Защита от потери возбуждения. Защита от недовозбуждения
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в июньском номере журнала в 2010 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Данная статья, посвященная защите от потери возбуждения, является продолжением серии статей, начатых весной 2009, и посвященных защитам генераторов. В самом начале, а также при использования генераторов небольшой мощности, опасность потери возбуждения игнорировалась. Более поздние исследования привели как к определенным результатам, так и к их воплощению в «железе».
В случае пропадания тока возбуждения генератора увеличивается ток статора и происходит увеличение нагрева демпферной обмотки. Для защиты от этого в генераторах мощностью до 50 МВт устанавливались реле контроля уменьшения тока в цепи возбуждения. Так как система управления возбуждением также может определять небольшие токи без опасности недовозбуждения (иногда в отечественной практике используется термин «частичная потеря возбуждения»- прим.переводчика) машины, то только величина тока возбуждения не могла служить единственным критерием обнаружения этого режима.
В 1958г компания BBC предложила решение для защиты от непреднамеренного отключения цепи возбуждения синхронной машины (Рис. 3). Это устройство защиты контролирует не только ток возбуждения генератора, но и ток системы возбуждения главного возбудителя и его напряжение, а также напряжения возбуждения всех возбудителей. Так как могут быть разные причины исчезновения тока возбуждения, то и должен быть набор определенных устройств для обнаружения этого режима. Система обнаружения такого режима состоит из двух реле контроля увеличения сопротивления типа TH, реле снижения напряжения типа RGBmin (Рис. 2) и элемента выдержки времени MLT (Рис. 1). Первое реле контролирует главный возбудитель, второе – цепь возбуждения главного возбудителя, реле снижения напряжения – напряжение вспомогательного возбудителя.
Для обнаружения потери возбуждения можно контролировать как ротор, так и статор.
На Рис.4 показана схема обнаружения обрыва цепи возбуждения ротора, разработанная компанией OERLIKON в 1964г.
Рисунок 1. Реле времени типа MLT (BBC, 1958)
Рисунок 2. Реле напряжения типа RGB (BBC, 1943)
Рисунок 3. Решение о ситуации с непреднамеренной потерей возбуждения, ВВС, 1958
Рисунок 4. Защита от потери возбуждения (ротор), OERLIKON, 1964
7- регулятор возбуждения; 11- реле снижения напряжения
Рисунок 5. Защита от потери возбуждения (статор), OERLIKON, 1964
Главная цепь и вспомогательный возбудитель контролировались отдельно, на входе и выходе регулятора напряжения возбуждения. Главная цепь обмотки возбуждения контролировалась с помощью сопротивления 9. Применение реле контроля уменьшения тока на выходе регулятора напряжения 7 не было возможным, так как ток возбуждения в явнополюсной машине может быть как отрицательным, так и равным нулю. Реле контроля увеличения сопротивления подключается как цепям тока, так и напряжения. Напряжение дает момент на срабатывание, а ток – в противоположном направлении. Из-за огромной амплитуды тока (несколько сот Ампер) ток измерялся с помощью шунта 12. Отключающий элемент 14 имел орган выдержки времени 15. Выдержка времени необходима из-за наличия переходного процесса и «постоянной времени» машины.
В цепи вспомогательного возбудителя используется реле контроля увеличения сопротивления 10. В отличие от реле 9 оно подсоединялось в цепь тока возбуждения напрямую. Так как реле 10 не могло обнаружить исчезновение напряжения дополнительного возбудителя или обрыв перед схемой управления 7, то реле контроля снижения напряжения (11) измеряло напряжение (более или менее постоянное) на зажимах вспомогательного возбудителя. Чтобы избежать ложного отключения при запуске генератора и его синхронизации, особенно от реле снижения напряжения 11, оперативное напряжение подавалось через блок-контакт выключателя 3. Неработа схемы в процессе синхронизации не была проблемой, так как синхронизатор сам мог обнаруживать обрывы в цепи возбуждения (как и потерю напряжения).
Для обнаружения потери возбуждения с помощью измерений в статоре, компания OERLIKON разработала устройство, показанное на Рис. 5.
В случае отсутствия возбуждения генератор получает необходимый ток намагничивания из сети. Измеряя этот реактивный ток можно обнаружить отсутствие возбуждения. Так как этот ток пропорционален напряжению, то ток не измерялся напрямую, а сравнивался с рабочим током, пропорциональным напряжению. Промежуточный трансформатор 7 подключался к фазному току и току пропорциональному междуфазному напряжению (сопротивление 9).
Разность, получаемая на вторичной обмотке трансформатора, подавалась на реле, работающее на основе эффекта Феррариса 8. Выбор напряжения поляризации реле и подстройка тока поляризации с помощью резистора 10 выполнялись таким образом, чтобы в случае некорректной величины тока намагничивания реле отключало генератор. Величина уставки с действием на отключение, выбиралась с помощью резистора 9. Чтобы избежать ложной работы при переходных процессах при коммутации, выполнялась задержка на отключение (в зависимости от постоянной времени генератора).
Рисунок 6. Реле снижения сопротивления типа ZA, BBC, 1945
Рисунок 7. Защита от потери возбуждения с применением сдвинутой в обратном направлении («смещенной») mho-характеристики
«Смещенная» mho- характеристика с первоначально рекомендованными уставками
Рисунок 8. Двухзонная защита от потери возбуждения со смещенными в обратном направлении mho-характеристиками, компания SEL
Внешняя окружность служит защитой при малой нагрузке, а внутренняя – при большой.
Рисунок 9. Реле PUM21-110 с дополнительными устройствами и реле, ВВС, 1966
Рисунок 10. Схема реле HLF, Westinghouse, 1954
[page]
Дистанционная защита
В других решениях использовалось отношение напряжения генератора к напряжению возбуждения или току возбуждения.
Отключение генератора в случае превышения определенной величины было использовано в 1940-х. В 1945г компания АВВ применило реле контроля снижения сопротивления типа ZA (Рис. 6) для защиты как генераторов, работающих на сборные шины, так и для блоков генератор – трансформатор. Применение реле сопротивления позволило контролировать как нагрузку, так и возбуждение машины. В США широко использовались так называемые Mho-реле (реле проводимости). (Mho= (1/Ohm - 1/Ом). Для обнаружения потери возбуждения К.Р Масон (C.R. Mason) начал использовать концепцию применения «дистанционного элемента в реле “серии mhо”». В качестве входных сигналов в реле использовались ток и напряжение на зажимах генератора.
Такая «смещенная» характеристика «mho-элемента» показана на Рис. 7; там также показаны первоначально рекомендованные уставки: диаметр круга равен синхронному реактивному сопротивлению Xd, а отрицательное смещение равно
синхронному реактивному переходному сопротивлению (-Xd` /2).
Mho –Реле (реле проводимости) широко применялись в США для выполнения защиты от потери возбуждения.. Анализ повреждений и развитие техники позволили разработать двузонную защиту от потери возбуждения, показанную на Рис.8 (компания SEL). Внешняя окружность работает в режиме малых нагрузок, а внутренняя – в режиме больших нагрузок.
Схема и внешний вид защиты от потери возбуждения от компании Westinghouse типа HLF (1954) показаны на Рис.10 и Рис.12.
Другой задачей дистанционных реле было резервирование защит шин и первой зоны дистанционной защиты отходящих линий.
Схема защиты от компании OERLIKON (1965) показана на Рис. 13. Уставка по сопротивлению выбиралась резистором 8.
Реле контроля снижения проводимости типа PUM21-110 было разработано компанией BBC в 1966г и показано на Рис.14. На Рис.9 также показано дополнительное устройство с вспомогательными элементами для выполнения защиты синхронных машин при потере возбуждения и асинхронной работе.
В 1960-х производители генераторов давали к ним так называемые «нагрузочные кривые».
Контроль устойчивой работы генераторов был возможным с помощью выпускаемых компанией AEG реле контроля нарушения устойчивости типа RXG10 для турбогенераторов и RXG20 для явнополюсных машин (смотрите рисунок на обложке).
Нагрузочная кривая для турбогенератора круговая диаграмма соответствующей ей защиты показаны на Рис. 15.
Рисунок 11. Дистанционное реле D21 ZPA Trutnov, 1976
Рисунок 12. Реле HLF в корпусе типа «flexitest» Westinghouse, 1954
Рисунок 13. Реле контроля уменьшения сопротивления, OERLIKON, 1965
Рисунок 14. Реле контроля уменьшения проводимости PUM21-110, BBC, 1966
Рисунок 15. Характеристика реле RG66a, Siemens, 1966
Нагрузочная кривая турбогенератора и круговая характеристика адаптированного под нее устройств защиты
[page]
В 1960-х годах произошло резкое увеличение мощности генераторов (удвоение 150-300-600 МВт). Пределом мощности для генераторов в 1970г была мощность в 1200МВт = 1500 МВА при cos φ = 0.8.
М.Канай (Canay, M.), BBC, показал в 1970г, что в асинхронном режиме при отсутствии возбуждения и определенных условиях машина может оставаться в работе без получения повреждений в асинхронном режиме. Даже группа турбогенераторов мощностью в 1000 МВА может работать до 20 минут в асинхронном режиме, что позволяет принять контрмеры против такого режима.
В 1970г чешская компания ZPA выпустило реле сопротивления для генератора типа D15X2 на микроэлектронной базе (статическое), (Рис. 19). Это реле служило быстродействующей защитой генератора и защищало дополнительно 90% генераторного трансформатора. Подключенное к ТТ стороны нейтрали генератора, это реле дополнительно защищало шины и служило резервной защитой для защит линий (в случае работы генератора на сборные шины). Гиперболическая характеристика легко адаптировалась к кривой устойчивой работы генератора.
Защита от «недовозбуждения», выпущенная SIEMENS в1972г показана на Рис.18 и Рис.24. На Рис.30 показаны типовые характеристики выпускавшихся в 1970-х в Европе реле (a - отключение, b - сигнал, c – ограничение по току возбуждения, d – ограничение по току статора, e – предел статической устойчивости).
Рисунок 16. Защита от потери возбуждения типа RG66a, Siemens, 1966
Рисунок 17. Схема отключающего реле UEM, Gierke, 1975
Рисунок 18. Реле защиты от «недовозбуждения», Siemens, 1972
Рисунок 19. Статическое реле сопротивления для защиты генератора D15X2, ZPA, 1970
Рисунок 20. Схема реле сигнализации типа UEM, Gierke, 1975
Компанией ZPA г.Трутнов (Чехословакия), в 1976г было выпущено дистанционное реле (реле сопротивления) защиты синхронных машин типа D21 (Рис.11 и Рис. 22). Реле D21 не могло контролировать предел статической устойчивости или контролировала его только в некоторых режимах. Поэтому это была не защита от «недовозбуждения», а скорее защита от потери возбуждения. Поэтому блоки мощностью 500МВт в Восточной Германии должны были защищаться комбинацией реле D20 и D21.
Г. Гирк (Gierke, H.), компания KKAB, совместно с И.Циттау (IH Zittau) разработал защиту от «недовозбуждения», основанную на критерии измерения мощности. Она состоит из указательных реле «недовозбуждения» типа UEM (Рис. 20) и отключающих реле «недовозбуждения» типа UEA (Рис. 17). Она служила резервной защитой.
Компания Westinghouse в 1979г выпустило дистанционное реле KS-10 (Рис.23).
Статическая (на микроэлектронной базе) защита от потери возбуждения типа SXG начала выпускаться компанией AEG в 1989 (Рис.21).
Реле снижения сопротивления типа MZTU 34, компания GEC Alsthom (1993) показано на Рис. 25.
Цифровое реле защиты генератора типа LGPG111 (Рис. 27), выпускаемое компанией ALSTOM в 1999 использовало однофазные измерительные дистанционные элементы со смещенной круговой характеристикой типа Mho.
На Рис.29 приведены номера защитных функций (согласно стандарта ANSI), которые стандартно использовались для защиты генераторов в 1990-х.
На Рис.26 показаны устанавливаемые на панели регулятор напряжения возбуждения и реле контроля наличия возбуждения производства компании ВВС.
Характеристики и уставки современного реле защиты генератора (SIEMENS, 7UM6) показаны на Рис.31.
Рисунок 21. Статическая (микроэлектронная) защита SXG, AEG, 1989
Рисунок 22. Дистанционное реле для защиты синхронных генераторов типа D21, ZPA, 1976
Рисунок 23. Дистанционное реле DD-10, Westinghouse, 1979
Рисунок 24. Защита от «недовозбуждения» Siemens, 1972
Рисунок 25. Реле контроля уменьшения сопротивления типа MZTU34, GEC, 1993
Рисунок 26. Регулятор напряжения возбуждения и устройство защиты , ВВС, 1950
Рисунок 27. Защита генератора LGPG111, ALSTOM, 1999
Рисунок 28. Статическая (на микроэлектронной базе) защита типа SXG, AEG, 1989
Рисунок 29. Защитные функции устройства защиты типа LGPG111, ALSTOM, 1999
87G -Дифзащита генератора
51N - Защита статора от повреждений на землю
59N- Защита по напряжению смещения нейтрали
67N- Чувствительная дифференциальная защита от замыканий на землю
51V- МТЗ с зависимой от напряжения характеристикой
32R –Защита от обратной мощности
32L- Защита от малой мощности в прямом направлении
46- Защита по мощности обратной последовательности
40- Защита от неисправностей системы возбуждения
27- Защита от снижения напряжения
59- Защита от повышения напряжения
81U- Защита по снижению частоты
81O-Защита от повышения частоты
60- Защита по балансу напряжений
Рисунок 30. Реле защиты от «недовозбуждения»
Рисунок 31. Характеристики и уставки современного устройства защиты типа 7UM6, SIEMENS
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в июньском номере журнала в 2010 году