История релейной защиты.
Защита генератора. Защита статора от повреждений на землю для блоков генератор-трансформатор
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в июньском номере журнала в 2011 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Первая статья, посвященная защите статора от повреждений на землю, была опубликована в этом журнале осенью 2009г, там были рассмотрены первые защиты и «сфокусировано» внимание на защитах, применяющихся при работе генераторов на сборные шины. С увеличением единичной мощности машин или работе на энергосистему становится важным использование блочных трансформаторов.
90% Защита статора от повреждений на землю
При блочной схеме подключения (генератор-трансформатор) генератор не связан гальванически с системой. Реле напряжения, подключенные к обмоткам заземленного трехфазного ТН, соединенным по схеме «разомкнутого треугольника» или подключенные к трансформатору напряжения, расположенному между нейтралью и землей, позволяют обнаружить повреждения на землю в обмотках силового трансформатора на стороне генератора, на вводах генератора и в обмотке статора. Повреждение в обмотке статора может быть обнаружено только в случае, если оно не слишком близко к нейтрали. Дополнительно чувствительность ограничена влиянием шунтирующих межобмоточных емкостей. Напряжение помехи может быть уменьшено за счет емкостей в схеме подключения генератора или активных сопротивлений в схеме подключения заземляющего трансформатора. Чтобы избежать эффекта оксидации, сопротивление выбиралось таким, чтобы ограничить ток повреждения на землю величиной в 15А. Это было пределом чувствительности данного защитного принципа.
Сопротивление используемых ламп (“железных ламп») зависело от температуры нити накала. В нормальном режиме нить была холодной, а ее сопротивление небольшим. Между трансформатором и генератором имелась емкостная связь. При перенапряжениях на стороне ВН сопротивление низкое и емкости разряжались на землю. Это означает, что сопротивление лампы низкое, когда источник ЭДС незначительный. В случае повреждения на землю лампы нагреваются, что увеличивает их сопротивление и ограничивает ток повреждения на землю. Этот принцип мог применяться только в низковольтных системах, где мощность ограничена. На Рисунке 3 показана используемая схема. Нейтраль генератора G заземлена через трансформатор напряжения S. Во вторичной обмотке ТН реле R соединено последовательно с лампами. Для защиты всей обмотки, соединенной в звезду с нейтральной точкой, доктор Роберт Поль (Dr. Robert Pohl) предложил «смещать» нейтраль искусственно. В его патенте (DRP 456761, 1928) показан источник тока P, соединенный последовательно с трансформатором напряжения S. Теперь становится возможным создавать ток больше тока срабатывания реле R даже в случае повреждения на землю непосредственно в нейтральной точке.
Используя электромагнитные реле было возможным «контролировать» примерно 80% обмотки, начиная с вводов генератора. При использовании реле с подвижной катушкой (магнитоэлектрических) зона защиты может быть увеличена до 90%. Остаточное напряжение (напряжение смещения) необходимо выпрямлять. Расширение зоны защиты возможно благодаря тому, что момент вращения уменьшается в линейной зависимости от напряжения в реле с постоянным магнитом и в квадрате в электромагнитных реле.
Рисунок 1. Реле защиты от тока утечки на корпус типа RV2 (Siemens, 1935)
Рисунок 2. 100% защита статора от повреждений на землю
а – на переменном токе
в – на постоянном токе
Рисунок 3. Заземление нейтрали генератора с помощью ламп.
Согласно патенту доктора Бутоу (Dr. Bütow), нейтраль смещалась (доктор Поль (Dr.Pohl, AEG))
Рисунок 4. Защита с помощью вспомогательного напряжения частотой 20 Гц (Siemens)
Рисунок 5. Защита от токов утечки на корпус, Л.Фершль (Fershl. L.),компания ÖSSW, 1953
В качестве решения был использован патент АТ875427 – удаление влияния высших гармоник, проникающих через емкости связи блочного трансформатора
Такая же зона возможна и в случае применения динамометрических реле (реле мощности). В этом случае к одной обмотке подводится остаточное напряжение (напряжение смещения), а на другую подается вспомогательное напряжение.
В 1929г были выпущены специальные устройства с фиксированными активными сопротивлениями, работающие с токами от 10 до 30А. Доктор Поль (Dr. Pohl) показал, что это приемлемо, если генераторы отключаются немедленно. Бутоу (Bütow) показал, что токи ниже 4А не приводят к повреждению, так как в слюде образуется углеродный канал. Этот канал имеет проводящие свойства, поэтому дальнейшего нагрева не происходит. Поэтому становится возможной работа поврежденной машины до тех пор, пока не будет запущена резервная.
В 1935г компания SIEMENS выпустила чувствительное и устойчивое к перегрузкам реле защиты от тока утечки на корпус типа RV2 (Рисунок 1).
В 1943 Бендером (Bender), Франкфурт на Одере (Германия) была предложена система обнаружения повреждений на землю, показанная на Рисунке 9. R1 и C2 рассчитывались таким образом, чтобы токи iE и i1 были больше, чем токи через емкости связи обмоток трансформатора. Теперь ток отключения при повреждении на землю мог быть ограничен до величины, не приводящей к повреждениям в машине. Все повреждения на землю в обмотках, соединяемых в звезду с нейтральной точкой, могут быть обнаружены с помощью токового реле 3; повреждения на землю в обмотках, соединяемых в треугольник, обнаруживаются с помощью реле напряжения 4. Использование шкалы A позволяло осуществлять визуальный контроль при работе машины.
Чтобы ограничить влияние гармоник через емкость связи блочного трансформатора Леопольд Фершль из компании SIEMENS, Австрия запатентовал (AT876427) решение, показанное на Рисунке 5. Емкости (4), подключенные к вводам генератора, соединялись последовательно с катушкой индуктивности (5), настроенной на частоту 3-й гармоники. Чтобы емкости входили в защищаемую зону, точка нейтрали заземлялась через первичную обмотку трансформатора (6). К вторичной обмотке подсоединялось реле (7). Емкость (8) работала как защита от повышения напряжения.
Для исключения трансформатора в нейтрали Йохим Хинце (Joachim Hinze) из Восточного Берлина предложил другое решение (Рисунок 6). Между нейтралью трансформатора напряжения (3) и «землей» включалась емкость (1) с параллельно подключенной к ней схемой из импульсного разрядника (4), индуктивности (реактора) 5 и промежуточного реле.
Рисунок 6. Защита статора от повреждений на землю, Хинзе (Hinze), 1956
Рисунок 7. Реле защиты от повреждений на землю типа RG5, Siemens, 1950
Рисунок 8. Блокирующая схема по частоте 150Гц, Хоссфельд (Hoßfeld), 1966
Рисунок 9. Защита от повреждений на землю, Бендер (Bender), 1943
Рисунок 10. Защита статора от повреждений на землю (блокирующий принцип)
В 1956г профессор Атабеков (Prof. Atabekow) опубликовал в СССР работу, где указывалось на необходимость заземления нейтрали блока генератор-трансформатор через большое сопротивление. Это сопротивление препятствовало образованию высокого напряжения смещения (остаточного напряжения) на стороне генератора при КЗ в высоковольтной сети. Обнаружение повреждений на землю осуществлялось с помощью токового реле. Дальнейшие исследования показали, что в действительности емкости связи трансформаторов и генераторов препятствуют появлению больших напряжений смещения. В случае «глухого» заземления нейтрали напряжения смещения появляются только кратковременно. Из-за этого, в СССР было решено отказаться от «глухозаземленной» нейтрали и стали применять схемы с изолированной нейтралью. Напряжение в нейтральной точке звезды в обычном режиме составляет 2-4 В; поэтому достаточно реле повышения напряжения (3 на Рисунке 10), уставка которого выбиралась в диапазоне 10-15 В. Реле времени (4) имело уставку 0.5 с для предупреждения «ложной» сигнализации при переходных процессах. В дополнительном сопротивлении (5) необходимости нет. Если ток на стороне генератора больше 5A (например в случае работы нескольких генераторов на один блочный трансформатор) использовались реакторы (реакторы Петерсона (Petersen coils)).
В США обычной практикой было заземление нейтрали через низкоомное сопротивление. Это позволяло выявлять повреждения на землю с помощью дифференциальной защиты. Чтобы уменьшить воздействие больших величин токов повреждения на землю, в нейтрали устанавливался быстродействующий силовой выключатель. Он очень помогал при отказе основного выключателя или схемы гашения поля.
В период между 1959 и 1961г в Восточной Германии произошло 8 ложных отключений от реле защиты от замыканий на землю в обмотке статора.
Анализ этих отключений показал, что они происходили при особых условиях на определенных машинах и специализированной нагрузке, генерирующей напряжение частотой 150Гц. Для этих условий Х.Д. Хоссфельд (H.J. Hoßfeld) разработал специальную блокирующую схему (Рисунок 9 и 11).
Ограничение токов повреждения на землю с помощью магнитного усилителя было запатентовано Райнфредом Хаузером (Reinfried Hauser) (Германия) в 1962 - (DE1133808).
Полагая, что вероятность повреждения на землю вблизи точки заземления невелика (небольшие величины напряжения), считалось, что 90%-защита от замыканий на землю является достаточной.
Рисунок 11. Реле типа REG4 с блокирующей схемой 150 Гц
Рисунок 12. Защита статора от замыканий на землю с зоной работы 70-90%
Рисунок 13. Трансформатор для выполнения защиты статора от повреждений на землю HN 8/10, ELIN, 1968
Рисунок 14. Реле 7UE22, Siemens, 1983
Рисунок 15. CUH90 c CUG, BBC, 1966
100% Защита статора от повреждений на землю
Для мощных генераторов с водородным охлаждением ограничение зоны в 90% было неприемлемым. Вибрации и увеличение размеров из-за нагрева обмотки статора могут привести к образованию волосных трещин и охладитель может попасть в статор. Это увеличивает риск повреждений статора на землю. Поэтому для мощных генераторов (больше 200 МВт) появилось требование обеспечить дополнительную защиту, которая могла работать вблизи нейтрали - 100% защиту статора от повреждений на землю. Предлагалось несколько подходов к решению этой задачи – инжекция (наложение) дополнительного напряжения частотой 50Гц в нейтральную точку, отдельный источник напряжения (с частотой < 50 Гц), или анализ 3-й гармоники.
В 1950-х SIEMENS начал использовать "чувствительную защиту" в качестве 100% защиты статора. Это устройство использовало искусственное напряжение смещения, как с помощью постоянного тока так и переменного (Рисунок 2a/b). При смещении от постоянного тока («схема Вахтера -"Wächter-circuit"), к источнику постоянного тока (выпрямитель и промежуточный трансформатор) подключалась емкость. Постоянный ток не влияет на работу в нормальном режиме. При повреждении на землю от выпрямителя идет подпитка. Это увеличивает потребление тока через выпрямительный трансформатор. При определенной величине токовое реле срабатывает. Так называемая «чувствительная» защита RA, выполняющая функцию 100%-защиты, имела замедление, так как была чувствительна к помехам и броскам тока намагничивания.
Так как повреждение на землю в нейтральной точке не приводит к появлению напряжения смещения, то и нет опасности двойного повреждения. Тем не менее, имеет смысл быстро отключать генератор в случае повреждения на землю на вводах. Это можно сделать с помощью дополнительного реле напряжения RV с зоной действия в 20 % и действием без выдержки времени. В 1965г швейцарская компания Oerlikon применила этот же принцип.
Другим вариантом 100%-защиты является защита, работающая по 3й гармонике в генераторном напряжении. На Рисунке 12 показана схема с разделением на защиту, защищающую 70% обмотки статора и на защиту 100% обмотки статора (реле (2)). Применение ВЧ-фильтра в реле RG5 (Рисунок 7) позволяло обнаруживать повреждение на землю в нейтральной точке и вблизи ее.
Рисунок 16. Реагирующий элемент в 100%-защите статора, СССР, 1969
Рисунок 17. Принцип наложения частоты 25 Гц, СССР, 1969
Рисунок 18. Защита статора от повреждений на землю CUH90c, компания ВВС, 1966
Рисунок 19. Защита блоков мощностью 102 МВА на станции в Копсверке (Kopwerk), VIW, ELIN, 1968
Рисунок 20. Комбинация 100% защиты статора от замыканий на землю 7UE22(Siemens) и защиты SU153, компания AEG, 1983
В 1966г фирмой BBC была выпущена защита статора от повреждений на землю типа CUH90 (Рисунок 18). Защитная система состоит из трех реле в одном корпусе (5 на Рисунке 15). Устройство измеряло напряжение смещения и одно из междуфазных напряжений. Это позволяло определять направление и осуществлять обнаружение поврежденной на землю фазы. Трансформатор (1) формирует искусственное напряжения смещения; промежуточное реле CUG (6) управляет компенсацией. В конце 1960х для Красноярской ГЭС (СССР) Вайнштейн (Vainstein), Смолялов (Smoljlov), Гетмабов (Getmabov), Пусков (Puskov) и Цикунов (Cikunov) из Томского Технического университета разработали 100%-защиту статора от повреждений на землю. Они «накладывали» на ток генератора импульсы частотой 25Гц (Рисунок 16 и 17). Эти импульсы формировались отдельным станционным устройством, поэтому защита могла работать даже при «развороте» генератора.
Для паровых блоков мощностью 125МВА в Верндорфе (Werndorf, Stewag, Австрия) и для двух блоков генератор-трансформатор мощностью в 102 МВА на ГАЭС Копс (Kops,VIW Австрия, Рисунок 13), компанией ELIN была применена модернизированная защита на принципе «Bütow». Для подключения резисторов и формирования небольшого напряжения смещения в 100% защите использовался только один трансформатор (Рисунок 19).
В 1970х все генераторы мощностью более 100 МВА в Германии, Швейцарии, Великобритании, Югославии и других странах были оборудованы 100% защитой обмотки статора от повреждений на землю. Это было рекомендовано сделать и в других странах. Объяснением такого решения была не потеря электрической нагрузка – она была незначительной. Этим предотвращался риск механических повреждений и образования других дефектов в системе водяного охлаждения статоров.
В 1972г компания SIEMENS представила защиту с наложением дополнительного напряжения частотой 20Гц (Рисунок 4). В 1974 Хорст Гирке (Horst Gierke), Восточная Германия предложил для блоков 500 МВт дополнительную защиту. Это решение должно было применяться дополнительно к существующей 90…95%-защите на реле REG4 от компании EAW. Дополнительное устройство (защита) устанавливалась между нейтралью и землей (Рисунок 25) и «накладывала» постоянное напряжение, которое не оказывало никакого влияния в отсутствии повреждений статора на землю. Все трансформаторы напряжения между генератором и стороной НН заземлялись через емкость. Повреждение на землю вызывало протекание тока через элемент связи i и приводило к срабатыванию модифицированного реле напряжения типа RUf5. Для выполнения такой функции было достаточно дополнительного напряжения в 500….600В между нейтралью и землей. Компания ZPA (Чехословакия) в 1975г выпустило реле защиты статора от повреждений на землю типа G15X2
(Рисунок 27). Оно защищало 100% обмотки. Для исключения ложных отключений реле в случае внешних КЗ на стороне ВН блочных трансформаторов Юрий Берман (Jiri Bermann), компания ZPA, предложил в 1976г выполнять блокировку в случае запуска защиты от КЗ (например от токового реле нулевой последовательности, подключенного к ТТ, установленных во вводах блочного трансформатора и его нейтрали. Так как оно должно было работать только при близких КЗ, то его уставка выбиралась равной Io ≥ 0.5 Iн.
Рисунок 21. Блок-схема фильтра и чувствительного элемента (сенсора)
Z-делитель напряжения с регулировкой нуля
M-Блок сопряжения
F- активный полосовой фильтр
U-детектор напряжения
t-элемент выдержки времени
Рисунок 22. Реле защиты от повреждений на землю, электростанция в штате Джоржия, 1980
Защита на генераторе мощностью 790 МВт в соединении с блочным трансформатором 25/500КВ на блоке №2 электростанции Бовен (Bowen), энергокомпании штата Джоржия, США
Рисунок 23. Реле GTV100, VBKI (Венгрия), 1970
Рисунок 24. Схема защиты от замыканий на землю на новом принципе –вейвлет-анализе, 2007
Рисунок 25. 100%-защита с использованием дополнительного напряжения, Glerke, 1974
В 1970х компания BBC выпускала статическое реле GIX103 (Рисунок 26). Оно осуществляло обычную 80%-защиту, используя измеряемое напряжение смещения частотой 50 Гц. Дополнительно «инжектировались» специальные токовые импульсы (смотрите также Рисунок 29). Эти импульсы имели частоту 12,5 Гц при промышленной частоте 50 Гц и 15 Гц при промышленной частоте в 60 Гц. Это позволяло выполнить 100%-защиту.
Впервые 100%-защита начала применяться в США в 1980. Это была защита на генераторе мощностью 790 МВт в соединении с блочным трансформатором 25/500КВ на блоке №2 электростанции Бовен (Bowen), энергокомпании штата Джоржия (Рисунок 22). В 1982г Клэйтон Х. Гриффин (Clayton H. Griffin) и Джон У. Поуп (John W. Pope) из энергокомпании штата Джоржия представили доклад об этой защите на зимней сессии Американского института инженеров-электриков (IEEE's PES 1982 Winter Meeting). За год до этого Р.Л. Шлаке (R.L.Schlacke) из компании Westinghouse Electric совместо с Д.У. Бакли (G.W.Buckley), из университета в Детройте ( Detroit Edison and G.McPherson, University of Missouri-Rolla), сообщили о своем реле, выполнявшим 100% защиту обмотки статора. В нем сравнивалось напряжение 3-й гармоники в нейтральной точке с напряжением со стороны вводов. Более надежная, защищенная патентом, схема была предложена доктором Ласло Пажманди (Dr. Laszlo Pazmándi) из компании VEIKI, (Венгрия), на сессии СИГРЭ в 1972г, экспериментальные результаты которой были представлены в Американский институт инженеров-электриков (IEEE) в 1975 (Рисунок 21). Первой реализацией был выпуск в 1970г реле GTV100 (Рисунок 23). В 1981г компанией ВВС было представлена модульная статическая защита генератора типа GSX4 и GSX5e (Рисунок 31).
В 1983г было предложено интересное решение выполнения 100%-защиты – комбинация из двух реле – статического реле SIEMENS типа 7UE22 и реле компании AEG типа SU153, (Рисунок 20). Заземляющий трансформатор типа T300 изготавливался на напряжение 
, к которому подключался нагрузочный резистор R300, допускающий кратковременную работу
длительностью в 10сек. Его сопротивление зависело от коэффициента трансформации силового трансформатора блока и от протяженности зоны резервной защиты. Реле компании SIEMENS типа 7UE22 использовало принцип, показанный на Рисунке 4.
Рисунок 26. Реле GIX103, компания ВВС, 1978
Рисунок 27. Реле G15X2, компания ZPA, 1975
Рисунок 28. Дополнительные блоки, АВВ,1994
a-REX010
b-REX011
Рисунок 29. Кодовые сигналы, REX010, 1994
Рисунок 30. Зона работы
Раймо Д. Мартила (Raimo J. Marttila) из компании Ontario Hydro (Канада) проанализировал содержание 3-й гармоники (150 или 180Гц) в напряжении фаза-земля обмотки статора и сделал вывод о возможности выполнения 100%-защиты, основанной на ее замере. Он сравнивал напряжения U’EM3Ω и U’K3Ω после фильтрации (Рисунок 33). В 1992г было выпущено реле серии 7UM51 компании SIEMENS (Рисунок 32). Защита по напряжению нулевой последовательности была в реле 7UM512, а 100%-защита с «наложением» частоты 20Гц –в реле 7UT515. Защита генератора от компании ABB типа REG216/316 могла быть оборудована блоком «наложения» типа REX010 и трансформатором типа REX011 (Рисунок 28a и b). В обмотку статора (ротора) «инжектировались» (накладывались) кодовые прямоугольные сигналы (Uis , Uir , Ui) с частотой fн/4, (Рисунок 29). Зона работы показана на Рисунке 30. Компания ABB, Финляндия, в 1996г представила систему SPAG300. В нее (SPAG331B) входил модуль защиты от повреждений на землю SPCU1C6 (Рисунок 34).
В 2000г в Университете «Huszhong University of Science and Technology» были проведены исследования, позволившие найти эффективное решение выполнения защиты для электростанции «Three-Gorges» в Китае. Требуемое минимальное сопротивление нейтрали составляло 8 кΩ. Чтобы выполнить защиту 100% обмотки была выбрана «инжекция» напряжения частотой 12.5 Гц.
Последними предложениями по этой теме были доклад Шайка Абдул Гафура (Shaik Abdul Gafoor) и П.В. Рамана Рао ( P.V. Ramana Rao), из Национального Электрического Института в Варрангале, Индия (Department of Electrical National
Institute of Technology, Warangal, India) на конференции ICIIS в 2007г; и в Шри-ланке - защита от повреждений на землю для турбогенераторов с использованием вэйвлетов («волновых» алгоритмов) – Рисунок 24.
В одной из следующих статей будет рассмотрено применение многофункциональных реле для защиты генераторов.
Рисунок 31. Статическая система защиты генератора типа GSX4, BBC, 1981
Рисунок 32. Реле 7UM512, Siemens, 1992
Рисунок 33. 100% защита Марттила (Marttila)
Рисунок 34. Защита SPAG331B содержит:
Реле защиты от повышения напряжения и обратной мощности SPCP382, реле МТЗ SPSJ3C3, реле повышения напряжения SPCU1C6, компания АВВ
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в июньском номере журнала в 2011 году
>>смотреть