Защита генераторов: Типы неисправностей и основные защитные устройства

В нормальном исправном состоянии через сопротивление не течёт тока и напряжение на зажимах равно нулю.

Для заземления через трансформатор используется напряжённое реле, контролирующее напряжение на сопротивлении, подключённом ко вторичной обмотке трансформатора.

В нормальном состоянии заземляющий трансформатор не создаёт вторичного напряжения, и на реле не подаётся напряжение. При заземлении статора возникает напряжение на вторичных зажимах заземляющего трансформатора, и напряжённое реле срабатывает.

Рисунок 1 показывает типичную схему дифференциальной и заземлительной защиты статора.

КЗ обмотки фазового ротора защищаются токовыми реле.

Обмотки ротора могут быть повреждены заземлёнными неисправностями.

Обмотка ротора (возбуждения) на крупных тепловых генераторах изолирована от земли, поэтому одиночное заземление не даёт тока неисправности.

Одиночное заземление, однако, повышает потенциал всей системы возбуждения, а дополнительные напряжения, индуцируемые при размыкании выключателя возбуждения или главного выключателя генератора, в частности при неисправностях, могут увеличить напряжение до заземления в поле, когда статорные переходные процессы индуцируют дополнительное напряжение в обмотках поля. Это дополнительное напряжение может вызвать второе заземление на обмотке поля.

Второе заземление может вызвать локальный нагрев железа, который может деформировать ротор, создавая опасную невыцентрированность.

Защита от заземления ротора может обеспечиваться реле, контролирующим изоляцию ротора путём подачи вспомогательного переменного напряжения на ротор или напряжённым реле в последовательном соединении с высоким сопротивлением (комбинация линейных и нелинейных резисторов — распространённый современный метод), подключённым через цепь ротора, средняя точка которого соединена с землёй через катушку чувствительного реле (код ANSI/IEEE/IEC 64).

Современная техника предполагает использование комбинации линейных и нелинейных резисторов.

Рисунок 2 показывает пример защиты ротора от заземления.

Защита от потери возбуждения использует реле, фиксирующее изменение потока реактивной мощности. Типичная схема защиты от потери возбуждения использует смещённое реле Мхо (импедансное) для измерения импеданса нагрузки генератора.

Смещённое реле Мхо импедансное реле — это однофазное реле, питаемое от ТТ и НТ генератора. Реле потери возбуждения сработает, если значение импеданса нагрузки попадёт в зону срабатывания реле.

Временное реле включено для инициирования отключения машины, если режим выдачи реактивной мощности сохраняется 1 с (типовое значение).

Для предотвращения насыщения сердечника из-за перевозбуждения при разгоне и остановке используется защита от перевозбуждения (код ANSI/IEEE/IEC 59).

Перевозбуждение объясняется уравнением:

B = V / f

Где B — магнитная индукция или поток в сердечнике (ед.: тесла — Тл), V — приложенное напряжение (ед.: вольт — В), f — частота (ед.: герц — Гц).

Чтобы поток в сердечнике оставался ниже точки насыщения, напряжение генератора может увеличиваться только при увеличении частоты (или скорости).

Если возбуждение увеличивается слишком быстро, то это состояние перевозбуждения должно быть обнаружено, и выключатель поля должен быть отключен.

Схемы защиты от перевозбуждения используют реле Вольт/Герц.

Эти реле имеют линейную характеристику и сработают, если отношение напряжения к частоте превысит уставку.

Защита от перегрева обмоток статора и подшипников обычно выполняется с помощью RTD и термисторов для контроля температуры.

Защита от асимметрии фаз статора обычно использует токовое реле с инверсной временной характеристикой, которое устанавливается в соответствии с максимальным временем, в течение которого ротор может выдерживать этот перегрев.

Функция генераторной защиты от отрицательной последовательности — защитить машину от перегрева, в частности ротора, возникающего в результате асимметрии фазных токов статора.

Эта защита использует реле, которое сравнивает токи двух фаз через ТТ, как показано на Рисунке 3.

Уставки защите подбираются в соответствии с максимальным временем, которое ротор может выдержать при таком перегреве, а время определяется уравнением K = I²t (на основе закона Джоуля-Ленца).

Типовые кривые для этого условия показаны в зависимости от первичного двигателя и указаны производителем.

Защита от обратной мощности (код ANSI/IEEE/IEC 32) использует направленное по мощности реле для контроля нагрузки генератора; реле питвается от ТТ и НТ генератора, как показано на Рисунке 4, и сработает при обнаружении любого отрицательного потока мощности.

Защита «Out-of-Step» обнаруживает состояние, вызванное перегрузками в электросистеме, а не неисправностями генератора. Защита фиксирует момент, когда генератор пробуксовывает первым полюсом, и вызывает отключение выключателей генератора.

Турбина не отключается, что позволяет машине быть ресинхронизированной после устранения перегрузки в системе.

Эту защиту можно считать дополнением к защите от потери возбуждения.

Состояние Out-of-Step возникает при полном поле генератора, а потеря синхронности из-за недвозбуждения происходит, когда генератор не имеет поля.

Защита Out-of-Step использует три импедансных реле. Эти реле питваются от ТТ и НТ генератора и измеряют импеданс нагрузки генератора, обнаруживая состояние колебания мощности, если все три реле срабатывают в правильной последовательности, и инициируют отключение ВН выключателей.

Для внешних коротких замыканий используются токовые реле (50; 50N; 51; 51N).

Защита от пониженной и повышенной частоты (код ANSI/IEEE/IEC 81) также обнаруживает перегрузки в системе, а не неисправности генератора. Крупный системный распад может привести к избытку или недостатку генераторной мощности для оставшейся подключённой нагрузки.

В первом случае, повышенная частота, с возможным повышением напряжения из-за снижения потребления нагрузки. Работа в этом режиме не вызовет перегрева если не превышены номинальная мощность и примерно 105% номинального напряжения.

Регуляторы генератора должны быть оперативно скорректированы для согласования генерации с потреблением нагрузки.

При недостаточной генерации для подключённой нагрузки, пониженная частота — результат тяжёлого потребления.

Падение напряжения заставляет регулятор напряжения увеличить возбуждение. Результат: перегрев может возникнуть как в роторе, так и в статоре. В то же время требуется больше мощности, при менее способном генераторе обеспечить её на падающей частоте.

Автоматическая или ручная сброска нагрузки в системе передачи должна в идеале согласовать нагрузку с подключённой генерацией до возникновения полного системного коллапса.

Реле повышенного и пониженного напряжения (коды ANSI/IEEE/IEC 59 и 27) используются для контроля напряжения.

Дополнительная пусковая защита фаз предусмотрена для обнаружения состояния, когда существует неисправность во время разгона генератора до номинальной скорости. Генераторы, конечно, не должны пускаться под нагрузку или в неисправность.

Для предотвращения этого используется схема защиты, которая подключает реле с пониженными уставками ТОЛЬКО если частота ниже 52 Гц в 60-Гц системах и 42 Гц в 50-Гц системах.

В настоящее время МЦР (см. раздел 2.1), которые объединяют все необходимые функции защиты, обычно используются для защиты генераторов.

Об авторе: Мануэль Болотинья

- Лиценциат по электротехнике — Энергетика и системы электроснабжения (1974 — Instituto Superior Técnico/Университет Лиссабона)
— Магистр по электротехнике и компьютерной инженерии (2017 — Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
— Старший консультант по подстанциям и системам электроснабжения; Профессиональный инструктор