Релейная защита блока
Релейная защита блока
1. Общие сведения
Блочные схемы соединений: находят широкое применение на современных мощных электростанциях. Наиболее часто соединяются в один блок генератор — повышающий трансформатор (или автотрансформатор) и трансформатор собственных нужд (рис.1). Находят применение также блоки генератор — повышающий трансформатор (или автотрансформатор) — линия. Блоки большой мощности (100, 200, 300, 500, 800 МВт) объединяют в единый агрегат не только генератор и трансформатор, но также котел и турбину. Такие блоки не имеют поперечных связей, позволяющих заменять один элемент блока (например, трансформатор или котел) аналогичным элементом другого блока. В результате этого повреждение или нарушение нормальной работы одного элемента блока выводит из работы весь блок.
На генераторах, трансформаторах (или автотрансформаторах) и линиях, соединенных в один блок, устанавливаются те же защиты, что и в случае их раздельной работы. Однако объединение в один рабочий агрегат нескольких элементов большой мощности вызывает некоторые, отмеченные ниже особенности в требованиях к защитам и в отдельных случаях в исполнении защиты.
Рис. 1. Основные схемы блоков:
а, б, в — генератор — трансформатор с ответвлением на с. н.; г — блок с двумя генераторами; д — спаренные блоки.
1. Соединение в один блок нескольких элементов позволяет объединить однотипные защиты этих элементов в одну общую защиту. Общими обычно выполняются дифференциальные защиты генератора и трансформатора, а также защиты от сверхтоков при внешних к. з. и перегрузках.
2. Отсутствие электрической связи между генератором и сетью, имеющее место в блочных схемах, облегчает решение вопросов селективности защиты генератора от замыканий на землю, но требует в то же время новых способов выполнения этой защиты.
3. Вследствие высокой стоимости мощных генераторов и трансформаторов блока к их защитам от внутренних повреждений предъявляются повышенные требования в части чувствительности, быстроты действия и надежности.
4. Малые запасы по нагреву мощных генераторов обусловливают необходимость выполнения защиты от недопустимого нагрева ротора генератора при несимметричном режиме и от перегрузки обмотки ротора.
5. На блоках без поперечных связей, все элементы которых объединены в единый агрегат, возникает необходимость действия электрических защит не только на выключатель и АГП, но и на останов блока в целом, т. е. котла и турбины.
Соответственно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) для защиты блоков генератор – трансформатор при мощности генератора больше 10МВт должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений:
· от замыканий на землю в цепи генераторного напряжения;
· от многофазных коротких замыканий в обмотке статора генератора и его выводах;
· от междувитковых коротких замыканий в обмотке статора при наличии двух параллельных ветвей;
· от многофазных коротких замыканий в обмотках блочного трансформатора и на его выводах;
· от междувитковых коротких замыканий в обмотках блочного трансформатора;
· от внешних коротких замыканий;
· от перегрузки генератора токами обратной последовательности (при мощности генератора больше 30 МВт);
· от симметрической перегрузки генератора и трансформатора;
· от перегрузки ротора генератора током возбуждения;
· от повышения напряжения (для генераторов мощностью 100 МВт и выше);
· от замыкания на землю в одной точке обмотки возбуждения;
· от замыкания на землю во второй точке обмотки возбуждения (при мощности генератора меньше 160 МВт);
· от перехода в асинхронный режим при потере возбуждения;
· от снижения уровня масла в баке трансформатора;
· от повреждения изоляции вводов высокого напряжения блочного трансформатора (при напряжении 500 кВ и выше).
Ниже рассмотрим и рассчитаем основные защиты для блока мощностью 300 МВт:
· продольная дифференциальная защита генератора от многофазных коротких замыканий в обмотке статора и его выводах;
· поперечная дифференциальная защита генератора от междувитковых коротких замыканий в обмотке статора при наличии двух параллельных ветвей;
· от перехода в асинхронный режим при потере возбуждения;
· дифференциальная защита блочного трансформатора от всех видов коротких замыканий.
2. Продольная дифференциальная защита генератора
2.1 Теоретические сведения
В качестве защиты от междуфазных коротких замыканий в генераторе применяется быстродействующая продольная дифференциальная защита, её схема для одной фазы генератора показана на рис. 1, а.
Рис.2 Схема и принцип действия продольной дифференциальной защиты генератора
Принцип действия защиты основан сравнении величин и фаз токов (и ) в начале и конце обмотки фазы статора. С этой целью с обеих сторон обмотки статора устанавливаются трансформаторы тока и с одинаковыми коэффициентами трансформации . Их вторичные обмотки соединяются последовательно, как показано на рисунке, разноимёнными полярностями. Дифференциальное реле включается параллельно вторичным обмоткам обоих трансформаторов тока.
При к.з. вне зоны (точка на рис.1. а) первичные токи равны по величине и направлены в одну сторону (к месту к.з.). Распределение вторичных токов в показано на рис. 1, а, ток в реле, при идеальной работе трансформаторов тока и поэтому – защита не работает. В действительности из-за погрешности трансформаторов тока и в реле появляется ток небаланса . Для исключения ложной работы необходимо обеспечить условие
При нагрузке распределение первичных и вторичных токов соответствует условиям внешнего короткого замыкания, ток и защита не действует.
При коротком замыкании в зоне (точка на рис. 1, б) первичные токи к.з. на обеих сторонах обмотки направлены встречно (к месту к.з.). В результате этого вторичные токи в реле суммируются и реле приходит в действие, если . Для прекращения к.з. защита должна отключить генераторный выключатель и АГП.
Поскольку дифференциальная защита генераторов предназначена для действия при междуфазных к.з., она может выполняться по двухфазной схеме. Однако двухфазная защита не может обеспечить отключение генератора при двойных замыканиях на землю. Для быстрого отключения такого повреждения дифференциальная защита генератора должна выполнятся трёхфазной. В целях экономии трансформаторов тока дифференциальные защиты генераторов можно выполнять двухфазными, предусматривая при этом соответствующее исполнение защиты от замыканий на землю, позволяющее ей отключить двойное замыкание на землю.
Зона действия защиты ограничена участком между трансформаторами тока и . При выполнении защиты стремятся расширить её зону; с этой целью трансформаторы тока обычно устанавливают возле непосредственно у выключателя, так чтобы повреждения на всех токоведущих частях от выводов генератора до выключателя выключалась мгновенно дифференциальной защитой.
Обрыв соединительного провода в схеме дифференциальной защиты нарушает баланс токов в реле и вызывает неправильную работу защиты при сквозных к.з. или даже в нормальном режиме. Поэтому токовые цепи защиты должны выполнятся с особой надёжностью. Число контактных соединений в токовых цепях должно быть минимальным, а качество соединений – надёжным.
Вторичные обмотки трансформаторов тока дифференциальной защиты заземляется только у одной группы трансформаторов или ; вторая группа трансформаторов связана с первой и поэтому своего заземления не имеет. При заземлении обеих групп трансформаторов образуется цепь, по которой могут проходить токи, появляющиеся в контуре заземления подстанции, в результате чего возможно неправильное действие защиты.
При внешних к.з. в дифференциальном реле (рис. 1)
Ток небаланса может вызывать неправильную работу дифференциальной защиты, поэтому принимаются меры к ограничению его величины.
Для этой цели необходимо соблюдать следующие требования :
1. трансформаторы тока не должны насыщаться при токах сквозного к.з., что позволяет уменьшить токи намагничивания, а следовательно, а ток небаланса при внешних к.з. . Это обеспечивается применением трансформаторов тока, насыщающихся при возможно больших значениях вторичной э.д.с., и уменьшением сопротивления плеч защиты, составляющих нагрузку трансформаторов тока при внешних к.з., от которой зависит величина .
2. для уменьшения разности намагничивающих потоков характеристики намагничивания трансформаторов тока и должны быть идентичными (совпадающими), а сопротивление плеч – по возможности равными. При этих условиях разность будет минимальной.
Выполнение указанных требований весьма существенно ограничивает установившееся значение тока небаланса, обусловленный апериодической составляющей тока при внешнем к.з. или самосинхронизации генератора, может достигать значительной величины.
Для исключения работы дифференциальной защиты от тока небаланса в неустановившемся и установившемся режимах кроме отмеченных выше мер по уменьшению намагничивающих токов могут использоваться три способа:
1. уменьшение величины и продолжительности броска в неустановившемся режиме;
2. применение реле, отстроенных от бросков , возникающих в этом режиме;
3. применение реле с торможением от тока сквозного к.з.
Уменьшение броска тока небаланса достигается с помощью активного сопротивления порядка 5 Ом, включаемого последовательно с обмотками дифференциальных реле. Активное сопротивление ограничивает величину и, кроме того, уменьшает постоянную времени вторичного контура трансформатора тока (). Однако включение значительного активного сопротивления (5 Ом) создаёт повышенную нагрузку на трансформаторы тока при к.з. в генераторе. В результате этого их погрешность увеличивается, что понижает чувствительность защиты и является недостатком, ограничивающим применение этого способа.
В качестве второго, более совершенного способа применяется отстройка от неустановившихся токов небаланса включением дифференциального реле через быстронасыщающийся трансформатор.
Третий способ предусматривает использование в качестве дифференциального реле – реле с торможением, автоматически заглубляющихся при внешнем к.з. одновременно с ростом тока небаланса.
