6. Защита от повышения напряжения

При неисправностях автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) в режимах сбросов нагрузки на гидрогенераторах может повышаться напряжение до значений опасных для изоляции статора (более 150% U_ном.г.). Поэтому на гидрогенераторах устанавливается защита от повышения напряжения, действующая на отключение и развозбуждение генератора. Как правило, применяется максимальная защита напряжения с независимой выдержкой времени принципиальная схема, которой, представлена на рис. 7-15.

Рис. 7-15. Защита от повышения напряжения гидрогенератора.

Защита осуществляется одним максимальным реле напряжения Н, включённым на междуфазное напряжение и реле времени В. Напряжение к защите подводится от генераторного трансформатора напряжения.

Первичное напряжение срабатывания защиты:

U_с.з.=1,2U_ном.г.

Выдержка времени защиты отстраивается от времени снижения повысившегося напряжения регулятором возбуждения (АРВ). Время срабатывания защиты обычно принимается равным: t_с.з.= 0,5-1с.

Выводы:

1. Защита от повышения напряжения устанавливается на гидрогенераторах для предотвращения опасных повышений напряжения на его выводах при сбросах нагрузки.

2. В качестве защиты от повышения напряжения гидрогенераторов применяется максимальная защита напряжения с независимой выдержкой времени с уставками:

U_с.з.=1,2U_ном.г. и t_с.з.=0,5-1с

6. Защиты ротора

Роторы генераторов находятся в тяжёлых механических условиях работы (из-за большой частоты вращения – до 3000 об/мин), поэтому на генераторах часто наблюдаются случаи повреждения изоляции обмотки возбуждения с замыканием на корпус, а также витковые замыкания. Кроме того, при неисправностях в системах управления возбуждениям генераторов возможны перегрузки обмоток ротора. Поэтому генераторы оснащаются защитами от замыканий на корпус (на землю) в обмотке ротора, а также защитами от перегрузки ротора.

Защита обмотки ротора от замыкания на землю в одной точке

На всех генераторах устанавливается вольтметровый контроль изоляции при помощи 2-х вольтметров, каждый из которых подключён к полюсам ротора. Если изоляция цепей возбуждения хорошая, показания вольтметров будут близки и равны по величине половине напряжения ротора генератора, т.е. U₍₊₎=U_(-)=0,5U_рот.

При снижении изоляции на одном из полюсов напряжения этого полюса относительно земли понижается, а напряжение другого полюса увеличивается на ту же величину.

Для того, чтобы точнее измерять величину сопротивления изоляции ротора относительно земли используют вольтметры с высоким внутренним сопротивлением.

Устройство контроля изоляции ротора с помощью вольтметров не является защитным устройством и используется дежурным персоналом для периодического (1 раз в смену) контроля (измерения) состояния изоляции цепей возбуждения – обмотки ротора и системы возбуждения.

Принцип действия большинства применяемых защит от замыкания на землю в одной точке цепи ротора основан на измерении тока между одним из полюсов ротора генератора и землёй, причём защиты на турбогенераторах выполняют действием на сигнал, а на гидрогенераторах – на отключение. Предпочтение отдаётся схемам с использованием вспомогательного источника переменного тока низкой частоты, который подключается к цепи ротора через конденсатор.

Принцип выполнения защиты от замыканий на землю и структурная схема защиты от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения приведены на рис. 7-16.

Защита включена на делитель частоты ДЧ2, являющийся источником переменного напряжения частотой 25Гц. Делитель через трансформатор ТН1 получает питание от собственных нужд электростанции, чтобы защита работала также и при остановке генератора. Один зажим ДЧ2 подключается через щётку к валу генератора (к «земле»), второй – через разделительный конденсатор С3, дроссель ДЧ, резистор R5 и первичную обмотку ТТ6 – к цепи возбуждения.

Рис. 7-16. Принцип выполнения и структурная схема защиты от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения с наложенным переменным напряжением.

Измерительным органом защиты является реле мощности РМ7, к которому U_р и I_р подаются соответственно через ДЧ2 и ТТ6. Конденсатор С3 с дросселем ДЧ образуют резонансный контур на частоте 25 Гц, а резистор R5 ограничивает ток, т.к. большие токи от защиты являются опасными при наличии длительного металлического замыкания в цепи возбуждения. Защита действует с выдержкой времени через реле РВ8. Выдержка времени необходима для предотвращения срабатывания защиты в условиях переходных процессов (синхронизации, гашении поля и др.)

Промышленностью выпускается специальный комплект защиты ротора для генераторов с тиристорной и высоконапорной системами возбуждения типа КЗР-3, где применяется указанный принцип действия. Принципиальная схема защиты КЗР-3 представлена на рис. 7-17.

В КЗР-3 источником наложенного тока является магнитный делитель частоты МДЧ, получаемый питание переменным током 50 Гц напряжением 220В от сети собственных нужд. В МДЧ имеется две независимые обмотки, одна из которых используется для наложения тока 25 Гц на цепь возбуждения генератора, другая – в схеме защиты. Переменный ток 25 Гц подаётся на землю (на вал генератора) и на обмотки ротора ОВГ через вспомогательное устройство ВУ2, состоящее из частотных L-C-фильтров, предназначенных для предотвращения проникновения в защиту гармоник 50-150-300 Гц и выше, появляющихся из тиристорной и в/ч систем возбуждения.

Резистор R в ВУ2 ограничивает величину наложенного тока при металлическом замыкании на землю в одной точке цепи возбуждения. Разрядник Р служит для защиты КЗР-3 от возможных перенапряжений на входе ВУ2.

Наложенный ток проходит через сопротивление изоляции и ёмкостное сопротивление на землю цепи возбуждения и состоит из 2-х составляющих – активной и ёмкостной.

Рис. 7-17. Принципиальная схема защиты КЗР-3.

Для того чтобы защита реагировала на изменение сопротивления изоляции на измерительный орган КЗР-3 подаётся только активная составляющая наложенного тока фазочувствительной схемы, на которую подаётся ток через ТТ и напряжение частоты 25 Гц от второй обмотки МДЧ. Фазочувствительная схема состоит из диодов 2Д-5Д и баластных резисторов 6R-9R.

Среднее значение напряжения на выходе фазочувствительной схемы U_вых=Icos, где  - это угол между наложенным током и создающим его напряжением частотой 25 Гц.

Напряжение на выходе фазочувствительной схемы сравнивается с эталонным стабилизированным напряжением от делителя напряжения 12R, 14R, 16R, 18R, с помощью которого на защите можно выставить четыре возможных уставки защиты и резистора 22R. В результате сравнения реагирует высокочувствительное (магнитоэлектрическое) реле РТ. Конденсатор 3С сглаживает ток в реле РТ, а резистор 21R служит для успокоения рамки магнитоэлектрического реле.

Возможные уставки на реле КЗР-3: 5 кОм (на резисторе 16R); 2,5 кОм (18R). Резисторы 12R и 14R используется при подключении КЗР-3 к электромашинному возбуждению.

Реле РТ при срабатывании замыкает цепь промежуточного реле 1РП и далее через реле времени РВ срабатывает выходное реле 2РП, которое действует на сигнал.

Основным недостатком защиты КЗР-3 является зависимость её чувствительности от ёмкости на землю цепей возбуждения (при ёмкости более 2 МКФ погрешность по току срабатывания достигает 30% и защиту на КЗР-3 не применяют).

Защита от замыканий на землю во второй точке цепи возбуждения

Защита применяется только на турбогенераторах, остающихся в работе с одним местом замыкания в цепи возбуждения. Гидрогенераторы, являющиеся явнополюсными электрическими машинами не допускают работу с двумя замыканиями на землю в цепи возбуждения, поэтому уже при замыкании на землю в одной точке цепи возбуждения они должны отключаться от сети и развозбуждаться.

Принцип работы и схема защиты от замыканий на землю во второй точке цепи возбуждения приведены на рис. 7-18.

Рис. 7-18. Защита от замыканий на землю

а) принцип работы;

б) схема.

Защита имеет делитель напряжения (потенциометр), к которому подключается реле тока. Потенциометр включается параллельно обмотке ротора, а второй зажим обмотки реле тока соединяется через специальную щётку с заземлённым валом ротора. При этом получается схема четырёхплечного моста образуемого частями сопротивлений иобмотки возбуждения (до точкиК₁) и ипотенциометра (до движка), с реле тока в его диагонали. При установке движкапотенциометра (контролируемого вольтметром) в положение равновесияток в реле равен нулю.

При возникновении второго замыкания на землю (К₂) часть обмотки возбуждения закорачивается, сопротивление плеча уменьшается, равновесие моста нарушается, в реле появляется ток и защита срабатывает.

Для предотвращения ложного срабатывания реле под воздействием переменного тока, который наводится в обмотке ротора из-за неравномерности воздушного зазора генератора последовательно с катушкой токового реле включается индуктивность, а параллельно обмотке реле включается конденсатор.

Защита имеет мёртвую зону и её невозможно использовать при возникновении первого замыкания, например, в цепи возбудителя, так как она может ложно срабатывать при изменении сопротивления потенциометра.

Защита будет действовать и при витковых замыканиях в обмотке ротора, так как в этом случае витковое замыкание будет происходить через корпус ротора. Поэтому на генераторах, как правило, отдельная защита от витковых замыканий в обмотке ротора не предусматривается.

Защита ротора от перегрузки

Мощные генераторы с непосредственным охлаждением проводников обмоток статора и ротора имеют меньшую перегрузочную способность чем генераторы малой мощности с косвенным охлаждением (при I_рот>I_{рот.ном} тепловая характеристика мощных генераторов t_доп=f (I_рот) ниже, чем у генераторов малой мощности).Допустимое время перегрузки уменьшается и следовательно, дежурный персонал не успевает принять меры по ликвидации перегрузки или отключению генератора от сети. Поэтому на мощных генераторах для предупреждения повреждения изоляции обмотки ротора от перегрева предусматривается защита ротора от перегрузки, действующая на отключение и развозбуждение генератора.

Перегрузка ротора возникает при работе устройств форсировки возбуждения или регулятора возбуждения при внешних к.з. Максимальное значение перегрузки определяется кратностью тока форсировки возбуждения (максимальное значение тока форсировки обычно принимается равным 2I_{рот.ном.}). Продолжительная форсировка, опасная для ротора возникает при недостатке реактивной мощности генераторов для восстановления нормального напряжения в сети, а также при неисправностях регулятора возбуждения вызывающих увеличение тока в роторе.

Наибольшее распространение получила токовая защита ротора от перегрузки типа РЗР-1 с интегральной зависимой характеристикой t_з=f (I_рот), соответствующей перегрузочной характеристики ротора, которая приближённо описывается уравнением:

где:
В	-	постоянная величина
n	-	величина постоянная для определенного диапазона I*рот.

Структурная схема защиты ротора от перегрузки типа РЗР-1 приведена на рис. 7-19.

Рис. 7-19. Структурная схема защиты ротора от перегрузки типа РЗР-1.

Защита состоит из: сигнального органа 2, срабатывающего на сигнал при увеличении тока ротора I_рот>I_{рот.ном} и интегрального органа 4 – действующего с первой ступенью по времени на развозбуждение генератора и со второй – на отключение от сети.

В защите имеется пусковое реле 3, разрешающее действовать интегральному органу при увеличении тока ротора до недопустимых значений.

Защита подключается к трансформаторам тока постоянного тока типа И-514, который уменьшает ток ротора до значения соответствующего параметрам защиты. Ток I=I_рот (от трансформатора постоянного тока 1) поступает по двум направлениям: по одному на сигнальный орган 2 и пусковой орган – 3, по второму – в интегральный орган 4.

Для питания логической части защиты РЗР-1, выполненной на полупроводниковой элементной базе, служит блок питания 5.

Выводы:

1. Генераторы должны оснащаться:

• турбогенераторы – защитой от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения действующей на сигнал и защитой от замыканий на землю в 2-х точках цепи возбуждения действующей на отключение;

• гидрогенераторы – защитой от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения действующей на отключение.

В качестве защиты от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения широкое применение нашла защита, выполненная с помощью реле КЗР-3 принцип действия которой основан на положении на цепи возбуждения переменного напряжения частотой 25 Гц.

Защита от замыканий на землю во второй точке цепи возбуждения выполняется по мостовой схеме с делителем напряжения и реле тока подключенного к делителю и специальной щётке на заземлённом валу ротора.

Защита будет действовать при витковых замыканиях в обмотке ротора, поэтому специальной защиты от витковых замыканий в обмотке ротора на генераторах, как правило, не предусматривается.

4. На мощных генераторах с непосредственным охлаждением проводников обмоток ротора и статора устанавливается защита от перегрузки ротора с интегрально-зависимой выдержкой времени выполняемая на реле типа РЗР-1.