История релейной защиты.
Защита генератора. Защита от повышения напряжения, защита от само и перевозбуждения
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в сентябрьском номере журнала в 2010 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Защита от повышения напряжения
Чтобы избежать опасных повышений напряжения в обмотках машины и подсоединенных к ней других устройств была разработана защита от повышения напряжения.
Можно отметить следующие причины, приводящие к повышению напряжения:
■ Увеличение падения напряжения при резком отключении нагрузки, как в случае отключения КЗ. На незащищенные генераторы (с целью ограничения токов КЗ имеющих большое сопротивление рассеивания) может воздействовать значительный перепад напряжений (0.4...0.5 от номинального напряжения). Из-за этого, а также если генераторы не оборудованы устройством регулирования напряжения, через 1…2 сек (в зависимости от инерции машины) может произойти увеличение напряжения до 140...150 % от номинального.
■ Дополнительное временное перенапряжение, вызванное увеличением скорости вращения при нормальной работе контроллера приводной машины. Без учета влияния постоянной времени магнетика , напряжение статора увеличивается в квадрате от скорости вращения. Так как постоянная времени магнетика в действительности много больше, чем постоянная времени увеличения скорости вращения, то в случае быстрого увеличения скорости, увеличение напряжения будет происходить по линейной зависимости. Наибольшее временная разность скорости вращения, например, для паровых турбин может составлять 20...30 % от номинальной скорости вращения. Обычное "управляемое" отключение такой машины может привести к увеличению напряжения в 1.7...1.8 от номинальной величины. Так как турбины ГЭС могут увеличить скорость вращения до двух раз относительно величины при номинальном напряжении, то опасность увеличения напряжения при отказе контроллеров управления турбиной очень высока.
■ Повышение напряжения из-за влияния емкости длинных линий на возбуждение машины. Это особенно заметно при небольшой кажущейся мощности машины в сравнении с емкостной реактивной мощностью линии и особенно, если активная нагрузка на машину маленькая. Это может произойти, например, если нагрузка энергосистемы была отключена, а машина продолжает быть подключенной к энергосистеме через протяженную ЛЭП.
Обычные устройства управления напряжением не могут «захватить» такое повышение без использования специальных быстродействующих регуляторов. Защита от повышения напряжения не требуется для турбин ГЭС. На тепловых ЭС она, обычно, тоже не требуется, особенно при наличии регуляторов напряжения. Но, если при операциях по отключению машины и снятию возбуждения МТЗ остается введенной в работу, то защита от повышения напряжения может потребоваться, так как при отключении выключателя может иметь место "сброс" нагрузки.
Рисунок 1. Реле повышения напряжения типа RV5, (Siemens, 1936)
Рисунок 2. Реле компании Oerlikon повышения напряжения, а также защиты ротора и статора от повреждений на землю
Рисунок 3. Реле защиты от повышения напряжения типа RV5, Siemens, 1936 - Схема
Рисунок 4. Однофазное реле повышения напряжения типа SG1, BBC, 1950 г
Рисунок 5. Реле повышения напряжения типа RB-G Mmax, BBC, 1945 г
Очень редко защита от повышения напряжения действует на "снижение" поля (возбуждения). Чаще реле работает при операциях отключения и «развозбуждения», так как повышение напряжения является возмущением, вызывающим в любом случае прекращение работы генератора.
На Рис. 2 показано реле компании Oerlikon, действующее при повышении напряжения и включающее в себя так же защиту статора и ротора от повреждений.
В 1936г Siemens представил реле повышения напряжения типа RV5 (Рис. 1). Оно могло работать вплоть до увеличения частоты до 200 %. Оно подключалось к дополнительному реактору, использовавшемуся как трансформатор для организации защиты от межвитковых замыканий генератора (Рис.3). Этот реактор имел вторичную обмотку для измерений, управления и синхронизации, что приводило к уменьшению количества используемых измерительных ТТ.
В 1950 г компания BBC выпустило реле повышения напряжения типа SG1. Оно было разработано для применения на ГЭС и имело шкалу напряжений. При небольшом увеличении напряжения (1.2 Uном ) оно работало с выдержкой времени; при увеличении до 1.4 Uном оно работало без выдержки времени (Рис 4, Рисунок на обложке).
В 1945 г компания ВВС выпустило реле повышения или понижения напряжения без выдержки времени типа RBG. Существовало несколько вариантов исполнения реле:
■ Реле максимального напряжения типа RBGmax
■ Реле минимального напряжения типа RBGmin
■ Специальная модель с расширенным диапазоном напряжений типа RBGw
■ Реле максимального напряжения специального исполнения с увеличенным напряжением возврата типа RBGMmax (Рисунок 5)
■ Реле минимального напряжения специального исполнения с увеличенным напряжением возврата типа RBGMmin
В 1950-х использовались реле скорости изменения напряжения типа V4s 118 H 125 производства Siemens (Рисунок 6). Для отстройки от кратковременных перенапряжений к измерительному элементу добавлялся элемент выдержки времени.
Компания AEG выпускала реле повышения напряжения типа RUZf. Для защиты генераторов в них вносились изменения – обычно добавлением резистора. Реле пускалось при 20% повышении напряжения. Если напряжение в течение 2 сек не падало до номинальной величины, промежуточное реле действовало на отключение выключателя и включение АГП (автомат гашения поля). Для генераторов ГЭС, например австрийской станции «KW Opponitz» (Wienstrom), реле RUZfmod имело 2 системы (Рисунок 7).
Компания Westinghouse в 1967 г предложило входящую в общую систему защиты защиту от перенапряжения (левая часть схемы на Рисунке 10).
Рисунок 6. Реле повышения напряжения типа V4s 118H 125, Siemens , примерно 1950 г
Рисунок 7. Реле повышения напряжения типа RUZfmod, AEG
Рисунок 8. Панель управления (компания ВВС) и устройство защиты (Oerlikon и ВВС), станция KHR Kraftweke Hinterrhein AG (Швейцария)
Рисунок 9. Реле напряжения VT12 (ZPA, 1976 г)
Рисунок 10. Защитная схема, предложенная компанией Westinghouse, 1967 г
Увеличение токов КЗ в высоковольтных системах с глухозаземленной нейтралью привело к увеличению токов повреждения на землю. Ограничение токов возможно получить разземлением нейтралей трансформаторов. Это очень эффективно в случае применения блочных трансформаторов. Но, отключение выключателя, соединяющего блок с системой с заземленными нейтралями, например в случае работы автоматики разгрузки, может привести к возникновению опасных перенапряжений.
АЭС Безнау 1 и 2 (Beznau I, II) (компания NOK, Швейцария) были запущены в работу в 1969 и 1971 гг. На этих станциях разъединитель в цепи нейтрали в использовался для управления токовым разрядником (Рисунок 12 и Рисунок 16). Общая мощность обоих АЭС составляла 700 МВт. Генераторы работали по блочной схеме. Четыре трехфазных трансформатора мощностью 220 МВА каждый; напряжением 15.5/250 кВ соединялись с системой 220кВ. Нейтрали на стороне ВН, для защиты от перенапряжений , защищались импульсными разрядниками и заземлялись через токовые разрядники. Токовые разрядники отключались вместе с силовым выключателем. Время работы в 19мс позволяло выполнить заземление раньше размыкания силовых контактов выключателя.
Сердцем токового разрядника являлся воздушный промежуток (давление воздуха 15 бар) с подвижным и неподвижным контактами. Неподвижный контакт соединялся с ТТ проходного типа , подвижный представлял собой трубу с плунжером. Движение плунжера блокировалось давлением воздуха, но могло, при отключении, разблокироваться с временем работы меньше чем 1мс. Корпус импульсного разрядника был изолирован и соединялся с «землей» через заземляющий ТТ. Такое решение позволяло «отключать» разрядник только в случае тока нейтрали меньше 200 A (ограниченная коммутационная способность). Устройства управления, измерения и защиты размещались, как обычно, в панели (шкафу).
Компания ZPA в 1976г выпустила реле напряжения типа VT12 (Рис.9). Оно могло применяться в качестве реле повышения напряжения, реле понижения напряжения и реле понижения напряжения с выдержкой времени. Диапазон уставок составлял 1... 2 Uном или 0.45... 0.85 Uном , 0.4..12 сек, коэффициент возврата 0.87 – 0.95.
Защита по скорости изменения напряжения обычно выполняется двухступенчатой. Время работы первой ступени выбиралось таким , чтобы в случае увеличения напряжения из-за уменьшения тока сначала мог работать регулятор напряжения. Вторая ступень контролировала работу регулятора напряжения, не позволяя напряжению превысить максимально допустимое напряжение генератора. В зависимости от первичной схемы оно могло быть опасным для генератора, блочного трансформатора или СН (собственных нужд). Так как блочные трансформаторы часто комплектовались устройствами РПН (например ± 11 %), то не было возможности выполнить защиту от повышения напряжения для блока генератор-трансформатор с помощью обычного реле. Для генератора было достаточно реле с одной ступенью. На трансформаторе устанавливалось реле с двумя ступенями. Это было особенно необходимо для трансформаторов блока (соединенных напрямую к сетям 220 и 380кВ). В сети напряжением 380кВ разрешалась работа таких трансформаторов (с напряжением изоляции на 420 кВ). Допускалось напряжение в 540кВ в течение 5 минут и 580 кВ в течение 5 секунд (может возникнуть при отключении нагрузки блока турбина-генератор).
В 1973г небольшая компания, занимавшаяся разработкой устройств автоматики (BRA, г. Saalfeld, ГДР) для электростанций, по заданию генерирующей компании VNE выпустила защиту от повышения напряжения. Ее название было SSR175 и она могла применяться для блоков генератор-трансформатор напряжением 220 и 380кВ (Рис.18).
Напряжение срабатывания регулировалось в диапазоне 1.0 - 1.3 Uном . Коэффициент возврата при 1.3 Uном составлял 0.98.
В 1984 компанией Siemens было выпущено микроэлектронное (статическое) реле типа 7RE21-Z1. Это было двухступенчатое реле повышения напряжения (Рисунок13 и Рисунок 17).
Рисунок 11. Схема защиты от повышения напряжения
Рисунок 12. Токовый разрядник в качестве коммутационного аппарата в нейтрали (AEG, 1969 г)
1 - Генератор
2 - Трансформатор
3 - Трубка разрядника
4 - Коммутационный аппарат
5 - Силовой выключатель
Рисунок 13. Схема реле повышения напряжения типа 7RE21, Siemens, 1984 г
Рисунок 14. Принцип защиты по отношению U/f
Рисунок 15. Схема защиты от самовозбуждения, компания Oerlikon, 1957 г
Защита от самовозбуждения
Устойчивая работа синхронной машины в случае емкостной нагрузки, например на холостую ВЛ большой длины, возможна только если ее емкостное сопротивление больше, чем синхронное реактивное сопротивление машины по поперечной оси. Во всех других случаях может произойти самовозбуждение и опасное повышение напряжения и частоты.
В 1950-х швейцарская компания Maschinenfabrik Oerlikon выпустила защитную систему от самовозбуждения. Принцип работы показан на Рисунке 15.
Цепь напряжения реле активной мощности 4 (имеющее большое сопротивление) подключена к трансформатору напряжения 1, к фазам R и T. Токовая цепь реле мощности 4 подключена к промежуточному трансформатору 3. Первичная обмотка этого трансформатора подключена к трансформатору тока 2 (фаза S). Еще одна вторичная обмотка промежуточного трансформатора подключена к катушке индуктивности 5 (напряжение UL между фазами R и S). Ток IL катушки 5 отстает от UL почти на 90°. Емкостная часть тока IС в фазе S опережает напряжение звезды US на 90°. Результирующий ток (IТ) токов IL и IС течет в токовой цепи реле 4. Это приводит в возникновению движущего момента.
Если ток Iс выше, чем реактивная составляющая IL ,то ток Itr «опережает» и реле действует на отключение. При другом направлении реле блокируется. Изменением реактивного сопротивления катушки 5 меняется величина уставки (пуска). Сравнение сопротивления Хс с Хq позволяет отключить машину до возникновения перенапряжений. Это устройство могло применяться и в случае параллельной работы генераторов (установка ТТ 2 в фазе S отходящей ЛЭП).
В 1950-х компания ВВС выпускала защиту от самовозбуждения типа CFg (Рис. 20).
Рисунок 16. Импульсный разрядник , AEG, 1969 г
Корпус импульсного разрядника изолирован и заземлен через «заземляющий» ТТ
1 - Ввод
2 - Камера давления
3 - Неподвижный контакт
4 - Расцепитель
5 - Резервуар с сжатым воздухом
6 - Кольцевой контакт
Рисунок 17. Реле повышения напряжения типа 7RE21, Siemens, 1984 г
Рисунок 18. Защита от повышения напряжения типа SSR175 , BRA, 1973 г
Рисунок 19. Реле 7RW600, Siemens, 1997 г
Защита от перевозбуждения
В 1966 г в статье, опубликованной Институтом Инженеров по электротехнике и электронике (США) Г.У Александер (Alexander,G.W) , С.Л. Горбин (Corbin,S.L.) и Е.И. МакНатт (McNutt,E.I.) показали, что потери на вихревые токи увеличиваются с ростом «перевозбуждения» машины. Они максимальны в обмотке, ближайшей к магнитному сердечнику.
Рабочая группа WG 01 комитета No. 34 СИГРЭ (CIGRE) в 1973 г выпустила обзор. Там были перечислены различные случаи перевозбуждения, вызывающие как незначительные, так и более тяжелые повреждения. Стандартными защитами на электростанциях являются защита от понижения частоты и защита от повышения напряжения. Уставки этих защит выбираются по частоте или напряжению. Одновременный учет и частоты и напряжения раньше не применялся. Но в начале 1970-х произошло несколько случаев повреждений при работе АЧР и в 1972г компания Siemens разработала защиту от перевозбуждения , измеряющую отношение U/f (Рисунок 14). Аналоговое реле отношения U/f выпускалось компанией Siemens в 1980-х под названием 7RG36.
Компания Westinghouse в 1986 г выпустило реле отношения напряжения к частоте под названием MVH.
Рисунок 20. Защита от самовозбуждения CFg, BBC, 1950 г
Рисунок 21. Реле защиты от перевозбуждения на принципе отношения V/f типа MVH, Westinghouse, 1986 г
Рисунок 22. Характеристика отключения защиты от перевозбуждения типа 7RW600, Siemens, 1997 г
В этом реле через встроенные промежуточные трансформаторы напряжения фазные напряжения «обрабатывались», и с помощью интегратора получалась величина отношения напряжения к частоте; вся обработка осуществлялась встроенным микропроцессором (Рис.21).
В 1997г компания Siemens представила цифровое реле защиты по частоте, напряжению и от перевозбуждения типа 7RW600 in 1997 г (Рис. 19). Защита от перевозбуждения использовала различные кривые:
На Рисунке 22 показана характеристика отключения защиты от перевозбуждения. Диапазон рабочих частот был очень большой (25...70 Гц), так же как и диапазон напряжений (10...170 В).
Статьи по истории защит генераторов будут продолжены.
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в сентябрьском номере журнала в 2010 году