗ-РТ5 подключаются к трансформаторам тока расположенным на нулевых выводах обмотки статора генератора. При таком подключении защита не только реагирует на внешние к.з., но и резервирует продольную диф. защиту генератора, действуя от тока генератора при повреждении в нём.

Защита имеет комбинированный пуск по напряжению состояний из 2-х реле напряжения подключаемых к генераторному трансформатору напряжения. Реле минимального напряжения РН6 питается междуфазным напряжением через нормально замкнутые контакты реле максимального напряжения РН7, которое включено через фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП) на напряжение U₂.

Рис. 7-11. Максимальная токовая защита от внешних к.з. с блокировкой (пуском) по напряжению.

Реле минимального напряжения РН6 замыкает свои контакты (как показано на рис. 7-11) при понижении напряжения в случаях, когда U_к<U_воз позволяя работать защите.

При несимметричных (2-х фазных) к.з. появляется напряжение обратной последовательности и реле РН7 срабатывает, снимая напряжение с реле РН6. Последнее замыкает свои контакты и разрешает токовым реле действовать на отключение через промежуточное реле РП11 и реле времени РВ9.

При симметричных (3-х фазных) к.з. реле РН7 размыкает свои контакты кратковременно за счёт кратковременного появления несимметрии в начальной стадии к.з. Реле РН6 при этом успевает замкнуть свои контакты.

Поведение реле РН6 будет зависить от уровня остаточного напряжения U_к на его зажимах. Если U_к<U_воз., то контакты реле РН6 останутся замкнутыми и защита сработает.

Очевидно, что чувствительность блокировки при симметричных к.з. определяется не U_ср, а U_воз реле РН6.

При симметричных перегрузках, когда отсутствует обратная последовательность реле РН7 и РН6 не действуют, запрещая работать защите.

Использование 3-х реле тока РТ3-РТ5 позволяет повысить чувствительность защиты к несимметричным к.з. за трансформаторами со схемой соединения /Y, Y/.

Ток срабатывания токовых реле отстраивается от номинального тока генератора:

где:
Кн=1,11,2

Напряжение срабатывания минимального реле напряжения отстраивается от минимального эксплуатационного напряжения:

где:
Кн=1,11,2

Для предотвращения неправильного действия защиты при самозапуске электродвигателей собственных нужд, когда напряжение на шинах генератора (для генераторов с малой мощностью) значительно снижается, допускается уменьшать U_с.з. до 0,5 U_ном.г. Снижение уставки реле минимального напряжения целесообразно также для отстройки от снижения напряжения на выводах генератора при асинхронном режиме.

Напряжение срабатывания реле напряжения обратной последовательности принимается минимально возможным, отстроенным от напряжения небаланса на выходе ФНОП. Обычно U_с.з.2 принимается равным 0,06 U_ном..

Выдержка времени защиты принимается на ступень селективности больше времени действия защит смежных присоединений (трансформаторов и линий), питающихся от генераторных шин:

где:
tприс	-	наибольшая выдержка времени защит смежных присоединений питающихся от генераторных шин.

Чувствительность защиты определяется по току:

где:
Iк.мин	-	минимальный ток 2-х фазного к.з. в конце защищаемой зоны и по напряжению для реле минимального напряжения:

где:
Uк.макс.	-	наибольшее остаточное напряжение при 2-х фазном к.з. в конце защищаемой зоны.

Для реле напряжения обратной последовательности:

где:
U2к.мин	-	наименьшее напряжение обратной последовательности при 2-х фазном к.з. в конце защищаемой зоны.

Несмотря на наличие пуска по напряжению рассматриваемая защита в некоторых режимах (при несимметричных перегрузках токами обратной последовательности опасных для генераторов, а также при 3-х фазных к.з. в конце зоны резервирования, когда токовые реле и реле напряжения не срабатывают вследствие их недостаточной чувствительности) оказывается неработоспособной. Кроме того, в схеме защиты отсутствует сигнализация перегрузок токами прямой и обратной последовательности. Поэтому, максимальная токовая защиты с блокировкой (пуском) по напряжению используется только на генераторах малой мощности (менее 30 МВт).

Максимальная токовая защита от перегрузок

Эта защита генераторов с косвенным охлаждением обмоток статора работает на сигнал с выдержкой времени, большей, чем у всех резервных защит генератора от к.з. и выполняется двумя реле тока, включаемыми соответственно на ток фазы (сигнализация о симметричных перегрузках токами прямой последовательности) и ток обратной последовательности через фильтр токов обратной последовательности ФТОП – (сигнализация о несимметричных перегрузках).

Ток срабатывания реле защиты от симметричных перегрузок выбирается по выражению:

где:
Кн=1,05

Ток срабатывания реле защиты от несимметричных перегрузок определяется по формуле:

(I_{нб.расч}+I_2.доп)

где:
Iнб.расч	-	ток небаланса обусловленный рабочим током генератора
I2.доп	-	длительно допустимый для генератора ток обратной последовательности.

Выдержка времени защиты от перегрузок, как правило, устанавливается больше выдержки времени МТЗ генератора. На электростанциях без постоянного дежурного персонала защита может выполняться с двумя выдержками времени: с меньшей на снижение тока возбуждения для уменьшения тока статора генератора и с большей – на отключение генератора от сети.

Токовая защита обратной последовательности

Как уже отмечалось, токи обратной последовательности представляют большую опасность для генераторов.

Рассмотренная ранее максимальная токовая защита с пуском по напряжению из-за недостаточной чувствительности токовых реле включенных на фазные токи может не сработать при опасных для генератора токах. Поэтому на генераторах мощностью выше 30 МВт для защиты от внешних несимметричных к.з. применяется токовая защита обратной последовательности.

Схема комбинированной защиты от внешних к.з., состоящей из токовых защит обратной последовательности и максимальной токовой с пуском напряжения приведена на рис. 7-12.

Рис. 7-12. Токовая защита обратной последовательности и максимальная токовая защита с пуском по напряжению.

При возникновении несимметричного к.з. сработает токовое реле РТ4, включенного на фильтр токов обратной последовательности ФТОП5. Токовое реле РТ9 включенное на фазный ток и реле минимального напряжения РН10, подключенное на междуфазное напряжение, предназначены реагировать на симметричные (3-х фазные) к.з. Обе защиты запускают реле времени РВ7, дающего сигнал на отключение генератора. Более чувствительное реле РТ3, подключенное к ФТОП5 через реле времени РВ6 осуществляет сигнализацию появления длительно недопустимых токов обратной последовательности. Фильтр ФТОП5 может подключаться к 2-м ТТ, так как слагающие нулевой последовательности у нейтрали генератора где устанавливаются ТТ обычно отсутствуют. Промежуточное реле РП11 сигнализирует об исчезновении (неисправностях цепей) напряжения от генераторного ТН.

Ток срабатывания реле РТ4 принимается равным:

I_с.з.= (0,30,7) I_ном.г

Принято выбирать ток срабатывания так чтобы он не превышал величины тока обратной последовательности I₂, прохождение которого допустимо для генератора данного типа в течение 2 минут (120 с), при этом должно соблюдаться условие:

где:
А	-	постоянная величина для генератора данного типа.

Выбор параметров срабатывания части защиты от симметричных (3-х фазных) к.з. и чувствительной сигнализации при появлении тока обратной последовательности рассмотрены выше.

Схема и характеристика 4-х ступенчатой защиты обратной последовательности с приставкой от симметричных к.з., применяемая на генераторах средней мощности 50-150 МВт, работающих на шины генераторного напряжения, показана на рис. 7-13.

Рис. 7-13. Токовая защита обратной последовательности со ступенчатой характеристикой и приставкой от симметричных к.з. и перегрузок:

а) схема; б) характеристика t=f (I₂)

Три ступени защиты действуют на отключение, четвертая ступень – на сигнал. Каждая ступень имеет своё пусковое токовое реле (Т₁, Т₂, Т₃, Т₄) и своё реле времени (В₁, В₂, В₃, В₄). Токовые реле подключены к трансформаторам тока в нейтрали генератора через два фильтра токов обратной последовательности типа РТФ-2 и реагируют на ток I₂.

Первая ступень (Т₁ и В₁) предназначена для отключения к.з. на выводах генератора, вторая (Т₂ и В₂) – для резервирования отключения несимметричных к.з. в сети, третья (Т₃, В₃) является защитой ротора генератора от несимметричных режимов с токами I₂, при которых ликвидация несимметрии вручную невозможна так как допустимое время мало (t_доп < 23 минут). Четвертая ступень защиты (Т₄, В₄) действует на сигнал для предупреждения дежурного персонала о появлении несимметрии I₂>I_{2 длит. доп.}.

В схеме имеется токовое реле Т_n, предназначенное для сигнализации о появлении симметричных перегрузок, а также однофазная максимальная токовая защита с пуском минимального напряжения (Т_ф, Н, В), действующая при симметричных к.з. Токовое реле Т_ф, включённое на ток одной из фаз (обычно на ток фазы В) и реле минимального напряжения Н, включённое на одно из междуфазных напряжений (обычно на напряжение а-с) надёжно реагируют на 3-х фазные к.з., поскольку изменение тока и напряжения во всех фазах в этом случае имеет одинаковый характер. Поведение и чувствительность защиты от симметричных к.з. во всём аналогичны МТЗ с пуском по напряжению рассмотренной ранее.

В некоторых случаях для блокировки защиты от замыканий на землю генератора устанавливается дополнительное (пятое) пусковое реле, которое подключается к одному из фильтров ФТОП (на рис. 7-13 не показано).

При выборе уставок ступенчатой токовой защиты обратной последовательности используют тепловую характеристику ротора генератора

,

в котором величина А принимается по данным завода-изготовителя генератора.

Ток срабатывания первой ступени должен обеспечивать надёжное действие защиты при 2-х фазных к.з. на выводах генератора. В этом случае наибольший ток обратной последовательности в генераторе будет в режиме работы генератора изолированного от сети. Величина этого тока в относительных единицах будет равна:

где:
	-	сверхпереходное реактивное сопротивление генератора
Х2	-	сопротивление обратной последовательности

С учётом этого:

где:
Кч=1,2	-	коэффициент чувствительности.

Выдержка времени первой ступени не должна превышать допустимого времени нагрева ротора при к.з. на выводах генератора:

Ток срабатывания второй ступени выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая чувствительность защиты при несимметричном к.з. за резервируемым элементом (например, за повышающим трансформатором) и сохранялась селективность с защитами смежных элементов, а также, чтобы удовлетворялись требования защиты генератора от тока обратной последовательности.

Ток срабатывания второй ступени выбирается из условия достаточной чувствительности для резервирования смежных присоединений, отходящих от шин генераторного напряжения:

где:
I2К	-	ток обратной последовательности при к.з. в конце зоны

Выдержка времени второй ступени должна равняться t_доп при I_2*=I_с.з.1, т.е.:

Ток срабатывания третьей ступени выбирают исходя из её назначения – отключать генератор при токах I₂ с t_доп23 мин.

Поэтому:

Выдержка времени третьей ступени выбирается по t_доп при I_2*=I_с.з.2 (точка 2)

Четвертая ступень должна действовать на сигнал при токе I₂>I_{2 длит.доп.} поэтому

I_с.з.4 = (0,050,1) I_ном.г

Выдержка времени четвёртой ступени должна быть больше времени отключения к.з. в сети и обычно принимается равной:

t_с.з.4 = 59с

Ступенчатая токовая защита обратной последовательности позволяет обеспечивать необходимые требования к защите от перегрузки и требования по чувствительности и селективности при внешних к.з.

К недостаткам защиты можно отнести недостаточное использование перегрузочной возможности генератора и неинтегральность независимой от тока характеристики защиты, а также большое количество релейной аппаратуры для реализации ступенчатой характеристики защиты.

На генераторах большой мощности (160 МВт и более) с непосредственным охлаждением проводников обмоток, которые значительно более чувствительны к перегрузкам токами обратной последовательности защита от несимметричных к.з. и перегрузок выполняется с помощью полупроводникового фильтр-реле типа РТФ-6м имеющего интегрально-зависимую характеристику выдержки времени.

Фильтр-реле РТФ-6м содержит следующие элементы: фильтр тока обратной последовательности (ФТОП); сигнальный орган; пусковой орган; орган с интегрально-зависимой характеристикой выдержки времени (интегральный орган) и два органа не имеющие выдержки времени (отсечки). Защита получает питание постоянным током через общий для всех органов блок питания.

Структурная схема фильтр-реле РТФ-6м приведена на рис. 7-14.

Рис. 7-14. Структурная схема РТФ-6м

ФТОП – фильтр токов обратной последовательности;

ВПУ – входное преобразовательное устройство;

С – сигнальный орган;

П – пусковой орган;

В – интегральный орган;

БП – блок питания.

Фильтр тока обратной последовательности предназначен для выявления тока обратной последовательности появляющегося в токе статора генератора при несимметричных к.з. и перегрузках. ФТОП подключается к трансформаторам тока установленным со стороны нулевых выводов обмотки статора.

Сигнальный орган срабатывает без выдержки времени и предназначен для выдачи предупредительного сигнала дежурному персоналу при появлении тока обратной последовательности, превышающего длительно допустимую величину. Ток срабатывания сигнального органа: I_2с.з.=0,05I_ном.г. Необходимая выдержка времени обычно создаётся с помощью реле времени не входящего в состав фильтр-реле РТФ-6м.

Пусковой орган срабатывает без выдержки времени и используется для подключения (ввода в действие) интегрального органа к ФТОП в случаях появления опасных для генератора значений тока обратной последовательности. Ток срабатывания пускового органа выбирается по условию обеспечения надёжного пуска интегрального органа при его максимальной выдержке времени, равной 600с, что примерно соответствует I_{2с.з.(П.О.)}=0,1I_ном.г.

Интегральный орган выполняется с действием на отключение с интегрально-зависимой выдержкой времени, соответствующей кривой t_доп=I(I_г) и настраивается на характеристику перегрузочной способности конкретного генератора.

Интегральный орган срабатывает с выдержкой времени

где:
I2*	-	ток обратной последовательности на входе ФТОП в относительных единицах при базовом токе равном Iном.г.

Отсечки используются в качестве резервных защит от несимметричных к.з. (более чувствительная отсечка I – для дальнего резервирования, а более грубая отсечка II – для ближнего резервирования). Отсечки в фильтр реле РТФ-6м срабатывают без выдержки времени, поэтому при необходимости отстройки их от времени действия защит смежных элементов используются отдельные реле времени.

Ток срабатывания и выдержка времени органа отсечки I предназначенного для резервирования защит смежных присоединений, выбирается, исходя из согласования с защитами этих присоединений. Выдержка времени отсечки I должна быть меньше времени срабатывания интегрального органа при том же токе.

Ток срабатывания органа отсечки II выбирается такой величины, чтобы при 2-х фазном к.з. на выводах генератора действие органа обеспечивалось с коэффициентом чувствительности К_ч2,0:

Время действия отсечки II обычно принимается равным t_с.з.II=0,5с.

Выводы:

1. Токовые защиты генераторов от внешних междуфазных к.з. относятся к резервным защитам генератора и предназначены для резервирования основных защит генератора и защит смежных присоединений.

2. Для защиты генераторов от внешних междуфазных к.з. применяют:

• для генераторов мощностью до 30 МВт – простую максимальную токовую защиту с блокировкой (пуском) по напряжению;

• для генераторов мощностью до 60 МВт – комбинированную защиту, состоящую из токовой защиты обратной последовательности и максимальной токовой защиты с пуском по напряжению;

• для генераторов с косвенным охлаждением обмоток мощностью до 150 МВт – ступенчатую токовую защиту обратной последовательности в сочетании с защитой от симметричных к.з. в однофазном исполнении;

• для мощных генераторов (более 150 МВт) с непосредственным охлаждением обмоток – токовую защиту обратной последовательности с интегрально-зависимой характеристикой выдержкой времени (РТФ-6м) в сочетании с защитой от симметричных к.з. в однофазном исполнении.

Генераторы оснащаются защитами от перегрузок (симметричных и несимметричных), которые, как правило, действуют на сигнал на электростанциях с дежурным персоналом и на разгрузку или отключение генератора от сети – на электростанциях без постоянного дежурного персонала.

Для защиты генераторов от перегрузок применяется простая максимальная токовая защита, выполненная на двух реле тока, включаемыми соответственно на ток фазы (сигнализация о симметричной перегрузке) и ток обратной последовательности через ФТОП (сигнализация о несимметричной перегрузке).

На мощных генераторах оснащенных защитой обратной последовательности на реле РТФ-6м защита от несимметричных перегрузок осуществляется с помощью сигнального органа – с действием на сигнал, и интегрального органа – с действием на отключение.