История релейной защиты.
Защита генератора. От однофазного реле к комплексу защит генератора.
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в сентябрьском номере журнала в 2011 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Развитие защиты генераторов было рассмотрено в последних выпусках журнала «Мир РЗиА». Там же были рассмотрены различные защитные функции. В этой и следующей статьях будут рассмотрены различные поколения устройств, начиная от однофазного реле и заканчивая многофункциональными реле защиты генераторов.
На заре применения электричества, например, использовались динамо-машины, подсоединенные к водяным мельницам. Лампы и двигатели подключались напрямую. Первые генераторы не имели возможности автоматически отключаться в случае КЗ или перегрузки. Возможно, это было упущено из-за новизны применявшейся технологии. Дополнительно, в то время генераторы могли, в случае большой перегрузки, или остановиться, или оборваться приводящие ремни, а также, из-за небольшой величины падения напряжения могло и не быть электрических повреждений.
После улучшения конструкции генераторов увеличившиеся токи приводили к выгоранию слабейшего места в системе, это мог быть, например якорь, обмотка или переключатели. Поэтому появилась идея установить слабый элемент в месте, удобном для обслуживания, чтобы в случае перегрузки проводник в этом месте мог перегореть и оператор тогда бы знал куда идти и что смотреть в случае нарушения электроснабжения. Так родился предохранитель.
На первых генераторах устанавливались только реле МТЗ. С независимой или токозависимой характеристикой они были старейшими устройствами защиты. На небольших генераторах устанавливались расцепители прямого действия (Рисунок 1).
Позднее, особенно на больших генераторах стали применяться реле МТЗ с «непрямым» расцепителем.
Они и сейчас применяются в каждом генераторе, в комбинации с дифференциальными реле и защитой от повреждений на землю. Если нейтраль заземлялась, применялось три реле (Рисунок 2); в случае изолированной нейтрали было достаточно двух реле (Рисунок 3).
Для обозначения использовался символ «круг», размещавшийся на круглых корпусах реле того времени (рисунок 4).
Трансформатор тока размещался между зажимами генератора и масляным силовым выключателем. В такой схеме реле защищали от КЗ во внешней сети и при перегрузке. В случае повреждения внутри генератора через ТТ не протекал ток КЗ, если параллельно не были еще подключены другие генераторы. Позднее, для защиты и от таких повреждений, ТТ были перемещены в точку соединения звезды.
Сами реле располагались на щите управления рядом или ниже с устройствами измерения и устройствами управления. Задачей оператора было следить за их исправностью при работе. На Рисунке 7 сверху расположены измерительные устройства, в середине - устройства управления, а ниже – реле защиты.
Рисунок 1. Прямой расцепитель, патент №260066 (Sachsenwerk, примерно 1920)
Рисунок 2. Подключения реле G.E. для организации защиты трехфазной системы с заземленной нейтралью
Рисунок 3. Подключения реле G.E. для организации защиты трехфазной системы с незаземленной нейтралью
Рисунок 4. Однофазное реле МТЗ с независимой время-токовой характеристикой, патент №69007, компания AEG, 1916
Рисунок 5. RG21, Siemens – дифференциальная защита генератора и защита статора от повреждений на землю
Релейные панели представляли собой отдельные щиты, располагавшиеся в ряд. На каждой панели было три и более реле. Такая конструкция позволяла проводить легкий демонтаж . На Рисунке 9 показана конструкция, применявшаяся в Европе (компания ВВС), в США реле были разъемного типа.
В США, для защиты от вибраций применялись резиновые прокладки.
В начале 1920х МТЗ была дополнена защитой от обратной мощности и дифференциальной защитой (Рис.14 в «История РЗА», Лето 2009г).
Идея «блочной защиты» с несколькими защитными функциями была предложена Ф.Шроттке (Schrottke,F.), Берлин, в 1920г (Рисунок 6). Нейтрали генераторов и трансформаторов одинаковой мощности соединялись с помощью двух сопротивлений и двух реле. Соединение заземлялось через третье сопротивление. Любая неисправность в генераторе или трансформаторе, межвитковые повреждения, перекрытия на заземленный корпус и повреждения на землю приводили к возникновению выравнивающих токов, которые приводили к срабатыванию реле. Это устройство защиты действовало также и на гашение поля.
Требования к количеству пространства для размещения устройств защиты ужесточались и в небольших помещениях это становилось проблемой. Решением было объединение нескольких устройств в одном корпусе.
Для крупных машин применялось комбинированная дифференциальная и защита статора от повреждения на землю (Рисунок 5).
Со временем это привело к идее создания универсальной защиты. Такая защита должна была применяться на машинах переменного тока для обнаружения всех электрических повреждений на стороне статора. Одним из предложений было «повесить» по катушке реле на каждую фазу. Тогда, при внутреннем повреждении появлялось напряжение, приводящее к отключению.
Необходимо указать также на предложения по контролю с помощью ВЧ-устройств; «электрического глаза» или «электрического уха». Такое «ухо» обнаруживало изменения в шуме от машины в случае неисправности. Все эти принципы были экспериментальными. Ограниченная селективность и другие проблемы не позволяли их применение. Опыт показал, что для каждого типа повреждения необходима специальная защитная система, обеспечивающая полную, мощную и быструю защиту. Поэтому специальные реле и схемы объединялись в огромную систему. Типовая реализация показана на Рисунках 8 и 12. В нее входила первое линейное реле дифференциальной защиты с функцией МТЗ типа 3RA4 с реле времени типа 1Rs2. Во втором ряду показано реле повышения напряжения RV5 в комбинации реле обратной мощности RW7 и защитой от межвитковых повреждений типа RA2. В последнем ряду установлены реле сигнализации и тестовые блоки.
На рисунке 13 показана полная система, выполненная SIEMENS в 1936.
С 1943 по 1960е компания BBC выпускала защиты МТЗ серии S и ST (однофазные), (Рисунок 10).
Почти каждая защита требовала элемента выдержки времени для задержки сигнала отключения. Эта выдержка должна была быть минимальной и обеспечивать неотключение при внешних КЗ и при переключениях. Уставки определялись по результатам измерений при наладке.
Рисунок 6. Защита генератора, Шроттке (Schrottke), 1920
Рисунок 7. Типовой щит с реле защиты
Рисунок 8. Схема защиты генератора (работа на сборные шины), Siemens, 1936
Рисунок 9. Разъемные панели с реле (США), примерно 1950г
Рисунок 10. BBC, 1943 (Тепловое реле МТЗ ST)
Различные принципы требовали различных уставок. Чтобы избежать большого количества реле времени Леопольд Фершль (Leopold Ferschl), компания OSSW, в 1949 г предложил свою схему.
Очень часто использовалось три ступени (дифференциальная с выдержкой времени 0,1 сек; 0,2 сек для повреждений в обмотке и при утечках на землю, и 1-10сек для внешних повреждений).
Защита генератора мощностью 15000 кВА на тепловой станции компании RWE, 1939г, состоит (начиная слева: реле времени земляной защиты; токового реле земляной защиты, дифференциальной защиты, МТЗ с независимой токо-временной характеристикой и АГП).
Первые блочные защиты генератора 4050МВА на тепловой станции Espenhain (Германия) были введены в работу в 1940 (6/100 кВ). На Рисунке 14 показаны: реле сопротивления типа SD14a, защита от
небаланса типа SM22, реле МТЗ RSZ3g, реле индикации перегрузки RS3ek, и в последнем ряду – дифференциальная защита генератора с реле времени RZf, направленные реле повреждений на землю RERGZ, защита ротора от повреждений на землю REGL и реле обратной мощности RRGZ производства AEG. Вид на монтаж сзади показан на Рисунке 11.
Защита от межвитковых повреждений компании Oerlikon, предложенная в 1953г имела схему (Рисунок 15 и Рисунок 16), где разность напряжений «звезды» и «треугольника» и фазное напряжение подводились к ваттметрическому реле 5. В такой схеме легко определялось как само повреждение, так и поврежденная фаза.
Панели защиты двух генераторов компании Oerlikon (8000кВА, 6000В, 1953г) на ГЭС в Pracana (Португалия) показана на Рисунке 17. Шкафы 1 и 3 содержат систему возбуждения генераторов 1 и 2. Шкафы 2 и 4 содержат устройства измерений и защиты генераторов.
На Рисунке 17 расположены :
- 1; 3 Тепловые реле BiTs
- 2 Реле МТЗ MIZs
- 4…6 Дифференциальные реле DIhas
- 7 Защита ротора от повреждений на землю DUhs
- 8 Защита статора от повреждений на землю DIhs
- 9 Измерение температуры
- 10 Реле повышения напряжения DUhs
- 11 Реле времени KZs
Рисунок 11. Монтаж панели на станции в Espenhain, 1940
Рисунок 12. Защита генератора, Siemens, 1936 (работа на сборные шины)
Рисунок 13. Полностью блочное исполнение, Siemens, 1936
18 – на отключение генераторного выключателя
20 – на гашение поля
1-2-3-4 – диф.реле
5-6 – защита от межвитковых замыканий
7-8 – реле напряжения
9-11 – защита от токов утечки на корпус
Рисунок 14. Панель защиты генератора №4, Espenhain, AEG, 1940
Рисунок 15. Защита от межвитковых повреждений, Oerlikon, 1953
В 1960х компания AEG объединила отдельные реле RS1 с транзисторным элементом выдержки времени, защиту ротора от повреждений на землю REGL и новое дифференциальное реле в одно устройство под названием RKG1 (Рисунок 20).
В 1963 компания VEM в восточной Германии, с целью уменьшения количества соединений и экономии места попыталась объединить все защитные функции в одном устройстве. Защита генератора GSE для синхронных генераторов (1...63 MВА) включала в себя отдельные устройства, изготавливаемые компанией EAW и собранные в одном корпусе размером 985 мм x 380 мм x 175 мм (Рисунок 19).
На Рисунке 22 показана концепция защиты мощных генераторов в блочном исполнении, разработанная компанией BBC в 1960х. В нее входили:
- S57 – Защита ротора от повреждений на землю
- T – Дифференциальные реле (3-фазное)
- S – Реле МТЗ
- ST – Тепловое реле
- CH90c – Реле реверса мощности
- +MLTS – Реле времени
- CUH90c -3-х фазное реле защиты статора от повреждений на землю
Австрийская теплоэлектростанция в Граце (Graz), (1963, 2x 50-MВA, 10/110 кВ) была оборудована реле производства BBC, и показана на Рисунке 18:
- Два реле МТЗ с времянезависимой токовой характеристикой типа S1 в фазах А и С; реле термической перегрузки типа ST в нулевом проводе ТТ. Реле термической перегрузки имело уставку, соответствующую номинальному току генератора. Диапазон температуры был между 50°C и 120°C. Отражалась как текущая температура генератора, так и максимально допустимая, с помощью невозвратного указателя.
- Двухступенчатое реле напряжения состояло из реле первой ступени типа RBGM, с отношением срабатываниевозврат в 97.5 % и небольшой выдержкой времени. Вторая ступень была выполнена на реле типа RBG без выдержки времени.
- Защита от токов утечки на корпус была 100% и включала в себя также защиту нейтрали генератора с помощью 3-х фазной защиты от межвитковых повреждений типа CUW. Это реле было выполнено по системе Феррариса (с вращающимся диском –прим.переводчика).
- Дифференциальное реле – типа DMS с отстройкой от броска тока намагничивания.
- Защита ротора от повреждений на землю – RBV с минимальной уставкой в 50 мА
- Реле обратной мощности CH90c имело две ступени. В случае небольшой обратной мощности (например при синхронизации) выдержка времени составляла 5сек. Поэтому у диспетчера было время избежать ненужного отключения вместе с турбиной.
Дополнительные устройства:
- Реле небаланса с устройством индикации
- Реле сопротивления RK1Z4a (SIEMENS)
Рисунок 16. Защита от межвитковых повреждений, фазы А-В, В-С, С-А, Oerlikon, 1953
Рисунок 17. Панели на электростанции Pracana, Oerlikon, 1953
Рисунок 18. Схема блока 50МВА, KW Graz, STEWAG (Австрия), 1963
Рисунок 19. VEM/SAVO, 1963 (защитное оборудование для генераторов GSE)
Рисунок 20. RKG1,AEG, 1960
Проверка могла проводиться как в рабочем режиме, так и когда машина выводилась из работы. Выхода на отключающие реле переводились на лампочки. Это делалось с помощью тестовых переключателей, можно было также выводить из работы только часть защитных функций.
Типовая схема защиты генератора, применявшаяся в Восточной Германии, показана на Рисунке 21. Все реле выпускались одним производителем – компанией EAW (из ГДР):
- RQS4T1 – 3х фазное дифференциальное реле
- RSZ3f2 – 3х фазная МТЗ
- RSf5 – однофазное реле перегрузки
- RERZG – защита статора от повреждений на землю при работе на сборные шины
- REG4 – защита статора от повреждений на землю при работе по блочной схеме
- REG5 – реле защиты ротора от повреждений на землю
- REG6 – реле защиты ротора от двойных повреждений на землю
- Ruf5 – реле повышения напряжения
Для установки отдельных устройств (реле) защиты таких генераторов требовалась панель размерами 2,20 м x 0,8 м (Рисунок 23). Для защиты блоков мощностью 500МВт в ГДР в начале 1974г применялись защиты различных производителей:
МТЗ типа RSZ3f2, защита статора от повреждений на землю REG4, дифференциальная защита RQS4T (EAW). Защита от потери возбуждения D20, дистанционная защита D21 и реле частоты F13 выпускались компанией ZPA (ЧССР).Реле небаланса RTF7 и защита ротора от двойных повреждений на землю KSR2 были из Советского Союза. Для защит мощных генераторов защиты дублировались (резервная защита с теми же уставками, что и основная , а также защита от повреждений на землю и защита от небаланса). Также дублировались аккумуляторные батареи, соленоиды отключения выключателей, устройства гашения поля и т.д. Применялось 12 панелей.
До 1950х стандартом были электромеханические измерительные системы – подвижная катушка, сердечник из «мягкого» железа, биметалл и электродинамический измерительный элемент. В США были популярны измерительные системы, основанные на эффекте Феррариса (индукционная система). Использовались пассивные элементы (емкости, сопротивления, индуктивности).
Электронные элементы, например простые диоды, не применялись. В 60х произошли изменения и это будет рассмотрено в следующем выпуске
Рисунок 21. Защита блока , генератор 20МВт, EAW, 1975
Рисунок 22. Схема защиты блока, ВВС, 1960-е
S57 – защита ротора от повреждений на землю
CUH90c – 3-х фазная защита статора от повреждений на землю
T – дифференциальные реле (3-х фазные)
CH90c – Реле реверса мощности
ST – реле защиты от тепловой перегрузки
S – МТЗ
+MLTS – реле времени
Рисунок 23. Защита генератора, ГЭС Wisenta, EAW, примерно 1970-е
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в сентябрьском номере журнала в 2011 году