Вопрос 35

а) Назначение и виды защит от внешних к. з.

Защита генераторов от внешних к. з. служит для отключения генераторов при повреждениях на сборных шинах электростанции или на отходящих от них присоединениях.

Нормально указанные к. з. отключаются защитой поврежден­ных элементов (т. е. шин или линий и трансформаторов), поэтому защита на генераторах от внешних к. з. является резервной и ра­ботает только в случае отказа защиты или выключателей этих элементов.

В тех случаях, когда сборные шины генераторного напряжения не имеют специальной защиты, защита генератора от внешних к. з. служит основной защитой генератора от повреждений на шинах и резервной при повреждении на присоединениях.

Защита от внешних к.з. дополнительно используется для резервирования дифференциальной защиты генератора при междуфазных к. з. в нем.

Таким образом, в зону действия защиты от внешних к. з. должны входить: генератор, сборные шины и отходящие от них присоединения.

Выполняя функции резервной защиты генератора, защита от внешних к. з. должна действовать на отключение генератора и АГП.

К защите от внешних к. з. предъявляется одно очень важное требование — она не должна работать при перегрузках и ка­чаниях.

При несоблюдении этого условия могут происходить массовые отключения генераторов при неопасных для них перегрузках и качаниях, что приводит к дефициту генераторной мощности и тяже­лым авариям в энергосистемах.

В соответствии с поставленными требованиями в качестве защиты генераторов от внешних к. з. в настоящее время приме­няются максимальные токовые защиты с блокировкой (или пуском) от реле напряжения и защита обратной последовательности (реагирующая на ток /₂) с дополнительной приставкой, действую­щей при трехфазных повреждениях.

Простая максимальная токовая защита (без блокирующих реле напряжения) реагирует на кратковременные и неопасные перегрузки и поэтому не должна применяться на генераторах, отключение которых при перегрузках и качаниях недопустимо.

б) Максимальная защита с блокировкой (пуском) по напряжению

Защита выполняется в двух вариантах: с блокировкой, осу­ществляемой с помощью трех реле минимального напряжения Н (рис. 15-27), и с блокировкой, выполненной по комбинированной схеме, состоящей из реле напряжения обратной последователь­ности Н₂ и одного реле минимального напряжения Н, включенного на линейное напряжение (рис. 15-28).

В обеих схемах токовые реле Т питаются от трансформаторов тока, расположенных на нулевых выводах генератора. При таком подключении максимальная защита не только реагирует на внеш­ние к. з., но и резервирует дифференциальную защиту генератора, действуя от тока генератора при повреждении в нем.

Включение токовых реле на трансформаторы тока со стороны шинных выводов генератора нецелесообразно с точки зрения за­щиты самого генератора. В этом случае при повреждении в об­мотках генератора защита действует только при наличии тока из сети. Если ток со стороны сети отсутствует (из-за отсутствия параллельно работающих генераторов или связи с системой) или прекратился вследствие отключения связи с другими генера­торами раньше, чем сработала максимальная защита поврежден­ного генератора, то она не сможет подействовать и не ликвидирует повреждения в генераторе.

Максимальная защита может устанавливаться только па двух фазах. Однако по соображениям повышения надежности и чув­ствительности ее устанавливают на трех фазах. Токовые реле применяются мгновенные. Индукционные реле с зависимой харак­теристикой могут срабатывать при качаниях, так как они сум­мируют импульсы тока качаний, не успевая возвращаться в про­межутках между ними. Поэтому зависимые реле в максимальной защите генератора не применяются.

Реле минимального напряжения питаются от генераторного трансформатора напряжения. Питание от трансформаторов напряжения на шинах станции не применяется, так как при этом защита не действует при повреж­дении на отключенном от шин генераторе.

Реле напряжения Н включаются на междуфазные напряжения для большей чувствительности при междуфазных к. з. Для обеспе­чения действия блокировки при двухфазных к. з. необходимо устанавливать три реле напряжения (рис. 15-27).

В обеих схемах блокировка по напряжению служит для исклю­чения действия защиты при перегрузках.

В схеме на рис. 15-27 при к. з. вследствие возрастания тока и снижения напряжения работают как реле Т₁ так и реле Н и защита действует с выдержкой, установленной на реле вре­мени В₁ на отключение генератора и АГП. При перегрузках, не сопровождающихся понижением напряжения, реле Н не действует, чем предотвращается нежелательная в этих случаях работа за­щиты.

В схеме на рис. 15-28 реле минимального напряжения Н питается междуфазным напряжением через нормально замкнутые контакты реле Н₂. Реле Н₂ включено через фильтр обратной после­довательности на напряжение U₂. При несимметричных к. з. появляется напряжение U₂ и реле Н₂ срабатывает, снимая напря­жение с реле Н. Последнее замыкает свои контакты и разрешает токовым реле подействовать на отключение. При симметричном к. з. реле Н₂ размыкает свои контакты кратковременно. Реле Н - успевает сработать, но затем после исчезновения несимметрии и возврата Н₂ поведение реле Н будет зависеть от уровня остаточ­ного напряжения U _к на его зажимах.

Если U_к < U_ВОЗ реле Н, то оно останется в сработанном со­стоянии и разрешит действовать защите. Если же U_к> U_воз, то реле Н возвратится и защита не сможет подействовать. Таким образом, чувствительность блокировки при симметричных к. з. определяется не U_с.р, а U_БОЗ реле Н. Поскольку U_В03 < U_с.р на 10—15%, то, следовательно, при симметричных к. з. схема с ком­бинированным пуском чувствительнее, чем схема с обычной блокировкой на рис. 15-27.

При несимметричных к. з. схема с реле Н₂ также чувствительнее обычной схемы за счет большей чувствительности реле Н₂ по сравнению с реле Н.

При симметричных перегрузках реле Н₂ и Н не действуют, запрещая работать защите.

Уставки защиты. Ток срабатывания токовых реле в схемах максимальных защит с пуском по напряжению выбирается из условия их возврата при номинальном токе генератора:

Коэффициент надежности k_Н обычно принимается равным 1,1—1,2.

Напряжение срабатывания реле минимального напряжения Н, включенного на междуфазное напряжение, в обеих схемах выбирается из следующих соображений.

Реле минимального напряжения должны удовлетворять двум условиям:

а) возвращаться при минимальном уровне рабочего напряжения U_{раб.мин} после отключения к. з. в сети, для чего необходимо выбрать

где k_Н — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,1—1,2;

U_{раб.мин} ⁼ 0,95U_{раб.норм}

б) не действовать при понижении напряжения на зажимах генератора, вызванном самозапуском двигателей или асинхронным режимом работы генератора, имеющим место при потере воз­буждения. Расчеты и опыты показывают, что в обоих случаях напряжение может понижаться до (0,65 ÷ 0,7) U_{раб.норм} Для исключения действия реле в этих условиях необходимо иметь:

Условие п. «б» является определяющим, поэтому U_СЗ выби­рают по (15-22а). Напряжение срабатывания реле обратной последовательности Н₂ в схеме с комбинированным пуском выбирается из условия отстройки от напряжения небаланса на выходе фильтра. На основе опыта эксплуатации принимается:

Чувствительность защиты проверяется по току и напряжению при к. з. на шинах и в конце второго участка согласно выражениям: по току

по напряжению для реле Н в схеме по рис. 15-27

где U_{k. макс} — наибольшее остаточное напряжение при двухфазном к. з. в конце второго участка.

Для реле Н в схеме с комбинированным пуском чувствитель­ность проверяется по U_ВОЗ при трехфазных к. з., так как при двух­фазных к. з. работает реле Н₂, а при трехфазных — оно в первый момент к. з. снимает напряжение с реле Н и дальнейшее поведе­ние реле Н определяется U_В03 этого реле. С учетом сказанного

для реле Н₂

где U_2к.мин — наименьшее напряжение обратной последователь­ности при двухфазном к. з. в конце второго участка.

Выдержка времени. По условию селективности время действия защиты не должно быть меньше

где t_прис — наибольшая выдержка времени на защите присоедине­ний, питающихся от генераторных шин.

При выборе уставки по времени необходимо учитывать боль­шую ответственность генераторов, являющихся источниками пита­ния, и отсутствие необходимости в быстром отключении генера­торов при внешних к. з. по условиям работы самого генератора. В то же время необходимо считаться с тем, что процесс восстановления напряжения на генераторах и снижение их токов нагрузки во время тяжелых аварий могут проходить относительно медленно. Для предотвращения преждевременного отключения генераторов в подобных режимах, когда пусковые реле защиты могут возвра­щаться не сразу после отключения к. з., выдержка времени на максимальной защите генераторов выбирается порядка 5—8 с. Повышение t₃ улучшает также отстройку защиты от качаний.

в) Токовая защита от симметричной перегрузки

На электростанциях, имеющих постоянный дежурный пер­сонал, защита от перегрузки должна действовать на сигнал и выполняться по схемам, приведенным на рис. 15-27 и 15-28.

Перегрузка, как правило, является симметричным режимом. Поэтому защита от перегрузки выполняется при помощи одного токового реле Т₂, включенного в одну из фаз генератора. Сраба­тывая, оно действует на реле времени В₂, которое подает сигнал. Поскольку перегрузка может продолжаться длительно, реле вре­мени В₂ должно быть термически устойчивым. Ток срабатывания токового реле Г₃ выбирается по выражению (15-9). Для повышения чувствительности к перегрузкам k_н применяется равным 1,05.

Выдержка времени на реле времени выбирается несколько большей, чем на защите от внешних к. з., с тем чтобы защита от перегрузки не давала сигналов при внешних к. з., отключаемых защитой.

На электростанциях без постоянного дежурного персонала максимальная токовая защита от перегрузки должна выполняться с двумя выдержками времени и действовать: с меньшей — на сигнал и снижение возбуждения, а с большей — на отключение выключателя и АГП.

Для мощных генераторов ведется разработка защиты с зави­симой характеристикой, соответствующей тепловой характери­стике генератора. Такую защиту следует выполнять с действием на отключение.

г) Токовая защита обратной последовательности

Назначение, требование и принцип действия. Как указывалось в § 15-1, б, несимметрия токов в статоре является опасным режи­мом для генераторов, особенно для генераторов с непосредствен­ной системой охлаждения. Подобные несимметрии возникают при внешних двухфазных и однофазных к. з. и в режиме нагрузки, при обрыве одной или двух фаз, например вследствие обрыва провода на линии электропередачи или недовключения фаз вы­ключателя. Повышенный ток при неотключившихся внешних несимметричных к. з. нагревает статор генератора, а токи обрат­ной последовательности, появляющиеся при несимметричных внеш­них к. з. и нагрузках, индуктируют в роторе вихревые токи, вызывающие опасный нагрев металлических частей и обмотки последнего (см. § 15-1, б).

Вследствие недостаточной чувствительности максимальной за­щиты к несимметричным внешним к. з. и не действия ее при несим­метричных нагрузках разработана и применяется токовая защита обратной последовательности, реагирующая на появление тока I₂. Эта защита выполняет функции двух защит: 1) защиты от чрез­мерного нагрева ротора генератора при несимметричных к. з. и нагрузках и 2) резервной защиты статора при несимметричных к. з. и нагрузках, а также при к. з. в самом генераторе в случае отказа его дифференциальной защиты.

В первом случае защита должна удовлетворять двум условиям: во-первых, она должна срабатывать при I₂, превышаю­щем максимальный длительно допустимый ток I_{2доп.макс} по условию нагрева ротора, для чего необходимо иметь:

и, во-вторых, должна иметь выдержку времени

где t_доп — время, в течение которого ротор при данном значении I₂ нагревается до предельной температуры, определяется по тепло­вой характеристике ротора из уравнения (15-1); к_н — коэффи­циент надежности, принимаемый равным 0,9—1.

Во втором случае (в качестве резервной защиты ста­тора) защита обратной последовательности должна иметь чувстви­тельность, достаточную для отключения несимметричных к. з. в конце зоны резервирования, и действовать с наименьшей выдерж­кой времени, обеспечивающей селективность.

Указанные требования можно выразить следующими соотношениями:

где I_2к.мин — минимальный ток обратной последовательности в ге­нераторе при к. з. в конце самой длинной линии, отходящей от шин электростанции; t_л — выдержка времени защиты линий, отходящих от шин электростанции.