Меню

Направленная защита от обратной мощности

О классе точности ТТ и ТН для защиты обратной мощности генераторов

Лисицын А. А., Машенков В.М.

В мировой практике широкое применение нашли защиты (реле) обратной мощности (РОМ), предназначенные для контроля отключения турбогенератора от сети при посадке стопорных клапанов турбины с целью предотвращения возникновения режима разгона турбоагрегата при их неплотной посадке и сокращения времени нахождения генератора в двигательном режиме.

Имеется значительное число отечественных разработок РОМ, которые по тем или иным причинам не вышли за рамки опытных образцов и не выпускаются серийно. Тем не менее, в эксплуатацию “проникают” как отечественные, так и зарубежные образцы РОМ. Так, в состав микропроцессорного терминала REM 543 фирмы ABB, микропроцессорных шкафов защит генераторов и блоков генератор-трансформатор ШЭ 1111-1113, выпускаемых НПП “Экра”, г. Чебоксары, входит защита обратной мощности. Закупаются образцы РОМ MWTU 14 фирмы Alstom.

Поэтому актуальными становятся вопросы подключения РОМ к трансформаторам тока (ТТ) и напряжения (ТН) генератора с точки зрения обоснования необходимого класса точности ТТ и ТН.

Современные защиты обратной мощности предназначены для выполнения следующих основных функций.

  1. По терминологии ОРГРЭС “чувствительная защита обратной мощности” вводится в работу от действия технологических защит после посадки стопорных клапанов турбины, вспомогательные контакты которых воздействуют на отключение и гашение поля генератора. С целью контроля знака активной мощности в цепь отключения и гашения поля генератора включается контакт реле обратной мощности, замыкающийся при изменении направления активной мощности генератора, когда она начинает поступать из сети в генератор (обратная мощность) при плотном закрытии стопорных клапанов для покрытия механических потерь блока турбина — генератор в режиме синхронного электродвигателя. Тем самым ограничивается продолжительность работы генератора в двигательном режиме, которая по условиям работы турбины не должна превышать 4 мин.
    При неплотном закрытии стопорных клапанов турбины и активной мощности генератора, направленной в сеть, РОМ не должно срабатывать, чем предотвращаются возможный разгон генератора и повреждение турбины. С контролем прекращения подачи пара в турбину производятся и все отключения генератора при оперативных плановых остановах блока [1].
    Значение обратной мощности определяется потерями турбоагрегата в двигательном режиме и по данным многочисленных экспериментов [2, 3] для выбора чувствительности РОМ может быть принята равной 2-3% номинальной активной мощности Рн. Это, в свою очередь, диктует требование к максимальному порогу срабатывания РОМ — 1-2% Рн.
  2. По терминологии ОРГРЭС “грубая ступень защиты обратной мощности” предназначена для действия в случае несанкционированной подачи напряжения на стоящий или находящийся в режиме выбега турбогенератор. Она действует с выдержкой времени на отключение ближайшего к генератору выключателя и при необходимости на схему УРОВ. Этим предотвращается возможное повреждение турбогенератора, которое может сопровождаться выбросом водорода и пожаром в машинном зале (Самовичев В. Г., Титовец В. В., доклад на XIV научно-технической конференции “Релейная защита и автоматика энергосистем 2000”, Москва). По данным ОРГРЭС уставки срабатывания этой ступени защиты обратной мощности могут составлять 2,5 — 10% Рн.

Для РОМ, предназначенных для защиты турбоагрегата при переходе генератора в двигательный режим и обладающих высокой чувствительностью к обратной мощности, актуальным является рассмотрение требований к метрологическим характеристикам трансформаторов тока и напряжения генераторов, к которым подключаются входные цепи переменного тока и напряжения РОМ.
Реле обратной мощности работают в широком диапазоне изменения реактивной мощности индуктивного и емкостного квадрантов, что при высокой чувствительности РОМ означает малые углы отклонения от 90-градусного сдвига между током и напряжением генератора, соизмеримые с угловыми погрешностями трансформаторов тока и напряжения генератора. Так, отклонение от 90градусного сдвига при срабатывании фср и диапазон изменения реактивной мощности Q составляют: для РОМ MWTU 14 [4] фср = ± 30′ и Q = ± 100% номинальной активной мощности генератора Рн (при пороге чувствительности к обратной активной мощности Рср=1,0%Рн); для РОМ НПП “Экра“ [5] фср = ± 60′ и Q =114% Рн (при Рср = 2,0%РН), для РОМ Е734 [6] фср = 56′ и Q = 80%РН индуктивного квадранта (при Рср = 1,3%РН), в емкостном квадранте Q 0 и активная мощность на входе РОМ будет равна нулю.
Для Q, заданной в процентах Рн, суммарная угловая погрешность ТТ и ТН приведет к образованию на входе РОМ активной мощности Р2г

знак которой определяется знаком угловых погрешностей.
В табл. 1 приведены метрологические характеристики ТН и вторичных обмоток ТТ, предназначенных для измерения, на основе данных [7, 8].
По приведенной формуле на основании метрологических характеристик ТТ и ТН (данные табл. 1) для различных значений Q и классов точности ТТ и ТН 0,2, 0,5 и 1,0 рассчитаны значения Р2г (табл. 2).

Коэффициент мощности генератора принят равным 0,85, в этом случае номинальной активной мощности соответствует ток I1, равный 85% I1н.

Первичный ток, % I1н

Класс
точности
ТН

Предел допустимой угловой погрешности, мин

При расчете для каждого значения Q (I1) определяется сумма пределов допустимых угловых погрешностей. При этом угловые погрешности ТТ для токов I1, отличных от указанных в табл. 1, находятся методом интерполяции, основываясь на указании [7]: “Погрешности не должны выходить за пределы ломаных линий, состоящих из отрезков, проведенных через точки допустимых погрешностей”.
Для анализа влияния угловых погрешностей ТТ и ТН генератора на правильность работы РОМ используем графические зависимости Р2г = f(Q) для различных сочетаний классов точности ТТ и ТН, полученные на основании данных табл. 2, и графические зависимости Рср = f (Q) для упомянутых типов РОМ в номинальных условиях (по данным техдокументации на эти РОМ).
Для случая образования за счет угловых погрешностей ТТ и ТН на входе РОМ обратной мощности Р2г в индуктивном квадранте эти зависимости изображены на рис. 1. При другом знаке угловых погрешностей эти зависимости соответствуют емкостному квадранту.
Критерием правильной работы РОМ, т.е. отстройки от ложного срабатывания, является выполнение условия Рср > Р2г во всем рабочем диапазоне изменения Q (0 — 100%PH для РОМ MWTU 14 и НПП “Экра”[4, 5] и 0 — 80%PH для РОМ Е734 [6]).
Из приведенных зависимостей видно, что это условие не выполняется для всех РОМ при классе точности ТТ 1,0 и любом классе точности ТН. Для ТТ и ТН класса точности 0,5 это условие не выполняется для РОМ MWTU 14 [4] при Q > 20%PH, для РОМ НПП “Экра” и Е734 [5, 6] Р2г и Рср близки друг другу при Q > 60%PH. Для ТТ и ТН класса точности 0,2 это условие выполняется для всех РОМ во всем рабочем диапазоне изменения Q. Поскольку РОМ MWTU 14 [4] реагирует на активную составляющую тока, а не на активную мощность, характеристика срабатывания при понижении напряжения генератора до допустимого уровня 0,8 U1H смещается на 20% в сторону повышения чувствительности. Как видно из рис. 1, и при этом условие Рср > Р2г выполняется.
Для случая образования за счет угловых погрешностей ТТ и ТН на входе РОМ активной мощности Р2г, направленной в сеть в индуктивном квадранте, зависимости Р2г = f(Q) и Рср = f(Q) изображены на рис. 2. При другом знаке угловых погрешностей эти зависимости соответствуют емкостному квадранту.
Критерием правильной работы РОМ, т.е. срабатывания при наличии на генераторе Робр = = 2 -г 3% Рн, является выполнение условия Робр — Р2г > Рср во всем рабочем диапазоне изменения Q.

Читайте также:  Светодиодные лампы для школы мощность

Таблица 2

Из приведенных зависимостей видно, что при обратной мощности генератора Ро6р = 2%PH правильная работа всех типов РОМ, в том числе РОМ MWTU 14 [4], и при напряжении генератора, равном 1,2 U1H, во всем рабочем диапазоне изменения Q обеспечивается только для ТТ и ТН генератора класса точности 0,2. При Робр = 3%PH правильная работа всех типов РОМ обеспечивается для ТТ и ТН класса точности 0,5 и выше.

Рис. 1. График зависимости Р2г = f(Q) (сплошные линии) и Рср = f (Q) (пунктирные линии) при образовании на входе РОМ за счет угловых погрешностей ТТ и ТН обратной мощности:
1 — ТТ и ТН класса точности 0,2; 2 — ТТ и ТН класса точности 0,5; 3 — ТТ класса точности 1,0, ТН класса точности 0,2; 4 — ТТ и ТН класса точности 1,0; 5 -РОМ MWTU 14 (U1 = 0,8U1н); 6 — РОМ MWTU 14 (U = U1h); 7 — РОМ ΗПП “Экра”; 8 — РОМ Е734

Рис. 2. График зависимости Р2г = f (Q) (сплошные линии) и Рер = f (Q) (пунктирные линии) при образовании на входе РОМ за счет угловых погрешностей ТТ и ТН активной мощности, направленной в сеть:
1 — ТТ и ТН класса точности 0,2; 2 — ТТ и ТН класса точности 0,5. 3 — ТТ класса точности 1,0, ТН класса точности 0,2; 4 — ТТ и ТН класса точности 1,0; 5 — РОМ MWTU 14 (U1 = 1,2 U1н); 6 — РОМ MWTU 14 (U1 = U1н); 7 — РОМ НПП “Экра”; 8 — РОМ Е734

При этом значение максимальной реактивной мощности для РОМ НПП “Экра” [5] должно быть ограничено величиной 80% Рн (как и в документации на РОМ Е734).
Трансформаторы ТТ и ТН класса точности 0,2 установлены, например, на турбогенераторах Псковской ГРЭС и Северо-Западной ТЭЦ (ТШ 20-0,2/10Р и 3НОЛ-0,2, изготовитель Свердловский завод трансформаторов тока — ОАО СЗТТ).
При отсутствии ТТ и ТН класса точности 0,2 (0,5) исключить влияние угловых погрешностей ТТ и ТН генератора на работу РОМ можно путем принудительного регулирования Q в сторону уменьшения после закрытия стопорных клапанов турбины, воздействуя на систему возбуждения генератора через контакты реле реактивной мощности (РРМ) индуктивного или емкостного квадранта, входящих в этом случае в состав РОМ. Такие реле были разработаны и успешно проходили натурные испытания: РОМ-М (ОРГРЭС), Е730 (ВНИИЭП, г. Санкт-Петербург, по заданию ОРГРЭС).
Главным недостатком этих РОМ, помимо усложнения за счет наличия РРМ, является наличие связи с системой возбуждения генератора, что снижает надежность его работы.

Выводы

1. Правильная работа реле обратной мощности (РОМ) высокой чувствительности, предназначенных для защиты генератора при переходе в двигательный режим, может быть обеспечена только при подключении РОМ к ТТ и ТН генератора класса точности 0,2.

Читайте также:  Если уменьшается коэффициент использования производственной мощности то

2. Приведенные в документации на РОМ требования к ТТ и ТН генератора, к которым подключается РОМ, а именно, ТТ класса точности 1,0 для реле MWTU 14 [4], ТТ и ТН для защиты НПП “Экра” [5] и даже ТТ и ТН класса точности 0,5 для реле Е734 [6], не исключают возможности неправильной работы РОМ в широком диапазоне изменения реактивной мощности в индуктивном и емкостном квадрантах.

Список литературы

  1. Вавин В. Н. Релейная защита блоков турбогенератор — трансформатор. М.: Энергоиздат, 1982.
  2. Машенков В. М.Исследование и разработка устройств для определения направления активной мощности. Дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. Л.: ВНИИЭлектромаш, 1971.
  3. Батанов В. А. Измерительный прибор малой активной мощности синхронных генераторов. — Электрические станции, 2001,№ 1.
  4. Реле обратной мощности MWTU 14. Публикация R6122F. Представительство компании GEC ALSTOM. М., 1997.
  5. Защита обратной мощности. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЭКРА. 6561116.013-01 ТО1. Чебоксары, НПП “Экра”, 2001.
  6. Реле обратной мощности Е734. Картотека новых приборов. — Приборы и системы управления, 1969, № 5.
  7. ГОСТ 7746-89. Трансформаторы тока. Общие технические условия.
  8. ГОСТ 1983-89. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия.

Источник



Цели и способы защиты генераторов от обратной мощности и обратного тока

Условия устойчивой параллельной работы генераторов.

Включение на параллельную работу синхронных генераторов может осуществляться тремя методами: точной синхронизации, грубой синхронизации и самосинхронизации. При параллельной работе синхронных генераторов действуют моменты, благодаря которым без внешнего вмешательства обеспечивается устойчивая параллельная работа синхронных генераторов с точным равенством их скоростей вращения синхронной скорости. Этими моментами (для явнополюсной машины) являются: синхронизирующий момент, реактивный момент и асинхронный момент.

Это же можно объяснить несколько иначе, а именно следующим образом. Для обеспечения равномерного распределения нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами, без подрегулировки, необходимо полное соответствие как внешних характеристик генераторов для обеспечения равномерного распределения реактивной нагрузки между генераторами, так и соответствие скоростных характеристик первичных двигателей для обеспечения равномерного распределения активной мощности между генераторами и, соответственно, равномерной загрузки первичных двигателей.

1. Целью защиты является защита генераторов от работы в режиме электродвигателя. Такой режим возможен в случае резкого снижения оборотов одним из параллельно работающих генераторных агрегатов или при неправильном включении генератора в судовую сеть

2. Защита осуществляется у генераторов постоянного тока при помощи реле обратного тока, а у генераторов переменного тока—при помощи реле обратной мощности или при помощи реле обратного активного тока, которые применяются в современных схемах электрических станций.

3. Реле обратного тока и обратной мощности—это электромеханические двухкатушечные реле, имеющие катушки токовую и напряжения. Реле обратного активного тока—это электронное реле. Указанные реле устанавливаются в генераторных панелях главного распределительного щита.

4. При нормальной работе генератора магнитные потоки, создаваемые катушками токовой и напряжения, уравновешены. Реле находится в состоянии покоя. При возникновении ненормального режима работы генератора (генератор начинает потреблять энергию из сети) магнитные потоки от катушек разбалансируются и якорь реле начинает поворачиваться. При этом нормально открытые контакты замыкаются, а нормально закрытые размыкаются и разрывают цепь катушки нулевого напряжения автомата генератора. Генератор отключается от сети, а закрывшиеся нормально открытые контакты реле подают питание на звуковой и световой сигналы «Обратная мощность» на панели указанного генератора.

5. Избежать работы генератора в режиме электродвигателя можно, поддерживая регулятор числа оборотов первичного двигателя генератора и автоматический регулятор напряжения генератора в исправном состоянии, а также установкой реле обратной мощности, реле обратного тока, реле обратного активного тока и точной синхронизацией вводимых в параллель генераторов.

Источник

Направленная токовая защита

Необходимость применения направленных токовых защит возникает в сетях с двухсторонним питанием линий. Применение простых токовых защит в этом случае не может обеспечить правильной работы устройств РЗА, так как токи КЗ (короткого замыкания) могут иметь различное направление относительно шин подстанций.

Направленная защита

Обратимся к рисунку: при повреждении в точке К1 ток КЗ будет протекать с шин ПС/2 и ПС/3 в точку замыкания.

При этом, защиты 4 и 5 должны своевременно отключить Л-2. Однако на шинах этих же подстанций расположены защиты 3 и 6, которые не должны действовать, так как это приведет к излишнему отключению Л1 и Л3.

Избирательную работу защит в этом случае обеспечивает орган направления мощности, который сравнивает фазу напряжения и тока КЗ Направление тока от шин в линию считается условно положительным, в этом случае реле мощности разрешает отключать контролируемый участок.

Направление из линии в шины считается условно отрицательным, происходит пуск защит, но команда не реализуется, поскольку реле мощности не работает на отключение.

Так как направленная защита должна реагировать не только на величину, но и на направление тока КЗ, применяют реле мощности включаемое по приведенной ниже схеме.

Токовое реле Т (типа РТ) реагирует на возрастание тока в сети. Реле мощности М является органом контролирующим направление мощности при КЗ в сети. Момент срабатывания реле мощности напрямую зависит от мощности Sp, подведенной к зажимам реле:

Читайте также:  Инвестиционный бюджет производственных мощностей предприятия

Sp=UpIpsin(α–φp); (1)

где Up – вторичный сигнал ТН, пропорциональный величине первичного напряжения сети в момент КЗ. Отражает не только величину, но и фазу напряжения; Ip – вторичный сигнал ТТ, пропорционален току и фазе тока КЗ. α — угол внутреннего сдвига реле. Зависит от схемы подключения реле на фазные токи и напряжения контролируемой сети; φp – сдвиг фаз между током и напряжением на зажимах реле.

При коротком замыкании на защищаемой линии токовое реле и реле направления мощности замыкают свои контакты, подают сигнал на реле времени. Через заданную выдержку времени, если контакты Т или М не вернулись в исходное состояние, защита подает импульс на катушку отключения выключателя.

При КЗ в точке К1 реле мощности направленной защиты 3 (см. рис.) не замкнет свои контакты, и защита не отработает.

В нормальном режиме работы сети, когда мощность течет от шин в линию, реле мощности может замыкать свои контакты. В этом случае не работает токовое реле, ток срабатывания которого отстраивается от максимальных рабочих токов.

Если по условиям селективности не удается отстроиться от рабочих токов, в схему включается реле минимального напряжения.

Из выражения (1) следует, что срабатывание реле мощности напрямую зависит от напряжения в момент КЗ Up и сдвига фаз (α–φp). При КЗ вблизи шин падение напряжения может быть таким, что величины Up не хватит для срабатывания реле.

Поэтому, при проектировании направленных защит определяют схему подключения реле мощности, при которой напряжение и разность фаз были бы максимальными для любого вида повреждения.

Наиболее распространенной является “90-градусная” схема включения. При такой схеме на каждый элемент реле мощности подаются следующие сочетания токов и напряжений: 1э–Ia и Ubc, 2э–Ib и Uca, 3э–Ic и Uab.

На рисунке приведена векторная диаграмма токов и напряжений на зажимах реле, и линии моментов, реле направления мощности для Ia+Ubc:

Мвр=kUpIp*sin(α–φp).

Вектор тока Ia может совпадать с вектором напряжения Ubc при чисто реактивном сопротивлении линии, тогда ток принимает значение I’a (см. рис).

При чисто активном сопротивлении линии вектор тока Ia отстает от вектора напряжения на 90° (на рис. I’’a). Угол сдвига между Ubc и Ia равен φр=–(90-φк)°, а его предельные значения колеблются в зависимости от φк от 0° до 90°.

Прямая N1N2 — это линия изменения знака момента реле, а М1М2 линия максимального момента реле. Изменение величины φр в пределах от 0 до 90 ведет к срабатыванию реле, так как момент находится в области положительных значений (синее поле).

При отклонении φр за пределы 0 и 90, момент меняет свое значение на отрицательное и срабатывания не происходит.

Выбор уставок направленной защиты аналогичен выбору уставок для МТЗ и ТО. Таким образом, первое условие – это величина тока срабатывания Iсз должна быть отстроена от токов самозапуска двигателей в первый момент после отключения поврежденного участка:

Iсз>(kзkнIн.макс)/kвоз;

Расчет коэффициентов и допущения в данном выражении полностью совпадают с расчетом Iсз для максимальных токовых защит.

Второе условие – это расчет токов в неповрежденных фазах при замыкании на землю. Дело в том, что токовые защиты не должны действовать при однофазных замыканиях на землю, для этого предусмотрены специальные защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности.

При повреждении одной фазы в симметричной трехфазной сети, токи в неповрежденных фазах возрастают на некоторое расчетное значение. Это обусловлено тем, что ток замыкания на землю, притекает к нейтрали питающего трансформатора по земле, распределяется по трем фазам и возвращается к месту КЗ.

Иначе говоря, появляются токи подпитывающие место КЗ. В неповрежденных фазах ток нагрузки также увеличивается на расчетный коэффициент k, зависящий от места повреждения и количества заземленных нейтралей.

Таким образом, второе условие выглядит так:

где – коэффициент надежности 1,15–1,3; Iнф – ток в неповрежденной фазе. Расчетное значение.

В итоге, Icз принимается равным, большему из двух полученных значений.

Для обеспечения селективности, защит действующих в одном направлении, токи срабатывания должны нарастать при обходе защит против их направленности.

Время срабатывания направленных токовых защит

Время их срабатывания в разветвленных сетях выбирается по ступенчатому принципу для устройств, работающих в одном направлении, как показано на рисунке.

К основным недостаткам данных защит можно отнести:

1. Большие выдержки времени вблизи источников питания; 2. Сложность согласования защиты в сетях с большими нагрузками и небольшими по кратности токами КЗ; 3. Наличие мертвой зоны при трехфазных замыканиях; 4. Необходимость постоянного контроля цепей напряжения питающих реле мощности.

В основном, направленные защиты применяются в качестве основной в сетях до 35 кВ. В сетях 110–220 кВ применяется в качестве резервной, иногда в сочетании с токовой отсечкой применяется как основная защита.

Источник