Защита ротора от повреждений на землю
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в мартовском номере журнала в 2010 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич




Неисправности в роторе, при относительно невысоком  напряжении возбуждения происходят нечасто, да и однофазные замыкания на землю не так опасны. Но очевидно, что в случае второго пробоя изоляции межвитковое замыкание вызывает приложение силы к валу. Обнаружение межвитковых повреждений – трудная задача. Из-за низковольтного напряжения возбуждения они происходят только на работающей машине. Центробежные силы и нагрев воздействуют на обмотку механически и термически.
Это и объясняет, почему межвитковое повреждение происходит только при особых рабочих условиях и не происходит на выведенной из работы машине. Измерения также затруднены из-за низкого сопротивления обмотки ротора. Только тщательная сборка обмотки была достаточной защитой, так как из-за старения изоляции, происходящей в основном из-за при периодического снятия (гашения поля)   и подачи напряжения возбуждения.

Защита от замыкания на землю

В 1928 г Макс Похонтш (Max Pohontsch), Берлин, запатентовал “Контроль отсутствия повреждения на землю в цепях постоянного тока”, (патент DRP 457323). См. Рис.3.
Так как замыкания ротора на землю не так опасны, то считалось достаточным простая сигнализация этого. Один полюс цепи постоянного тока, запитываемый от батареи или динамо-машины  через последовательное соединение  измерительного устройства или реле МТЗ и емкость, являющуюся барьером прохождению постоянного тока и вторичную обмотку небольшого трансформатора соединялся с «землей». Первичная обмотка  подсоединялась к надежному источнику переменного тока, например к ТСН. Компания AEG  в 1940 г предложила простую схему (Рис.4). Вся цепь ротора была сдвинута на электрический потенциал от 20 до 50 В (используя переменное напряжение и емкость). При нормальной работе ток был мал, в то время как при повреждении на землю его амплитуда увеличивалась и могла быть измерена или действовать на срабатывание реле.
Защита ротора от повреждения на землю типа  SSW ("Siemens-Schuckert-Werke") измеряет ток с помощью ТТ и измерительного прибора с подвижной катушкой, оснащенного выпрямителем (Рис. 5). Диапазон уставки был 10-50 mA и сигнализировал о снижении сопротивления на землю ниже чем  1000 Ом. Дополнительное переменное напряжение в  30…50 В подключалось через делитель к генератору постоянного тока.
Для защиты персонала при проведении, например, работ по проверке щеток дополнительное напряжение должно быть ограничено. Именно поэтому Бутоу (Butow) использовал ваттметрические устройства (для измерений или РЗ), как показано на Рис.1. Вторичная обмотка трансформатора была заземлена через  напряженческую обмотку  (показано пунктирной линией на схеме). Контролируемая цепь постоянного тока соединялась через сопротивление R (200 Ом) и емкость C (20 мкФ) к одной из отпаек трансформатора.

Рисунок 1. Контроль отсутствия повреждения на землю (Butow, 1932 г)



Рисунок 2. Защита ротора от повреждения на землю типа REGL (AEG)



Рисунок 3. Контроль отсутствия повреждения на землю (Pohonstch, 1932 г)



Рисунок 4. Защита ротора от повреждения на землю,  AEG, 1940 г
1. ТН
2. Конденсатор
3. Реле защиты от повреждения на землю



Рисунок 5. Защита ротора от повреждения на землю, SSW



Рисунок 6. Защита ротора от повреждений на землю, OERLIKON, Чехословакия, 1966 г

Напряжение между отпайкой и землей составляло примерно  40 В. Неподвижная катушка с 5000 витков была соединена с емкостью в  4 мкФ и сопротивлением параллельно вторичной обмотке трансформатора (напряжение 120 В). При установке в параллель емкости и сопротивления можно было настраивать величину тока. Ток был неизменным, пока не менялось первичное напряжение трансформатора. Ток создавал поле в  измерительном приборе электродинамической системы (необходимо было 170мА). На Рис.13 показано устройство  типа RBV, выпущенное компанией  ВВС в 1947 г. Схема, применяемая в США в 1948 г, показана на Рис.12.
В 50-х годах прошлого века широко применялась защита ротора от повреждений на землю с поочередным измерением напряжения между «землей» и положительным и отрицательным полюсами (Рис.7).
Рудольф Ульбрихт (Rudolf Ulbricht) (ГДР) в 1951 г предложил релейное воплощение этого метода  (Патент 5278, Рис. 8). Эта идея была применена в реле типа  REG5 от компании EAW. Компания BBC выпустила свою защиту от повреждений ротора на землю, как это показано на Рис.11.
Но при переходе от традиционных «вращающихся» систем возбуждения к статическим защиты становились недостаточно чувствительными. Именно поэтому требовались или усовершенствования уже существующих защит, или разработка новых. Причиной было то, что системы возбуждения с применением выпрямителей давали пульсацию в токе ротора. Эта пульсация формировала в токе в емкости С, связанной с системой возбуждения, гармоники, которые и приводили к ложным отключениям. Чтобы избежать этого, в защите ротора от повреждений на землю  был применен измерительный прибор типа PUM20, использующий   эффект  Феррариса (Ferraris). Поляризуемый  напряжением от генератора , он был невосприимчив к пульсациям в токе возбуждения, получаемым с помощью выпрямителей. Это позволило обнаруживать токи на землю  при сопротивлении на землю вплоть до 1000 Ом. Применяя прибор PUM20, компания  BBC выпускала систему “Compatrol”  (Рис. 14).

Рисунок 7. Выявление повреждения на землю, 1950 г



Рисунок 8. Защита ротора от повреждений на землю, 1951 г



Рисунок 9. Электронная защита ротора от повреждений на землю, 1972 г



Рисунок 10. Реле защиты ротора от повреждения на землю типа REG5 компания EAW, 1966 г



Рисунок 11. Защита ротора от повреждений на землю, компания ВВС, 1940 г



Рисунок 12. Схемы обнаружения земли в системе возбуждения (США, 1948 г)

Компания OERLIKON (Чехословакия) в 60-х также использовала конденсаторы для блокировки. Они обеспечивали переменный ток в «мостовой» схеме (Рис. 6). Зона защиты составляла 100% всей цепи ротора; сама обмотка плюс дополнительные цепи, такие как щетки и, (при наличии), сама  система возбуждения.
Леопольд Фершль (Leopold Ferschl) и Франц Хофер (Franz Hofer), компания SSW в 1964 г в Вене запатентовали цепь, показанную на Рис.15 (патент AR 235933).
Реле  CG30, компания BBC, также использует измерительную систему на эффекте Феррариса и способно измерять контактные сопротивления  до 1000 Ом (1965 г, Рис.19).
Дальнейшей модификацией стало реле PUM201 (1968) и устройство индикации ZUsw (1970 г) с балластной нагрузкой YZ/B2. Сначала оно просто использовалось для сигнализации повреждений ротора на землю, чтобы позднее, при очередном техническом обслуживании его (повреждение) устранить.
В 1970 г это устройство стало применяться также с действием на отключение. Внедрение электроники позволило обеспечить работу в большем диапазоне шумов и увеличить надежность на отключение. Компания  SIEMENS в 1972 г выпустила электронную защиту ротора от повреждений на землю.
Теперь гармоники, появляющиеся в тиристорной системе управления возбуждением  
(150…300 Гц при  500 В) больше не оказывали влияния на чувствительность защиты. Уровень пуска мог быть выставлен в диапазоне между 0.1 и 10 кОм и повреждения на землю обнаруживались без наличия «мертвой зоны».  Смотрите Рис. 9.
Компания Westinghouse в 1979 г   выпустила «Реле обнаружения земли в системе возбуждения» типа DGF (Рис. 17 и Рис. 18).
Защита ротора от повреждения на землю типа 7RU21, выпущенная компанией SIEMENS в 1984 г, показана на Рис. 21.
Для мощных блоков со статической системой возбуждения и большим уровнем гармонических искажений для измерения сопротивления относительно земли выпускалась двухступенчатая защита типа 7UR22 (Рис. 22).
Для измерения повреждений  через  очень большое сопротивление стали применять постоянное напряжение между системой возбуждения и землей.  
Ток I служил для измерения контактного сопротивления  RE (Рис.16). Для смены (чередования) полярности постоянное напряжение было синхронизировано с часами, вырабатывающими импульсы низкой частоты.

Рисунок 13. Устройство обнаружения повреждения на землю в роторе типа RBV компания BBC, 1947 г



Рисунок 14. Система защиты ротора от повреждений на землю Compatrol, BBC, примерно 1960 г



Рисунок 15. Схема Фершля (Ferschl) и Хофера (Hofer), SSW, 1964 г



Рисунок 16. Принцип работы 7UR22, Siemens, 1984 г



Рисунок 17. Реле обнаружения земли в системе возбуждения типа DGF, Westinghouse, 1979 г



Рисунок 18. Реле обнаружения земли в системе возбуждения типа DGF, Westinghouse,1979 г

В 1992 г компания AEG выпустило статическую защиту ротора от повреждений на землю типа SLG  (Рис. 29).
На Рис.25 и Рис.27 показаны схема и внешний вид реле типа MRSU 04 от компании  GEC Alsthom (1993 г). Оно работает со следующими величинами частоты и напряжения: 4,75 Гц, 24 В.
Принцип работы реле 7UM62 (SIEMENS) показан на Рис. 26, а реле REG216/316*4 с блоком сопряжения  REX010 и трансформатором сопряжения с дополнительным контактором REX011 (ABB) – на Рис.20.
Компания NARI (Китай) использует схему «инжекции» согласно Рис. 28 и 32. Реле «инжектирует» напряжение прямоугольной формы между одним или двумя концами обмоток ротора и валом ротора, измеряет ток на землю и вычисляет сопротивление на землю, осуществляя тем самым защиту ротора от повреждения на землю в одной точке. При «инжекции» (подачи) напряжения с двух сторон можно рассчитать местоположение повреждения в обмотке ротора.
Например, 12-го сентября 2007 г на ГЭС «LongTan», провинция Гуанхай (Guangxi), Китай,  при повреждении  ротора на землю Генератора №1, реле сработало правильно и верно показало, что место повреждения находится на отрицательном полюсе ротора.

Рисунок 19. CG30, BBC, 1965 г



Рисунок 20. Двухполюсное подключение к ротору



Рисунок 21. 7UR21 (Siemens, 1984 г)



Рисунок 22. 7UR22 (Siemens, 1984 г)



Рисунок 23. REG6, EAW, 1956 г

Защита ротора от двойных повреждений на землю

Двойные повреждения ротора на землю очень опасны.  Появляются несимметрии в магнитном потоке ротора и возникают радиальные силы, вызывающие вибрации, которые могут разрушить генератор. Хармс  (Harms), Берлин, в 1949 г показал, что в 4-х полюсном роторе «шунтирование» одного полюса может вызвать одностороннее магнитное усилие 4-х кратно превышающее вес ротора.
Ограничения в генерирующих мощностях, имевшие место  в Восточной Германии (ГДР) требовали продолжения работы генератора при выявлении повреждения на землю только в одной точке.  Рудольф Ульбрихт (Rudolf Ulbricht), ГДР, в 1951 г предложил свое решение (Патент 5278). Смотрите Рис. 30.
Пусть имеется устойчивое повреждение на землю.  Сопротивление  R в «мостовой» схеме выбирается таким, чтобы через реле, реагирующее  на двойное повреждение на землю, не протекал ток (условно показан стрелочный миллиамперметр). В случае второго повреждения на землю срабатывает реле А  и отключает генератор с одновременным гашением поля в машине. Ток в «мостовой схеме» формировался напрямую через вал (“Welle”). В качестве реагирующего элемента применялось чувствительное поляризованное реле постоянного тока с двухсторонними контактами, так как ток через мост мог быть как положительным, так и отрицательным (в зависимости от места положения второго повреждения на землю). При правильном подборе элементов схемы можно было обнаружить второе повреждение на землю с чувствительностью 10…15% обмотки. Она (чувствительность) зависит от напряжения возбуждения. Миллиамперметр выявляет повреждения на землю уже при их возникновении (начале).

Устройство обнаруживает повреждения на землю и в других элементах системы возбуждения.  Такая же схема применялась в Западной Германии, США и Советском Союзе.
В нормальном режиме эта схема не использовалась; она подключалась после появления первого повреждения на землю в цепи ротора. На Рис. 23 показано реле типа REG6
от компании EAW.
При наладке первого в Восточной Германии блока в 500МВт (станция Hagenwerder, 1974 г) и в более поздних установках (как, например, Janschwalde 1981 г) применялась разработанная в СССР защита от двойных повреждений ротора на землю типа   K3P-2У4.  Смотрите Рис. 24 и 31. Чувствительным элементом были включенные «встречно-параллельно» два поляризованных реле Р1 и  P2. Защита могла устанавливаться как  для  каждого генератора в отдельности, так и могла быть «мобильной» (одна на несколько генераторов).
В большинстве стран защита при двойных повреждениях на землю в цепи ротора не была актуальной; при появлении первого повреждения генератор просто выводился из работы.
Статьи по истории защит генераторов будут продолжены.

Рисунок 29. Статическое реле типа SLG, AEG, 1992 г



Рисунок 30. Схема Ульбрихта (Ulbricht) 1953 г



Рисунок 31. Реле КЗР-2, СССР, 1974 г



Рисунок 32. Схема односторонней инжекции, NARI, 2007 г