Расшифровка обозначений:

Т - турбогенератор;

ВФ - водородное форсированное охлаждение

63 - номинальная активная мощность генератора, МВт;

2 - число полюсов;

Таблица 2 - Параметры автотрансформаторов

Таблица 3 - Параметры трансформаторов

2. Выбор и обоснование устанавливаемых защит

генератор защита трансформатор

Виды повреждений и ненормальных режимов работы

Синхронные генераторы относятся к наиболее ответственному оборудованию, работающему в режиме интенсивных электрических и механических нагрузок. Их выход из работы может привести к возникновению системной аварии, поэтому устройства релейной защиты должны в полном объеме обеспечивать требования быстродействия, селективности, чувствительности и надежности.

Согласно ПУЭ для блоков генератор - трансформатор с генераторами мощностью более 10 МВт должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и ненормальных режимов работы:

Повреждения генераторов

Витковые замыкания являются наиболее вероятным и опасным видом повреждения и характеризуются протеканием больших токов в замкнувшихся витках при незначительном изменении тока в неповрежденной части обмотки. Замыкания между витками обычно сопровождаются замыканием на землю и в большинстве случаев возникают в результате развития повреждения, вызванного однофазным замыканием на землю.

Замыкания па землю наиболее часто возникающий режим повреждения. В месте замыкания на землю обычно возникает дуга, которая может привести к значительным разрушениям стали статора при большом токе повреждения.

Замыкания на землю наиболее вероятны на участках обмотки статора вблизи линейных выводов. Однако, как показал опыт эксплуатации, возможны замыкания на землю и вблизи нейтрали (в частности при снижении уровня изоляции под воздействием охлаждающей воды). Генераторы большой мощности при замыкании на землю обмотки статора должны отключаться.

Многофазные КЗ. Многофазные КЗ в обмотке статора наиболее вероятны при развитии повреждения, вызванного однофазным замыканием на землю. Однако возможны и междуфазные КЗ без земли, возникающие в лобовых частях обмотки. Так как большие токи повреждения вызывают значительные разрушения генератора, эти КЗ должны немедленно отключаться быстродействующей защитой.

Повреждения обмотки ротора. Обмотки ротора генератора находятся под невысоким напряжением (300-500)В, поэтому их изоляция обладает значительным запасом прочности. Из-за тяжелых механических условий работы распространенными видами повреждения обмотки ротора и цепи возбуждения являются замыкания на землю в одной и в двух точках. Замыкание на землю в одной точке не сопровождается I большими токами и не влияет на работу генератора. Однако при этом возникает опасность повреждения изоляции цепи возбуждения во второй точке. При его появлении часть обмотки ротора шунтируется, вследствие чего искажается магнитное поле машины. Это может привести к значительной вибрации и разрушению подшипников и уплотнений вала генератора. Возникновение дуги при замыкании на землю во второй точке может вызывать местные обгорания изоляции и оплавления меди обмотки.

Анормальные режимы работы генераторов

Внешние КЗ должны ликвидироваться защитами смежных присоединений. Однако в случае отказа защиты или выключателя этого элемента ток короткого замыкания должен быть отключен защитой генератора.

Перегрузки генератора возникают в результате отключения или отделения части параллельно работающих генераторов, при работе форсировки возбуждения, самозапуске двигателей, потере возбуждения и т.д. Симметричные перегрузки возможны при обусловленных недостатком реактивной мощности на данном участке энергосистемы понижениях напряжения в сети, на которую работают энергоблоки.

Перегрузка генератора по току статора всегда сопровождается перегрузкой по току ротора и вызывает перегрев обмоток, старение изоляции и, как следствие, ее повреждение. Для ликвидации перегрузки производится автоматическое снижение тока возбуждения с помощью блока разгрузки в автоматическом регуляторе возбуждения (АРВ) и защиты ротора от перегрузки. Последняя кроме действия на разгрузку, в случае если при этом перегрузка не устраняется, отключает генератор.

Поскольку автоматическая ликвидация перегрузки ротора устраняет и перегрузку статора, при возникновении последней достаточно обеспечить действие сигнализации.

Несимметрия фазных токов возникает при внешних однофазных и двухфазных замыканиях, при большой несимметричной нагрузке ближних потребителей, при неполнофазных режимах работы энергосистемы. Несимметрия сопровождается появлением в обмотке статора токов обратной последовательности. При этом в роторе возникают токи двойной частоты, вызывающие его повышенный нагрев и вибрацию вращающихся частей машины.

Повышение напряжения обмотки статора, возможное в условиях холостого хода генератора при неисправностях в системе возбуждения или при обрыве цепей напряжения АРВ. Для предотвращения таких повышений напряжения на турбогенераторах мощностью 160 МВт и выше должно производиться гашение поля с помощью специальной защиты.

Асинхронный режим возникает при потере возбуждения и в результате нарушения устойчивости. Продолжая выдавать активную мощность, получает возбуждение от сети. При этом снижается до нуля тормозной синхронный момент, частота вращения генератора увеличивается и возникает скольжение 0,3--0,7%.

В условиях асинхронного режима вследствие потребления из сети большой реактивной мощности значительно увеличивается ток статора и понижается напряжение на выводах генератора. Поэтому активная мощность, выдаваемая генератором в асинхронном режиме, должна ограничиваться.

Повреждения трансформаторов

При выполнении защит трансформаторов должны быть учтены следующие режимы:

- многофазные замыкания в обмотках и на выводах;

- однофазные замыкания в обмотках и на выводах;

- витковые замыкания в обмотках;

- внешние короткие замыкания;

- повышение напряжения на поврежденных фазах (для трансформаторов 110 кВ, работающих в режиме изолированной нейтрали);

- перегрузка трансформатора;

- понижение уровня масла;

- «пожар» стали магнитопровода.

Выбор защит

Для защиты блока генератор-трансформатор в качестве основных защит

приняты:

для турбогенераторов:

• поперечная дифференциальная защита предназначенная для защиты от витковых замыканий;

• продольная дифференциальная защита на реле типа РНТ-565 для защиты от междуфазных замыканий. Защита устанавливается на турбогенераторах мощностью более 63 МВт;

• защита от замыканий на землю в обмотке статора на реле РЗГ - 100.

• для трансформаторов:

• продольная дифференциальная защита трансформатора от повреждений на выводах и внутренних повреждений (выполнена на реле типа ДЗТ-21);

• газовая защита трансформатора.

для трансформаторов собственных нужд:

• продольная дифференциальная защита от повреждений на выводах и внутренних повреждений (выполнена на реле типа ДЗТ-21);

• газовая защита трансформатора.

В качестве резервных защит приняты:

для турбогенераторов:

• дистанционная защита от внешних симметричных замыканий (выполнена на блок-реле типа БРЭ 2801);

• четырехступенчатая токовая защита обратной последовательности от несимметричных внешних коротких замыканий (выполнена на блок-реле S3-1101).

для трансформаторов:

• МТЗ нулевой последовательности от токовых внешних замыканий на землю.

для трансформаторов собственных нужд:

• дистанционная защита.

В качестве защит от анормальных режимов приняты:

• защита от симметричной перегрузки обмотки статора (выполнена на блок-реле БЭ-1103)

• зашита от перегрузки обмотки ротора

• защита от потери возбуждения (выполнена на блок-реле БРЭ-2801)

токовая отсечка от междуфазных коротких замыканий.

3. Планирование и расчет типичных аварийных режимов

Для выбора и расчета защит необходимо посчитать токи короткого замыкания в нескольких точках. Для этого составляется схема замещения, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема замещения ТЭЦ

Для расчета схемы замещения принимается U_Б = 110 кВ .

Сопротивление энергосистемы:

- Генераторы:

Сопротивления прямой последовательности:

Сопротивления обратной последовательности:

- Двухобмоточные трансформаторы

Автотрансформаторы:

Трансформатор собственных нужд:

Реакторы:

После преобразования схемы относительно блока Г5-Т5 в эквивалентную схему замещения, производится расчет токов короткого замыкания (трехфазный, двухфазный) в трех точках, представленных на рисунке 2. В результате схема выглядит следующим образом:

Рисунок 3 - Эквивалентная схема замещения ТЭЦ

Результаты токов короткого замыкания представлены на рисунках 5-10.

Расчет выполнен с использованием программы «Line»:

Рисунок 4 - Ввод данных

Рисунок 5 - Токи трехфазного КЗ в узле 1

Рисунок 6 - Токи двухфазного КЗ в узле 1

Рисунок 7 - Токи трехфазного КЗ в узле 2

Рисунок 8 - Токи двухфазного КЗ в узле 2

Рисунок 9 - Токи трехфазного КЗ в узле 3

Рисунок 10 - Токи двухфазного КЗ в узле 3

Фактические значения токов короткого замыкания для своего напряжения представлен в таблице 4.

Таблица 4

4. РАСЧЕТ УСТАВОК ЗАЩИТ И ОЦЕНКА ИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Защита генератора

Поперечная дифференциальная защита

Защита ставится на генераторах, обмотки статора которых содержат параллельные ветви. Выполняется односистемной на реле типа РТ-40/Ф с фильтром высших гармоник. Это реле присоединяется к трансформатору тока, врезанному в перемычку между нейтралями параллельных обмоток статора.

Первичный ток срабатывания

I_с.з.=0,2•I_ном=0,2•4,33=0,866 кА,

где .

Продольная дифференциальная защита

Защита выполняется в трехрелейном исполнении на генераторах мощностью до 63 МВт включительно - на реле типа РНТ - 565.

Ток срабатывания защиты отстраивается от тока небаланса при внешнем к.з. или при асинхронном ходе:

При внешнем КЗ:

,

где k_н=1,2 - коэффициент надежности;

,

где

- коэффициент однотипности при однотипных трансформаторах тока;

- допустимая десятипроцентная погрешность трансформаторов тока;

- периодическая составляющая тока трехфазного КЗ на выводах генератора.

Требуемое число витков определяется по выражению

, где

- магнитодвижущая сила срабатывания реле;

n_ТТ = 6000/5 - коэффициент трансформации трансформатора тока.

Коэффициент чувствительности проверяется по току двухфазного к.з. в минимальном режиме работы генератора:

Расчетный ток КЗ определяется для двух режимов: повреждение одиночно работающего генератора, когда ток повреждения протекает только от генератора:

повреждение генератора, включаемого методом самосинхронизации, когда ток к месту к.з. подходит только от сети:

Защита от замыканий на землю в обмотке статора

Для защиты от таких повреждений на генераторе применяется защита на реле РЗГ - 100.

Рисунок 11. Схема защиты на наложенном постоянном токе.

Наложенный постоянный ток от источника через объединенные нейтрали обмоток высшего напряжения обмоток трансформаторов напряжения подается на обмотки статора. Величина тока в реагирующем органе РО определяется сопротивлением изоляции обмотки статора. В нормальном режиме работы наложенный ток незначителен, и защита не работает. При замыкании на землю или снижении уровня изоляции наложенный ток увеличивается, что приводит к срабатыванию сигнального элемента или сигнального и отключающих элементов одновременно.

Сигнальный элемент реагирует на сопротивление R=100-200 кОм Отключающий элемент срабатывает при R < 10 кОм.

В защите предусмотрена цепь подключения измерительного прибора для контроля изоляции обмотки статора в процессе эксплуатации.

Дистанционная защита

Защита выполняется на блок-реле типа БРЭ-2801, включается на разность токов (I_A-I_В) трансформаторов тока, установленных в нейтрали генератора, и на междуфазное напряжение U_АВ трансформатора напряжения, установленного на выводах генератора. Реле позволяет получить круговую или эллиптическую характеристику.

Рисунок 12. Схема включения дистанционной защиты от внешних КЗ

Сопротивление срабатывания защиты выбирается из условия отстройки от максимального нагрузочного режима

Ом;

где k_н = 1,2 - коэффициент надежности;

k_в = 1,05 - коэффициент возврата;

ц_мч= 65-80⁰ - угол максимальной чувствительности;

ц_нагр = 70⁰ - угол нагрузки.

 Ом;

Уставка на реле Ом,

где n_тн = - коэффициент трансформации трансформатора напряжения;

n_тт = - коэффициент трансформации трансформатора тока.

Защита выполняется с двумя выдержками времени, обеспечивающими ближнее и дальнее резервирование. Требуемое значение коэффициента чувствительности должно быть не менее 1,5 и 2.

При КЗ на выводах генератора, т.е. при ближнем резервировании, расчет К невозможен, т.к. напряжение на выводах генератора при КЗ равно 0.

Для дальнего резервирования:

Четырехступенчатая защита обратной последовательности

Защита выполняется с независимой выдержкой времени на реле типа БЭ1101.

Рисунок 13. Структурная схемы четырехступенчатой токовой защиты.

Уставка срабатывания отсечки I выбирается из условия обеспечения требуемой чувствительности к несимметричному к.з. за резервируемым элементом:

кА;

где кА,

k_ч =1,5;

;

- ток срабатывания пускового органа

кА - ток срабатывания сигнального органа.

Ток срабатывания отсечки II выбирается из условия обеспечения необходимой чувствительности при двухфазном к.з. на выводах генератора

кА,

где кА,

k_ч =1,5;

;

t ? 0,3 сек - выдержка времени.

Защита от симметричных перегрузок обмотки статора

Защита выполняется на реле типа БЭ-1103.

Ток срабатывания:

- сигнального органа I_ср.с.о. = 1,05 • I_ном =1,05•4,33 = 4,55 кА;

- пускового органа I_ср.п.о = 1,1• I_ном = 1,1• 4,33 = 4,763 кА.

Защита от перегрузки цепей возбуждения

Диапазон уставок сигнального органа (1-1,2)I_ном, рекомендуется -1,07; пускового органа защиты (1,05-1,2)I_ном, рекомендуется -1,15.

кА;

кА.

Защита от замыканий на землю в обмотке ротора

Защита выполняется на блок-реле БЭ-1104.

Блок реагирует на снижение сопротивления изоляции обмотки ротора:

- при снижении сопротивления до 10 кОм подается сигнал;

- при снижении сопротивления до 2,5 кОм формируется команда на отключение.

Защита от потери возбуждения

Защита выполняется на реле сопротивления в блок-реле БРЭ-2801. На токовый вход реле сопротивления подается разность токов двух фаз от трансформаторов тока, установленных в нейтрали или на выводах генератора, на напряженческий - междуфазное напряжение от трансформаторов напряжения на выводах генератора.

В нормальном режиме Z располагается в 1 квадранте. При потере возбуждения Z перемещается в 3 или 4 квадрант и защита срабатывает.

Для предотвращения срабатывания реле при нарушениях синхронизма в системе его круговая характеристика смещается по оси jX в III и IV квадранты, Z_см= 0,4• X_d^''= 0,4 •0,153= 0,0612, выдержка времени берется равной (1-2)сек. Диаметр окружности характеристики принимается равным Z_уст = 1,1•X_d^" = 1,1 •0,153 = 0,1683.

Рисунок 14. Характеристика защиты типа БРЭ

Выдержка времени берется равной (1-2)сек.

Защиты блочного трансформатора

Газовая защита трансформатора

Газовая защита устанавливается на трансформаторах с масляной системой охлаждения.

Принцип действия газовой защиты основан на том, что при любом, даже незначительном повреждении обмоток, за счет выделения тепла происходит разложение масла. Разложение масла сопровождается выделением газа, интенсивность выделения которого зависит от тяжести повреждения.

Газовая защита выполняется при помощи газовых реле, представляющих собой металлический корпус, устанавливаемый в маслопровод между баком и расширителем трансформатора. Внутри корпуса реле устанавливают поплавковые контакты, которые при появлении газа замыкают свои контакты. При слабом газообразовании реле действует на сигнал, при интенсивном - на отключение.

Газовая защита является простым и универсальным инструментом для определения внутренних повреждений трансформатора. Она позволяет определить и витковые замыкания, на которые не реагирует дифференциальная защита из-за малой величины тока.

Защита от повреждений на выводах и внутренних повреждений трансформатора

Рисунок 17- Однолинейная структурная схема защиты ДЗТ-21

Защита выполнена на реле типа ДЗТ-21. Оно выполнено трехфазным в четырехмодульной кассете и включает в себя три фазных модуля и модуль питания и управления.

Расчет защиты сведен в таблицу.

Таблица 5