9. ВЫПОЛНЕНИЕ ТОКОВЫХ ОТСЕЧЕК И МАКСИМАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ НА ГЕНЕРАТОРАХ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ

Категория: М.А. Шабад "Максимальные токовые защиты"

Токовая отсечка на генераторах малой мощности.

Токовая отсечка применяется на генераторах мощностью до 1 МВт на напряжение выше 1 кВ, работающих параллельно с другими генераторами или энергосистемой, и предназначается для защиты генератора от многофазных КЗ в обмотке статора [1].

Максимальные реле тока включаются через трансформаторы тока, установленные со стороны выводов генератора, обращенных к сборным шинам (рис. 38). Наиболее целесообразно использовать двухрелейную отсечку, которая имеет в 1,73 раза большую чувствительность к двухфазным КЗ, чем однорелейная (рис. 10). Типы реле выбираются в зависимости от рода оперативного тока (рис. 5, 6, 11, 12 или 13).

Защита, выполненная по двухфазной схеме, не реагирует на двойное замыкание на землю, если одно из мест замыканий на землю находится в генераторе на фазе В, не имеющей трансформатора тока (рис. 4, г). В этом случае будет отключаться то присоединение, на котором произошло замыкание на землю фазы А или С.

Ток срабатывания отсечки, установленной на генераторе, выбирается из условий несрабатывания в следующих режимах:

при внешних КЗ (точка К1 на рис. 38);

при нарушениях устойчивой параллельной работы генератора (при качаниях).

По первому из этих условий ток срабатывания отсечки выбирается по выражению

                                                                                                                                          (14)

где — начальное значение периодической составляющей тока генератора (t=0) при внезапном трехфазном металлическом КЗ на шинах генераторного напряжения (точка К1 на рис. 38); — коэффициент надежности, учитывающий влияние апериодической составляющей тока КЗ, погрешности реле и необходимый запас; принимается равным 1,6—1,8 при использовании реле типов РТМ или РТ-80 и 1,3—1,4 — при использовании реле типа РТ-40.

Рис. 38. Схема размещения токовых отсечек на генераторах и линиях генераторного напряжения электрической станции небольшой мощности.

 

Расчеты токов К3, в том числе от генераторов, рассмотрены в работах [16-18]. Здесь приводятся основные соотношения, необходимые для расчетов токовой отсечки генераторов. Начальное значение периодической составляющей тока при внезапном трехфазном КЗ на выводах генератора определяется по выражению

                                                                                                                                     (15)

где — номинальный ток генератора (по паспортной табличке) А; — сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора, о. е. (по паспортным или экспериментальным данным);

                                                                                                               (16)

— ЭДС генератора, о.е. (U_*0, I_*0 и φ — напряжение, ток и угол сдвига между ними при предшествующем режиме работы генератора).

Если в режиме, предшествующем КЗ, ток и напряжение генератора были равны номинальным значениям, а φ=37° (соsφ=0,8; sinφ=0,6), то ЭДС определяется по выражению

                                                                                                                        (17)

Для приближенных расчетов можно использовать средние значения для отечественных генераторов [16]. Например, для турбогенераторов =1,08; =0,125. Следовательно, приближенное значение тока трехфазного К3 по выражению (15) будет

Ток срабатывания отсечки на реле типа РТ-40 по выражению (14):

По условию несрабатывания при нарушениях параллельной работы генератора ток срабатывания отсечки выбирается по выражению

                                                                                                                                              (18)

где — ток качаний, определяемый расчетом [18]; коэффициент надежности отстройки, принимаемый в пределах 1,2—1,3.

Чувствительность отсечки определяется по начальному значению тока (t=0) при двухфазном металлическом КЗ на выводах защищаемого генератора (точка К2 на рис. 38) в режиме его параллельной работы с другими генераторами и с энергосистемой или только с другими генераторами, если электростанция работает изолированно. При определении минимального значения тока двухфазного КЗ сопротивление энергосистемы должно соответствовать так называемому минимальному режиму, когда включено минимально возможное число пи тающих источников: генераторов, линий и трансформаторов. При этом энергосистема входит в расчет наибольшим из возможных значений сопротивления. Также минимальным принимается в расчете и значение суммарной мощности КЗ от параллельно работающих генераторов, что соответствует наибольшему из возможных значений эквивалентного сопротивления генераторов (кроме того генератора, у которого проверяется чувствительность отсечки).

Коэффициент чувствительности определяется по выражениям (2) или (9) при условии, что погрешность трансформаторов тока не превышает 10%. Значение коэффициента чувствительности должно быть примерно 2. Такое требование невозможно выполнить на изолированно работающей электростанции, например, с тремя одинаковыми генераторами, так как один из них, например № 1, может находиться в ремонте, а ток КЗ от генератора № 2 (рис. 38), очевидно, не обеспечит срабатывание токовой отсечки поврежденного генератора № 3, ток срабатывания которой выбран по условиям (14)—(17).

При недостаточной чувствительности токовой отсечки вместо нее устанавливают продольную дифференциальную токовую защиту, если генератор имеет шесть выводов [18]. При отсутствии у генераторов выводов фаз со стороны нейтрали Правила разрешают использовать токовую отсечку, при ее достаточной чувствительности, и для генераторов мощностью более 1 МВт [1].

Максимальная токовая защита на генераторах.

Максимальная токовая защита устанавливается на генераторах в основном в качестве защиты от внешних КЗ. Измерительные реле тока присоединяются к трансформаторам тока, установленным на вы водах генератора со стороны нейтрали (рис. 39). В этих случаях максимальная токовая защита резервирует основную — продольную дифференциальную защиту при многофазных КЗ в обмотке статора. А на генераторах мощностью до 1 МВт, на которых невозможно выполнить достаточно чувствительную токовую отсечку (см. выше), максимальная токовая защита является основной защитой и от КЗ в обмотке статора, и от внешних КЗ. На генераторах мощностью до 1 МВт, не имеющих вводов со стороны нейтрали, работающих параллельно с другими генерирующими источниками, допускается присоединение измерительных реле тока максимальной токовой защиты к трансформаторам тока, установленным со стороны выводов трансформатора, обращенных к сборным шинам (аналогично рис. 38). Схема защиты выполняется двух- или трехрелейной, в зависимости от необходимости резервирования КЗ за трансформаторами со схемами соединения обмоток звезда — треугольник-11 (трансформаторы связи электростанции с энергосистемой) и треугольник — звезда-11 (трансформаторы собственных нужд 6/0,4 кВ). Как показано в § 2, трехрелейная схема обладает в 2 раза большей чувствительностью, чем двухрелейная, при двухфазных КЗ за трансформаторами с такими обмотками. Типы реле выбираются в зависимости от рода оперативного тока (§ 2 или 3).

Рис. 39. Схемы цепей переменного (а) и постоянного тока (б) максимальной токовой защиты генератора мощностью до 1 МВт и направления ее действия на отключение выключателей и автомата гашения поля генератора (АГП)

ТСН трансформатор собственных нужд; Т — токовая отсечка; ТВ — максимальная токовая защита

 

Ток срабатывания I_с.з максимальной токовой защиты генератора выбирается по условию несрабатывания при номинальной нагрузке с необходимым запасом и по согласованию чувствительности с защитами отходящих линий, т.е. по выражениям (7) и (8). При этом по выражению (7) рассчитывается ток срабатывания максимальной токовой защиты, не имеющей пускового органа напряжения, а такая защита применяется только на генераторах мощностью до 1 МВт. Для более мощных генераторов (от 1 до 30 МВт) максимальная токовая защита выполняется с комбинированным пусковым органом напряжения [1, 3, 18]. Ток срабатывания защиты выбирается по выражению (7), но без учета коэффициента самозапуска, и принимается в пределах 1,3—1,5 номинального тока в зависимости от типа реле (реле типа РТВ для защиты генераторов такой мощности не применяется).

Чувствительность максимальной токовой защиты (по току) определяется при трехфазном КЗ на выводах одиночно работающего генератора в установившемся режиме, который наступает через несколько секунд после возникновения КЗ. Установившийся режим наступает примерно через 3—5 с для относительно крупных генераторов и через 0,5—1,5 с для генераторов мощностью до 1,5 МВт, т.е. через время, соизмеримое с временем срабатывания максимальной токовой защиты генератора. Коэффициент чувствительности определяется по выражению

                                                                                                                                    (19)

где — установившееся значение тока генератора при трехфазном КЗ на его выводах [16, 18].

На генераторах мощностью более 30 МВт максимальная токовая защита осуществляет функции защиты только от внешних трехфазных КЗ и выполняется одним реле тока, включенным на ток любой из фаз, и одним минимальным реле напряжения, включенным на междуфазное напряжение. Ток срабатывания максимального реле тока должен быть около 1,3—1,5 номинального, а напряжение срабатывания минимального реле напряжения — примерно 0,5—0,6 номинального. Для защиты генераторов этой мощности от токов, обусловленных внешними несимметричными КЗ, а также от перегрузки током обратной последовательности предусматривают токовую защиту обратной последовательности [1].

Время срабатывания максимальной токовой защиты генераторов выбирается из условий селективности по выражению (10) или путем согласования времятоковых характеристик защиты генератора с обратнозависимыми времятоковыми характеристиками защит отходящих линий генераторного напряжения. При этом генератор всегда является последним последующим элементом электрической сети и время срабатывания его максимальной токовой защиты всегда выше, чем на других (предыдущих) элементах.

Максимальная токовая защита генераторов, как правило, выполняется с двумя выдержками времени: с меньшей t₁ — на отключение соответствующих секционных и шиносоединительных выключателей (В1 и В2 на рис. 39), и с большей t₂ — на отключение выключателя генератора и гашение магнитного поля (В3 и АГП). Таким образом, при внешних КЗ на элементах энергосистемы или на соседней секции шин генератор может выделиться на изолированную работу вместе с нагрузкой своей секции шин, в том числе с нагрузкой собственных нужд (с.н.), обеспечивающей нормальную работу оборудования электростанции. При КЗ на своей секции шин генераторного напряжения или при КЗ на отходящих от нее элементах с отказом собственной защиты или выключателя происходит отключение генератора с гашением его магнитного поля [1, 3, 18].

Токовая отсечка на асинхронных электродвигателях напряжением выше 1 кВ.

Токовая отсечка без выдержки времени применяется в целях за щиты от междуфазных К3 в обмотке и на выводах, обращенных к шинам, электродвигателей мощностью до 5 МВт [1]. Для электродвигателей мощностью до 2 МВт допускается однорелейное исполнение отсечки (рис. 10 и 40, а), а при ее недостаточной чувствительности — двухрелейное (рис. 40, 6). При недостаточной чувствительности двухрелейной отсечки должна устанавливаться дифференциальная защита [1, 19].

Ток срабатывания токовой отсечки электродвигателя выбирается таким, чтобы отсечка:

не срабатывала при пуске электродвигателя, несмотря на то, что пусковой ток может в 5—8 раз превосходить номинальный ток электродвигателя;

не срабатывала при внешних КЗ, когда ток от электродвигателя в начальный момент достигает также (5—8) -кратного значения;

срабатывала при двухфазном КЗ на выводах защищаемого электродвигателя с коэффициентом чувствительности около 2 (точка К1 на рис. 40, а).

Для обеспечения несрабатывания отсечки асинхронного электродвигателя в режимах пуска и внешних КЗ ее ток срабатывания выбирается по выражениям:

                                                                                                                                             (20)

или

                                                                                                                                   (20а)

где — коэффициент пуска, представляющий собой отношение установившегося значения пускового тока к номинальному току электродвигателя ; — коэффициент надежности, учитывающий влияние апериодической составляющей пускового тока и параметры реле, используемых для выполнения токовой отсечки. Средние значения или приводятся в каталожных данных асинхронных электродвигателей. Однако для выбора тока срабатывания отсечки по выражениям (20) или (20а) рекомендуется использовать экспериментально определенные значения этих величин.

Рис. 40. Схемы цепей переменного тока токовых отсечек электродвигателей мощностью до 2 МВт (а) и от 2 до 5 МВт (б); М — электродвигатели

 

Значения коэффициентов надежности в выражениях (20) и (20а) выбираются в зависимости от типов реле тока и выходных реле схемы отсечки, от степени их отстройки от влияния апериодической составляющей пускового тока. Например, при использовании мгновенных реле тока прямого действия типа РТМ, имеющих собственное время срабатывания около 20 мс и срабатывающих в начальный момент пуска электродвигателя, значение коэффициента надежности принимается около 2—2,5. Примерно такое значение ≈ 2 принимается при использовании реле типа РТ-80, поскольку электромагнитный элемент этого реле (отсечка) характеризуется очень низким коэффициентом воз врата. Отметим, что эти реле могут ложно срабатывать от ударных вибраций при включении выключателей в комплектной ячейке КРУ, КРУН и т. п.

При выполнении отсечки с реле тока РТ-40 и промежуточными реле без замедления (РП-23 или РП-16) принимается ≈ 1,5—1,6.

Коэффициент чувствительности токовой отсечки определяется при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя, обращенных к шинам (точка К1 на рис. 40, а), по выражениям:

для схемы рис. 40, а:                                                                                         (21)

для схемы рис. 40, 6:                                                                                    (22)

где — ток при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя в минимальном режиме работы питающей энергосистемы (когда ее сопротивление имеет наибольшее значение)

Значение коэффициента чувствительности должно быть около 2 [1].