История релейной защиты.
Защита генератора. По пути к многофункциональной защите генератора.

Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в декабрьском номере журнала в 2011 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич

Ступени в развитии защиты генератора от отдельных устройств к комбинации электромеханических реле  были рассмотрены в последнем выпуске «Мир РЗиА».
Статические защиты генераторов начали применяться в 1960-х, например защита от повышения напряжения, защита от небаланса нагрузки и другие. Целью было выполнить все защиты с помощью электроники.
 В начале 60-х компания  BBC выпустила 2-х ступенчатую защиту от небаланса  типа IPX с линейным измерительным элементом (Рисунок 2). Дисплей отображения повреждений в роторе  IWX имел чувствительность до 1200 Ом, защита обмотки UBX чувствовала напряжение смещения на частоте 50Гц  вплоть до  2 %, а защита статора от повреждений на землю IXX защищала  100 % обмотки.
Дифференциальная защита D2, выполненная по технологии с подвижным якорем и применением электроники (тип DIX) вела себя стабильно, а рабочие времена могли быть уменьшены. Реле обратной мощности типа РРХ могло обнаруживать реверс мощности вплоть до 0,5% от номинальной.
В 1968г компания ELIN выпустила аналоговую защиту, которая была применена на 125МВт паровом блоке  на станции  KW Werndorf (Stewag) , а также на двух блоках генератор-трансформатор мощностью 102МВА на аккумулирующей станции высокого давления Копс (Kops),  компания Vorarlberger Illwerke, - оба в Австрии.
Компания ZPA, Трутнов (Trutnov), Чехословакия в 1970 разработала статические реле, например защита генератора типа  GTX. Позднее, в 70-х она разработала концепцию защиты блока 500МВт – под названием G500X1. Почти все защитные функции были выполнены с помощью электроники, поэтому устройства стали меньше по размерам, по сравнению с механическими реле. Типичным примером системы являются:
- Двухступенчатое реле сопротивления  D15X2 (См. его изображение в журнале «Мир РЗиА», июнь 2010) и
- Защита статора от повреждений на землю типа G15X2- состоящая из двух реле (Рисунок 3).
В этом устройстве основным элементом является чувствительное реле напряжения, контролирующее напряжение нейтрали. Этот способ обычно применяется при изолированной нейтрали. Элемент напряжения был нечувствителен к гармоникам, уставка составляла 5, 10 и 15 % от Un. Также была применена мостовая схема по 3-й гармонике напряжения, используемая для определения места повреждения. Мост позволял обнаруживать повреждения даже на нейтрали. Статическая защита GTX1 (Рисунок 1) применялась для защиты блоков от 50 до 500МВт. Блок в 200М Вт требовал 5ти панелей защиты.
В 1975г на накопительной станции Wehr, Schluchseewerk AG  компания SIEMENS использовала в качестве единственной защиты электронные реле.
Первая газовая турбина – на электростанции с применением сжатого воздуха была введена в работу в Германии в г.Ханторф (Huntorf), компания Norddeutsche Kraftwerke AG, 1 декабря 1978 (рисунок на первой странице). В то время машина фирмы BBC (341 MВт) была самой мощной в мире.

Рисунок 1. Статическая защита генератора GTX1G (примерно 1970г, ZPA)



Рисунок 2. Статическое реле небаланса IPX132-b, BBC (примерно 1965)



Рисунок 3. Защита статора от повреждений на землю G15X2, ZPA (примерно 1970)



Рисунок 4. Цифровое реле сохранения устойчивости MSTAB, ELIN, 1979



Рисунок 5. Микропроцессорное реле МТЗ МС91, ВВС, 1984



Таблица 1. Статические реле защиты генератора, SIEMENS, 1984
Статические реле SIEMENS на 1984г
7SJ31 - МТЗ
7RE26 - защита статора от повреждений на землю 80%
7UE22 - защита статора от повреждений на землю 100% и режим блокировки
7UD21 - дифзащита генератора
7UT24 - дифзащита трансформатора (двухобмоточный)
7UD25 - дифзащита трансформатора (трехобмоточный)
7UW21 - защита ротора от повреждения на землю
7UR22 - защита ротора от повреждения на землю, 2-х ступенчатая
7VM31 - защита от асинхронного хода
7RE21 - защита от повышения напряжения
7UU21 - защита от недовозбуждения
7RP22 - защита по частоте
7SL18 - дистанционная защита машины
7SW22 - УРОВ
7UW13 - выходное устройство
7UW20 - входной блок
7UW13 - выходной блок
7SV11 - преобразователь питания
7TA2 - матрица отключения
7VP2 - тестовый блок

[page]

Блок был оборудован статической защитой генератора типа "Modulsystem GSX6", BBC. (См. Рисунок 6).
Первое коммерческое использование микропроцессоров имело место в  австрийской компании  Donaukraftwerke AG в 1979г.  Компания ELIN выпустила защиту ротора типа  MSTAB (Рисунок 4).
В начале 1980х компания SIEMENS выпускала серию статичесих реле. Примером могут быть реле МТЗ типа 7SJ31, реле дифзащиты генератора и трансформатора  7UD21/7UT24 и реле сопротивления 7SL18. Для их питания было необходимо устройство 7SV11, преобразующее напряжение АКБ на требуемые  ±15 В и   ± 24 В. Входы и выходы имели гальваническую развязку. Для защиты цепей питания применялись автоматические выключатели. Для приема внешних сигналов применялся блок  7UW20 (с герконовыми реле).
В таблице 1 приведены статические реле SIEMENS по состоянию на 1984г. Разъемные платы объединялись в блоки. Для надежности цепи питания защит 1 и 2 разделялись. Для отключения силового выключателя применялись устройства типа  7UW13. Также применялась матрица сигналов отключения (Рисунок 7).
Компания BBC в 1984г выпускала микропроцессорную защиту МТЗ / перегрузки типа MC91. Она измеряла фазные токи и содержала все необходимые функции.  Дополнительно имелась защита от небаланса, контроль чередования фаз, защита статора от повреждений на землю и защита по тепловой перегрузке с помощью термодатчика типа  Pt 100 (Рисунок 5).
Модульная защита типа DRS-MODULAR компании ELIN была представлена в 1991.
В США в 1987г была запущена программа создания "многофункциональной системы защиты генератора" (MGPS), а в начале 1992 было сообщено о проведении  лабораторных испытаний. После исправления небольших недостатков было принято решение об установке MGPS на генераторной установке комбинированного цикла е мощностью 238 MВт. MGPS действовала только на сигнал и на отключение  дополнительного реле блокировки, которое не действовало на отключение блока. Монтаж был закончен в сентябре 1992г. После двух лет испытаний в полевых условиях было решено перевести выходные цепи MGPS на отключение. В апреле 1993г еще одно MGPS  было установлено на генераторе мощностью 693 MВт на станции, работающей на твердом топливе. В конце 1993г и в начале 1994г еще восемь MGPS были установлены на гидрогенераторах с действием на сигнал и реле блокировки. В декабре 1993г MGPS альтернативной конструкции было установлено на генераторе мощностью 350МВт на ГАЭС. Это MGPS
также действовало на дополнительное реле блокировки, не подключенное к цепям отключения. На рисунке 8 показано распределение защитных функций по двум MGPS.
Начиная с 1993г было установлено и находилось в эксплуатации на ГЭС два прототипа.  Энергокомпания одобрила установку двух различающихся  модификаций MGPS  для установки на новых генераторах. Для больших генераторов использовались две различающиеся системы от разных производителей, что обеспечивало дублирование и низкую вероятность отказа в случае типовых повреждений. Реле защиты генератора серии SPAG300 компании  ABB было представлено в 1992г, оно состояло из отдельных модулей, выполняющих те или иные защитные функции.

Рисунок 6. Статическая защита генератора GSX6, BBC, 1978



Рисунок 7. Матрица отключения 7TA2, Siemens, 1984



Рисунок 8. Типовая схема защиты крупного или ответственного генератора, IEEE,  1998



Рисунок 9a. Защита REG216 (BBC, 1987)



Рисунок 9б. Схема REG216



Рисунок 10. Объединение REG110 и REG150, ABB, 1993

Например SPAG331B (Рисунок 11) с модулем  SPCP3B2 –комбинированной одноступенчатой защитой обратной мощности, двухступенчатой защитой повышения напряжения с независимой временной характеристикой, модулем SPCJ3C3- двухступенчатой МТЗ с независимой временной характеристикой, или характеристикой IDMT для чувствительной ступени и на выбор без выдержки времени или независимой временной характеристикой для «грубой» ступени, с модулем SPCU1C6- двухступенчатой защитой сизмерением напряжения нейтрали с зависимой временной характеристикой, реле повышения напряжения с зависимой временной характеристикой.
Первая цифровая защита генератора была разработана компанией BBC в 1987 (Рисунок 9a/b), в ней использовался 16-ти битный процессор Intel 80186 (10 МГц). Схема реле серии REG200 показана на Рис.12.
В конце 1980х компанией BBC/ABB выпускались модульные серии REG100, 110, 216 and 316. Реле  REG216 было оснащено более чем 36 аналоговыми входами и включала в себя следующие защитные функции (коды) ANSI: (59N) (64) (87G) (87T) (50/51) (49) (64R) (59) (27) (81) (32) (46) (59) (59R) и (51/27).
Для увеличения надежности (готовности к работе)  и достижения дублирования могли объединяться  две разъемные системы  (REG110 и REG150), как показано на Рисунке 10. Две основные защитные функции были идентичными, защита от КЗ реализовывалась следующим образом:
■ REG110 с защитой по снижению сопротивления
■ REG150 с дифференциальной защитой на принципе баланса напряжений (высокоомный принцип)
В 1990г компания АВВ разработала систему  COMBIFLEX, в которой отдельные реле могли объединяться в группы. На Рисунке 13 показан типичный пример. Обзор защитных функций системы COMBIFLEX приведен в таблице 2.
В  1992г компания SIEMENS предложила свою концепцию цифровой защиты генератора  с реле защиты машин типа  7UM5  (Рисунок 17).

Рисунок 11. Реле защиты генератора SPAG331B, ABB, 1992



Рисунок 12. Цифровая защита серии REG200, ABB



Рисунок 13. Типовое применение системы COMBIFLEX, ABB, 1990



Рисунок 14. Защита генератора MIDOS, GEC, 1995



Рисунок 15. Концепция защиты с использованием 7UM5 и 7UT5, Siemens, 1992



Рисунок 16. Реле защиты генератора М-3430, компания Beckwith Electric, 1993



Рисунок 17. Реле защиты эл.машин 7UM515, Siemens, 1994

Устройства защиты, необходимые для машин малой мощности, средней и большой мощности показаны на Рисунке 15. Реле 7UM511, 7UM512 и 7UM515 обеспечивают различную функциональность, могут заменять друг друга и обеспечивать дублирование.
С 1993г компания Beckwith Electric выпускала микропроцессорное реле защиты генератора M-3430 с цифровой обработкой сигнала, в нем насчитывалось 15 защитных функций (Рисунок 16).
Реле MIDOS компании GEC включало в себя защитные функции, показанные на Рисунке 14. Полностью цифровая система DRS компании ELIN была впервые применена на Швейцарских Железных дорогах (Swiss Rail (SBB)) в 1995г.
В этом же году компания  AEG выпустила цифровые защиты генераторов PG851 и PG871 (Рисунок 22). Позднее начало применяться дополнительное реле PG811 (Рисунок 23). Как и других производителей, защитные функции были распределены по разным реле, это также обеспечивало резервирование. 90% защита статора от повреждений на землю (67N) входила в состав реле  PG851; 100%-защита имелась в PG781 (с измерением 20Гц). Защита ротора от повреждений на землю имелась PG811. Генераторы с мощностью более 100 МВт оснащались защитой PG871 в качестве основной и  PG851 в качестве резервной.

Таблица 2.



Рисунок 18. Система DGP, компания  GE, 1997



Рисунок 19. Реле DGBV-EP, компания Protecta, 2005  (реле защиты блока генератор-трансформатор)



Рисунок 20. Реле SEL-700G, компания  SEL, 2010 (реле защиты генераторов и статических машин)



Рисунок 21. Реле защиты и управления генератором  SR489, GE, 1997



Рисунок 22. Цифровое реле защиты генератора PG851 и PG871, компания AEG, 1995

На генераторах меньшей мощности устанавливалось одно или два PG851. Одним из первых применений была их установка на станции  IKW Staßfurt (Германия) на 3-х блоках мощностью 50МВт, 10/110 кВ и на электростанции Cukrownia Lubna в Польше. Цифровое реле защиты генератора выпускалось компанией GE в 1997г – набор его функций показан на Рисунке 18 и Рисунке 25. Дополнительно в 1997 компания GE представило еще одно реле  SR489 для установки на генераторах с дополнительными функциями резервирования и мониторинга (Рисунок 21).
Интегрированная система защиты генератора компании Beckwith Electric для генераторов типа  M-3425 показана на Рисунке 26.
В 1998г компания SEL выпустила реле 300-G (Рисунок 28), его функции представлены на Рисунке 29.
В 1999г для крупных генераторов китайская компания  SIFANG выпустила цифровую защиту блока  CST30A.
С 2001г компания  GE выпускает для генераторов реле G60 (Рисунок 27), а также G30 как комбинированное реле защиты генератора и трансформатора. В 2005г в серии реле EUROPORT от компании  Protecta (Венгрия) были представлены цифровое реле защиты генератора и блоков генератор – трансформатор типа DGBV-EP (Рисунок 19). В 700-й серии реле компании SEL (2010) есть реле защиты генератора и статических машин типа  SEL-700G (Рисунок 20).
Компания SIEMENS в серии  SIPROTEC (в 2000) предложила концепцию дублирования защит крупных генераторов с блочными трансформаторами с использованием реле 7UM6 и 7UT6 (Рисунок 24).
Новая 670 серия  (2007) компании ABB также содержит реле защиты генератора  IED REG670.
В заключение, я хочу напомнить Вам, что при использовании как традиционных, так и статических реле в прошлом, например для защиты блоков  500МВт применялось не менее 12 панелей.  В переходной период было принято иметь не менее двух одинаковых статических реле (например  Система 1 и Система 2 - в   Boxberg, Германия) или, позднее иметь одну защитную систему на статике и вторую – на цифровых реле  (Schwarze Pumpe, Германия).
Технологии для проверок и ее развитие будут рассмотрены в следующем выпуске.

Рисунок 23. Защита генератора- дополнительное реле PG811, AEG



Рисунок 24. Концепция дублирования на серии SIPROTEC, Siemens, 2000



Рисунок 25. Однолинейная схема DGP, GE, 1997



Рисунок 26. Передняя панель реле M-3425, Beckwith Electric, 1998



Рисунок 27. Реле защиты и управления генератора G60, GE, 2001



Рисунок 28. SEL-300G, SEL, 1998



Рисунок 29. Функции реле SEL-300G, SEL, 1998

Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в декабрьском номере журнала в 2011 году >>смотреть