Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

При замыкании на землю в обмотке статора возникает на-

пряжение 1/„, под действием которого в каждой фазе генера-

тора появляется ток 1

с замыкающийся через емкость С

соответствующей фазы сети и место повреждения К. Проходя

через магнитопровод ТНП, охватывающий три фазы генерато-

ра, три тока /

с(3/

с) индуцируют во вторичной обмотке ТНП

ток /

оС

/К

который питает обмотку токового реле (здесь

- коэффициент преобразования первичного тока ТНП во

вторичный).

Если ток /

> /

з,

то РЗ приходит в действие. Отнеся токи

и /

сз

к первичной стороне ТНП, получим, что условием рабо-

ты РЗ является соотношение

Ъ1

оС

> /

с-3

, где

оС

/К

- 1

Если в сети установлен дугогасящий реактор (ДГР), то на

ток 1

оС

накладывается ток ДГР 7

^, замыкающийся по контуру

катушка - место повреждения. В этом случае 7

= (31

оС

- 3/

^)/К

, а условие срабатывания примет вид: 31

оС

оХ/

> 1

С3

Поскольку токи 1

с и 7

^ пропорциональны и>

, то и ток /

пропорционален ш,. При замыкании вблизи нейтрали генера-

тора ток /

может оказаться меньше тока срабатывания и РЗ

не подействует. Таким образом, РЗ, реагирующая на ток /

по принципу ее действия имеет мертвую зону, что является

недостатком защиты. На генераторах малой и средней мощно-

сти мертвая зона считается допустимой, если при повреждении

в ней

5 А.

При внешних замыканиях на землю под действием напря-

жения С7

, появляющегося в месте повреждения, возникают

токи /„, замыкающиеся через емкость сети и емкость обмоток

генератора (7

0с

и 7

0г

). Как уже отмечалось в гл. 9, в момент воз-

никновения замыкания появляется нестационарный бросок

тока, в 4-5 раз превосходящий установившиеся значения ЗГ

0Г

Очевидно, что РЗ генератора должна быть отстроена от этого

броска с некоторым запасом, для чего /

> к$ • 31

0г

, где к$ -

коэффициент, характеризующий значение броска емкостного

тока.

Значения емкостных токов 3/

ог

для турбогенераторов при-

ведены в табл. 17.2.

Защита от замыканий на корпус с ТНП, имеющим подмагни-

чивание. Конструкция ТНП. Магнитопровод 1 ТНП, имеющий

форму прямоугольника, внутри которого располагаются кабели

или токопроводы трех фаз генератора (рис. 17.8), выполняется

641

Таблица

17.2

Тип турбогене- Номинальное на- Емкостный ток

ратора пряжение, кВ турбогенерато-

ра, А

ТВФ-63-2

ТВФ-120-2

ТВВ-160-2

ТГВ-200М

ТВВ-200-2а

ТВВ-220-2а

ТГВ-300

ГВВ-320-2

ТГВ-500

ТВВ-500-2

ТВВ-500

ТВВ-800-2

ТВВ-1000-4

ТВВ-1200-2

6,3

10,5

15,75

36,75

0,59

1.18

1,3

3,42

1.94

1,94

4,67

3,29

4,78

2,71

7,4

2,95

4,08

5,21

из трансформаторной стали, на нем намотана вторичная об-

мотка 2, питающая реле.

На рис. 17.9 изображена кривая намагничивания ТНП для

переменного тока. Она представляет зависимость ЭДС на за-

жимах разомкнутой вторичной обмотки ТНП от магнитодви-

жущей силы Р первичного тока: Е

/(.Г).

Показав на диаграмме

/%,

Ри токе замыкания на землю /

, можно убедиться, что

Рис.

17.8. Упрощенная схема ТНП

подмагничиванием

Рис.

17.9.

Влияние подмагничивания на вторичную ЭДС Е

ТНП

642

вследствие малого значения 1

трансформатор работает в на-

чальной пологой части характеристики намагничивания. На-

водимая во вторичной обмотке ЭДС Е

= Е'

будет мала; соот-

ветственно будет мал и вторичный ток, если вторичную обмот-

ку замкнуть на реле.

Чувствительность РЗ значительно возрастет, если на маг-

нитопровод поместить дополнительную обмотку 3 (рис. 17.8),

питаемую переменным током /

от постороннего источника.

Магнитодвижущая сила дополнительной обмотки Р

будет

подмагничивать магнитопровод, создавая в нем магнитный

поток Ф

. Если при наличии подмагничивания протекает тот

же ток замыкания на землю /

, то созданная им магнитодвижу-

щая сила Р"з складывается с магнитодвижущей силой обмотки

подмагничивания ^

. В результате этого ТНП работает в более

крутой части характеристики намагничивания ВС и ЭДС,

наводимая током, Е

' будет значительно больше, чем при том

же 1

без подмагничивания; соответственно возрастает ток в

реле,

что повышает чувствительность РЗ. Указанное подмаг-

ничивание осуществляется переменным током от ТН генера-

тора, поэтому магнитный поток Ф

, создаваемый обмоткой

подмагничивания, будет наводить во вторичной обмотке до-

полнительную ЭДС Ел, искажающую работу ТНП. Для устра-

нения вредного влияния обмотки подмагничивания магнито-

провод выполняется из двух одинаковых сердечников: 1а и 16

(рис.

17.10). На каждом сердечнике располагаются вторичные

обмотки 2а к 26 и обмотки подмагничивания За и 36. Обмот-

ки За и 36 соединяются встречно-последовательно и создают

в сердечниках магнитные потоки противоположного направ-

ления. Вторичные обмотки 2а и 26 соединяются согласно-по-

следовательно, поэтому наводимые в них током подмагничи-

вания ЭДС Е

па

иЕ

^ взаимно уничтожаются.

Л Ь 4

Рис.

17.10. Трансформатор тока нулевой

последовательности с подмагничива-

нием

643

КЛ1 КЛ2

^-0—0-1

КА2

К"2

—'—

1 /(выходному

кт1

•—'

реле

КМ1

« ^ ™—я^ ^навн

кли

I **• I

А"/

сь

—^

"1 Контакт пусковых реле

защит от внешни*

к~У

Рис.

17.11.

Схемы защиты генератора от замыканий на землю:

—

токовые цепи; б

—

цепи оперативного тока

За счет неточной балансировки во вторичной обмотке

появляется ток /

б.

> имеющий наибольшее значение при нор-

мальном напряжении.

При замыкании на землю в первичной цепи ТНП

появляется ток 3/

. Он наводит в обмотках 2а и 26 последова-

тельно направленные и равные по значению ЭДС, которые

складываются и вызывают в реле ток 1

= 37

При симметричных КЗ и нагрузке ток в реле должен

отсутствовать, однако из-за несимметрии расположения пер-

вичных токопроводов во вторичных обмотках ТНП возникает

ток небаланса /

б.

ес-

Таким образом, при симметричных КЗ и токах нагрузки в

реле РЗ появляется ток небаланса, состоящий из двух состав-

ляющих: одна обусловлена несимметрией расположения фаз

первичных токопроводов ТНП /

б.

ес> вторая - подмагничива-

нием /

б.подм-

Для генераторов, связанных со сборными шинами шинными

выводами, имеется аналогично выполненная конструкция

ТНПШ.

Принципиальная схема защиты с ТНП, имеющим подмагни-

чивание, изображена на рис.

17.11.

В схеме предусмотрены

два токовых реле: чувствительное и грубое. Чувстви-

тельное реле КА1 предназначено для действия при одно-

фазных замыканиях на землю в обмотке статора генератора.

На генераторах с ТНП кабельного типа используется токовое

реле типа РТ-40, РТЗ-50 или заменяющее его реле типа

РТЗ-51,

644

имеющее высокий коэффициент возврата. Реле КА1 при сра-

батывании воздействует на реле времени КТ, имеющее вы-

держку времени 0,5-1 с.

В схемах защиты с ТНПШ предусмотрена блокировка, выво-

дящая КА1 из действия при внешних КЗ для предотвращения

отключения генератора из-за больших токов небаланса.

Грубое токовое реле КА2 устанавливается для дей-

ствия при двойных замыканиях на землю (одном - в генерато-

ре и втором - в сети). Реле КА2 отстраивается от токов небалан-

са при внешних КЗ и действует на отключение без выдержки

времени. При больших кратностях тока двойного замыкания

на землю возможно искажение формы кривой вторичного то-

ка ТНП и как следствие - возникновение вибрации подвижной

системы и контактов реле КА2 и отказ его в работе. Для исклю-

чения этого в качестве КА2 используется реле РНТ-565 с НТТ.

Во вторичную цепь ТНП включается сопротивление Л = 5 Ом

для ограничения тока в цепи при двойных замыканиях на зем-

лю,

благодаря чему обеспечивается термическая стойкость

обмотки реле РТЗ-50, сопротивление входного трансформатора

которого резко уменьшается из-за насыщения.

Обмотка подмагничивания ТНП питается от основных об-

моток трансформатора напряжения ТУ1.

Первичный ток срабатывания защиты

^с.з.п

~Г~ (^отс ^Сг)

"('

отс^нб.п)> (17.15)

где 1

Сг

- емкостный ток замыкания на землю генератора; /с

коэффициент возврата реле (равный 0,8 для РТ-40 и 0,9 для

РТЗ-50);

к'

огс

= 2;

к^

тс

= 1,5;

н6

- первичный ток небаланса.

Ток срабатывания

3 п

, определенный по выражению (17.15),

должен быть менее 5 А. ,

Ток срабатывания РЗ от двойных замыканий на землю

(реле КА2) принимается 200-300 А (соответствует минималь-

ной уставке РНТ-565).

Для генератора ТВФ-120, имеющего больший емкостный ток,

чем генераторы ТВФ-63, при применении схемы РЗ, цепи пере-

менного тока которой показаны на рис.

17.11,

с-зп

получает-

ся более 5 А.

В настоящее время ТНПШ не выпускается заводом, но еще

находится в эксплуатации. Поэтому возникла необходимость

в разработке и применении защиты генератора от замыканий

645

1сбл

гШ-1

•—.

я ^=

//-ля -—

* х 1

1свв

т~1

1свс

гШд

ЛЯГ

: -:

1 гони х! 41

гет

Рис. 17.12. Распределение токов в дифференциальных цепях РЗ при внешнем

замыкании К

на землю, работающего на сборные шины нового типа. Такая

защита была разработана во ВНИИЭ и изготавливается ЧЭАЗ.

Селективная высокочувствительная защита типа ЗЗГШ-3

(БРЭ 1301-03). Новая РЗ от однофазных замыканий на землю

типа ЗЗГШ-3 позволяет обеспечить 100%-ную защиту обмотки

статора. Защита реагирует на высшие гармоники токов фаз.

В РЗ ЗЗГШ-3 фиксация замыкания на землю в обмотках ста-

тора осуществляется сравнением разностей составляющих

токов непромышленной частоты, протекающих по реле двух

неповрежденных фаз, с третьей - поврежденной. Разность то-

ков обеспечивается включением реле по дифференциальной

схеме, использующей трансформаторы тока, установленные на

выводах генератора и со стороны его нейтрали.

Принцип действия рассматриваемой РЗ поясняется рис. 17.12

17.13.

В нормальном режиме при отсутствии замыкания на

землю ток через ИО не протекает, так.как разностный ток прак-

646

С6А

• г

уЙ-|

^ь

1свв

ы-ггг°—ы

*~у

Лесист

^щ

^гостг^-ы

ЧТО

Доли

емкостных томов

неповрежденных

фаз

системы

данного нап-

ряжения

От

других генераторов

Рис. 17.13. Распределение токов в дифференциальных цепях РЗ при однофазных

замыканиях на землю на выводах генератора К

тически равен нулю. В ИО при этом может протекать лишь ток

небаланса, обусловленный неидентичностью ТТ одной фазы.

При этом составляющая основной частоты в токе небаланса

не имеет значения, так как из разностного тока выделяются

для сравнения только составляющие непромышленной ча-

стоты.

При внешнем однофазном замыкании на землю, как следует

из распределения емкостных токов в сети при замыкании на

землю в точке К

(рис. 17.12), значения составляющих разност-

ных токов непромышленной частоты всех фаз определяются

только емкостями обмоток статора

1ССА>

^ссв> ^ссс- При этом

уровень составляющих разностного тока поврежденной фазы

ниже, поскольку она находится под меньшим напряжением.

Действие РЗ при этом блокируется.

При замыкании на землю на выводах одной из фаз статора

в зоне действия РЗ в точке К

(рис. 17.13) по двум неповреж-

денным фазам проходят составляющие токов непромышлен-

ной частоты, обусловленные емкостями фаз сети и обмоток

647

статора генератора. В поврежденной фазе эти токи складыва-

ются, поступая в точку замыкания на землю. Со стороны фаз-

ного вывода по поврежденной фазе до точки замыкания на

землю проходят составляющие остальной части тока замыка-

ния на землю. При этом уровни составляющих непромышлен-

ной частоты разностного тока поврежденной фазы, определяе-

мые суммарной емкостью сети, значительно превышают уров-

ни разностных токов неповрежденных фаз, обусловленных

емкостями неповрежденных фаз обмотки статора поврежден-

ного генератора. Защита при этом срабатывает с высоким ко-

эффициентом чувствительности. Предусмотрена автоматиче-

ская регулировка чувствительности в процессе замыкания,

благодаря чему обеспечивается ее заданный уровень, в том

числе и при перемещении точки замыкания на землю внутрь

обмотки. Рассматриваемая РЗ имеет мертвую зону (зону недей-

ствия) - часть обмотки, примыкающую к нейтрали.

На рис. 17.14, а приведена структурная схема этой защиты.

Токи каждой фазы поступают в преобразователи 1, каждый из

которых представляет собой трансреактор с двумя первичными

и двумя вторичными обмотками. Одна из вторичных обмоток

используется для подачи сигналов на вход РЗ в режиме про-

верки. С помощью элемента 1 осуществляется: преобразование

входных токов в напряжения, пропорциональные значениям

входных разностных токов, и дифференцирование этих напря-

жений (последнее предусмотрено для увеличения относитель-

ных значений составляющих высших гармоник); гальваниче-

ское отделение цепей РЗ от ТТ; экранирование цепей РЗ для

повышения помехоустойчивости; прием входных сигналов в

режиме проверки РЗ.

Фильтр высших гармоник 2, предназначен для подавления

основной составляющей 50 Гц.

Элемент 3 предназначен для автоматического изменения

значения входного сигнала для повышения чувствительности

при малых токах повреждений. С этой целью с выхода элемен-

та 12 подается напряжение Суп

Выходной сигнал элемента 3 усиливается, выпрямляется

и сглаживается блоком 4, постоянное напряжение на выходе

которого соответствует составляющим непромышленной ча-

стоты токового сигнала данной фазы. Пусковой орган РЗ 7

представляет собой максимальное реле напряжения НП,

648

зи

N -

"ГЕ

Уве

С/упр

НЧ1Р4

к .

а)

ги

От

блока 7

ГО

ГУ

РИС.

17.14. Защита БРЭ 1301-03: *7

а - структурная схема РЗ; б

—

характери- д д

стика срабатывания РЗ

0,6

0,ч

0,2

^0,41

0,75

-""/7

/ /

. Зона 'сроба-1

ть/вамия 1

/ 0,431

Л_1 1_ .1 ЛЖ 1 ...1 1 1

О 0,7 0,4 0,6

0,8*2

б)

имеющее фиксированную уставку срабатывания, С

ср

= 0,Ш

НОМ

Блок 12 формирует 1/

упр

, которое подается на блоки 3 всех

фаз.

Это напряжение с момента срабатывания пускового ор-

гана 7 нарастает с переменной скоростью. Значение Цу

Пр

опре-

деляется интегралом по времени разностей напряжений:

заданного эталонного и максимального из трех выходных на-

пряжений блоков 4, выделяемого селектором максимального

сигнала 11.

Блоки 3, 11 и 12 обеспечивают автоматическую регулиров-

ку чувствительности РЗ, при этом выходные напряжения

649

блоков 4 (Е

1г

, Е

) находятся на заданном уровне в широком

диапазоне входных токовых сигналов (1

, 1

), повторяя с

необходимой точностью их соотношения. Благодаря этому обес-

печивается надежная работа РЗ как в широком диапазоне

емкостных токов сети, так и при любом виде замыкания на

землю: металлическом, полном и неполном (внутри обмотки

статора), через переходные сопротивления, при перемежающих-

ся дугах и т. д. В блоке 5 производится сравнение выходных

напряжений блоков 4, определение соотношений этих напря-

жений в зависимости от принятой характеристики срабатыва-

ния (рис. 17.14,6") и выдача результирующей информации на

логический реагирующий орган 6, который определяет, нахо-

дится ли замыкание в зоне действия РЗ.

Выходной орган 10 срабатывает при поступлении сигнала

от реагирующего органа 6. В нормальном режиме, когда отсут-

ствует напряжение НП, ПО 7 блокирует действие блока 6.

После срабатывания ПО 7 блок 9 формирует сигнал на блок 8,

который запускает на заданное время блок автоматической

регулировки чувствительности 12. Если в течение этого вре-

мени не происходит срабатывания выходного органа 10, устрой-

ство переводится в исходное по чувствительности состояние

(загрубляется). Если же в указанном интервале времени ор-

ган 10 срабатывает, то чувствительность устройства остается

на достигнутом уровне в течение времени существования

замыкания. Возврат РЗ происходит после возврата ПО 7 или

при исчезновении токовых сигналов на выходе блоков 4. Сра-

батывание РЗ и изменение ее чувствительности возможно

только при срабатывании ПО 7.

Благодаря описанному выше взаимодействию блоков 8 и 9

в условиях длительного существования однофазного замыка-

ния на землю во внешней сети (когда ПО 7 остается сработав-

шим) РЗ остается в действии с грубой уставкой, что исключает

возможность ее неправильного срабатывания. Если при этом

возникает замыкание на одной из неповрежденных фаз в об-

мотке статора (происходит переход однофазного замыкания

в сети в двойное замыкание на землю), грубая уставка РЗ не

мешает ей подействовать на отключение поврежденного гене-

ратора.

На рис. 17.14,6 построена характеристика РЗ в осях к

и к

коэффициентов, определяемых соотношениями Е

/Е

и Е

/Е

соответственно, где Е

- наибольший сигнал, поступающий от

650