История релейной защиты.
Защита генератора. Реле небаланса
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в декабрьском номере журнала в 2010 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Эта статья продолжает серию статей, охватывающих защиты генераторов и описывает защиту от несимметричной нагрузки.
Одним из методов защиты от несимметричной нагрузки является метод, предложенный канадцем Чарльзом Легейе Фортескью (Charles Legeyt Fortescue) в его работе, выпущенной в 1918 г и описывающей симметричные составляющие ("Метод симметричных координат применительно к многофазным системам"). Как мы знаем, каждая вращающаяся система может быть разделена на составляющие нулевой, прямой и обратной последовательностей. Составляющие обратной последовательности и используются для выполнения защиты от небаланса.
В 1920-х было принято считать, что достаточно иметь защиту от токов КЗ с временем действия в несколько секунд, и что в защите от небаланса нет необходимости. Если требуется, то достаточно иметь сигнализацию такого режима. В 1930-х компания AEG обнаружила, что несимметричная нагрузка повреждает генераторы из-за появления токов в бандаже и бандажных кольцах ротора. Поэтому было важным иметь сбалансированную (симметричную) нагрузку, которая контролировалась по 3А приборам, что позволяло проводить быструю и легкую оценку симметричности (Рисунок 1).
Также, для обнаружения небаланса применялись три направленных реле мощности. Но, вместо обмотки напряжения применялась вторая токовая обмотка. Параллельно этой обмотке подключался резистор, имевший такую величину, чтобы результирующий момент был равен нулю, если фазовый угол между двумя токами равнялся 120°. Сумма трех фазовых токов равнялась нулю (справедливо только при отсутствии повреждений на землю в генераторе), они составляли треугольник. При появлении небаланса треугольник "искажался" и реле срабатывало. Оно действовало на сигнал или даже на отключение масляного выключателя через реле времени с большой выдержкой.
Рисунок 1. Контроль небаланса (с 3 А измерительными приборами)
Рисунок 2. Защита от небаланса типа SM22 (AEG, 1950 г)
Рисунок 3. Защита от небаланса компании Siemens , Примерно 1950 г
Рисунок 4. Реле защиты от небаланса типа ZH с фильтром S/ZH, BBC, 1958 г
3 - Трансформаторы;
4 - Фильтр;
5 - Реле;
6 - Измерительный прибор
Рисунок 5. Фильтр токов симметричных составляющих, AEG, 1950 г
Рисунок 6. Принципиальная схема реле типа INC, 1953 г
Рисунок 7. Устройство сдвига (поворота) фаз типа S/ZG, BBC 19504, примерно 1960 г
[page]
В 1950 г компания AEG представила защиту от несимметричной нагрузки типа SM22 (Рисунок 2). Она включала в себя фильтр токов симметричных составляющих (Рисунок 5). При появлении несимметрии или обрыве фазы устройство или выдавало «сигнал», или действовало "на отключение".
Для более крупных блоков в США, СССР, Франции и Германии в 1950-х использовались устройства контроля небаланса. Относительный небаланс в нагрузке в процентах определяется по формуле
где I2 –ток обратной последовательности, а In – номинальный ток генератора
Реле срабатывало при 10...15 % от номинального тока.
Такая защита не применялась повсеместно. Например, во Франции она применялась на тепловых электростанциях, но не всегда применялась на гидроэлектростанциях. Реле использовали ток в нулевом проводе и имели инверсную время-токовую характеристику.
Для индикации небольших небалансов (до 20%) и для отключения блока в случае больших величин использовалось два реле с подвижными катушками, включенные последовательно (Рисунок 3).
На Рисунке 6 показаны реле небаланса типа INC (1953 г), применявшиеся в США.
На конференции в Берлине в 1955 г было сделано интересное предложение: реле должны реагировать на двойную рабочую частоту (100 Гц). Эта частота будет иметь место в роторе в случае небаланса.
Рисунок 8. Реле небаланса типа IG25, BBC, 1967 г
Рисунок 9. Прибор индикации несимметричной нагрузки, AEG, 1950 г
Рисунок 10. Схема реле IG25-2, BBC, 1967 г
Рисунок 11. Защита генератора (от несимметричной нагрузки типа N11, ZPA, 1969 г)
Рисунок 12. Реле типа ZG, компания ВВС (примерно 1960 г)
Рисунок 13. Тепловая защита от небаланса, OERLIKON, 1966 г
Рисунок 14. Реле типа РТ-2 (СССР)
На Рисунке 4 показано решение от компании BBC. Оно включает в себя чувствительное реле обратной последовательности 5 типа ZH, фильтр 4 типа
S/ZH и измерительный прибор 6. Два промежуточных трансформатора 3 подключены к двум фазам. Фильтр состоит из двух одинаковых сопротивлений. Одно (фаза R) чисто активное, другое (-T) - индуктивное (-60°). Составляющие тока прямой последовательности (фазовый сдвиг точно в 120°) вызывают эквивалентные падения напряжения, поэтому разность напряжений на клеммах равна нулю. Составляющие обратной последовательности вызывают соответствующее падение напряжения, при фазовом сдвиге в 120°, сумма напряжений на клеммах умножается на корень из трех. Это означает, что реле подсоединены к напряжению, пропорциональному системе обратной последовательности. Уставка по уровню небаланса могла меняться в пределах от 7 до 15% с действием на "сигнал". Версия реле с двумя ступенями, дополненная вторым реле ZH (уставка 20…40 %) действовала и на отключение генератора.
В 1950х, после исследований направленных на разработку реле с выпрямителями, компания BBC разработала двухступенчатые реле типа IG25. На Рисунке 8 показаны реле со снятым кожухом, а на Рисунке 10 показана схема.
Другая схема была разработана компанией BBC в 1960х. Для оценки небаланса, реле обратной последовательности типа 5 дополнялось устройством "поворота фаз" типа S/ZG 4, состоящим из резисторов и индуктивностей (Рисунок 12 и Рисунок 7).
Требования стандарта ANSI (1965 г), для исключения случаев повреждений синхронных машин при несимметричных повреждениях, рекомендовали применение защит, основанных на определении "допустимого" I22 t для:
■ Явнополюсных генераторов 40
■ Синхронных компенсаторов 30
■ Генераторов с цилиндрическим ротором
■ генераторов с косвенным охлаждением 30
■ генераторов с непосредственным охлаждением 10
Рисунок 15. Блок-схема реле RARIO, ASEA, 1972 г
Рисунок 16. Реле РТ-2 (СССР)
Рисунок 17. Типовая токовая защита генератора обратной последовательности, Westinghouse, 1975 г
Рисунок 18. Схема реле N11,ZPA,1969 г
Рисунок 19. Реле RARIB, ASEA c инверсной время-токовой характеристикой, 1981 г
Рисунок 20. Характеристика реле РТФ-7 для блока 500 МВт
Рисунок 21. Схема реле РТФ 7/2, СССР, примерно 1970 г
Компания Oerlikon (Чехословакия) в 1966 г представила тепловую защиту от небаланса (Рисунок 13). Реле 7 "запитывалось" от тока, пропорционального току обратной последовательности. Этот ток получался в фильтре 6. Фильтр состоит из двух плеч: R-плеча и RC-плеча, сдвинутого по фазе на 60°.
При наличии только системы прямой последовательности выходное напряжение равно нулю, потому что напряжения в плечах фильтре равны, но напряжение в RC-цепи находится в противофазе. При наличии обратной последовательности напряжения повернуты на 120°, выходное напряжение составляет √3 от входного.
Компания ZPA (г.Трутнов (Trutnov)) в 1969г выпустило реле типа N11 in 1969 (Рисунок 11 и Рисунок 18).
Компания Siemens в 1970г выпустило реле типа RG82, а позднее 7US92 (Рисунок 22). Обычно принималась уставка 10% / 7 с на сигнал и 20% / 7с на отключение.
С 1972 г компания ASEA выпускало реле RARIO. Блок-схема этого реле показана на Рисунке 15.
Решение Р.У. Гонмана (R.W. Gonnam), компания Westinghouse (1975) показано на Рисунке 17.
Необходимо отметить также реле типа РТ-2, выпускавшееся в СССР (Рисунок 14 и Рисунок 16).
Длительно допустимый небаланс определяется по формуле:
где t- максимально допустимая длительность несимметрии. Существовали различные точки зрения касательно допустимого небаланса токов. Например в ГДР генераторы (до мощности 125МВт) могли работать длительно с относительным небалансом в 10%. Для более крупных блоков эта величина уменьшалась. Если защита от небаланса должна обнаруживать только обрыв фазы и несимметричную нагрузку (несимметричные КЗ должны выявляться другими устройствами), то необходимо иметь диапазон измерений до 35%. На Рисунке 21 показана схема российского реле типа РТФ-7 на электронных лампах. Типовые уставки с 4-мя ступенями для использования на 500МВт блоках в Восточной Германии (K=8; допустимый небаланс = 7%) показаны на Рисунке 20.
В 1978 г компания Siemens выпустила электронное реле небаланса типа 7US21.
В 1981 г компания ASEA выпустила реле тока обратной последовательности с инверсной время-токовой характеристикой типа RARIB (Рисунок 19 и Рисунок 24).
Рисунок 22. Реле RG82, Siemens, 1970 г
Рисунок 23. Реле контроля симметрии тока в фазах типа СМ, Westinghouse, 1982 г
Рисунок 24. Схема реле RARIB, ASEA, 1981 г
Рисунок 25. Реле SIG, AEG, 1989 г
Рисунок 26. Реле 7US23, Siemens, 1988 г
Рисунок 27. Реле небаланса MCND04, ALSTOM
Рисунок 28. Вытащенное из кожуха реле MCND04
[page] В 1982 г было выпущено реле небаланса тока в фазах компании Westinghouse типа CM (Рисунок 23 и Рисунок 29).
Компания Basler в 1985 г выпустило токовое реле обратной последовательности типа BE1-46N .
В 1988 г компания Siemens представила реле типа 7US23 (с обратно-зависимой время-токовой характеристикой), (Рисунок 26 и Рисунок 33).
В 1989 г компанией АЕН было разработано микропроцессорное реле небаланса типа SIG. (Рисунок 25).
Небаланс приводит к нагреву генератора, его охлаждение требует времени. Поэтому реле SIG имело память «запоминания» величины и длительности небаланса. В реле моделировалось поведение машины с временем охлаждения 600 сек. На Рисунке 30 показана характеристика «памяти» при охлаждении (М АВ) при прекращении небаланса MEND в зависимости от времени.
Рисунок 29. Схема подключения реле СМ
Рисунок 30. (Память) в случае небаланса в реле SIG, AEG
Рисунок 31. Схема реле MCND04, ALSTOM
Рисунок 32. Реле SGC
Рисунок 33. Схема реле 7US23, Siemens, 1988 г
В 1990-х компанией GEC ALSHOM (позднее ALSTOM) выпускалось токовое реле обратной последовательности типа MCND04 (Рисунок 27, Рисунок 28 и Рисунок 31). Имелась возможность выставления уставок в трех диапазонах: 6 - 20 %, 12 - 40 % и 15-50% от номинального тока. Характеристика времени выбиралась на фронтальной части реле с помощью уставки "K", которая регулировалась в одном из трех диапазонов: 2 - 10 сек, 4 - 20 сек и 8 -40сек. Время работы реле определялось формулой:
где K – уставка от 2 до 40.
В 1999 г компания GE представила статическое (на микроэлектронной базе) токовое реле обратной последовательности типа SGC (Рисунок 32).
В современных защитах генераторов защита от небаланса (код ANSI - 46) является одной из внутренних защитных функций.
Статьи, посвященные защитам генераторов, будут продолжены.
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в декабрьском номере журнала в 2010 году