Защита блоков генератов-трансформатов от однофазных замыканий на землю в цепях статора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Шахова, Мария Алексеевна

• Шахова, Мария Алексеевна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шахова, Мария Алексеевна

оглавление

введение

1. работа генератора в электроустановках

1.1. Воздействия на изоляцию при работе генератора

1.2. Особенности схем включения генератора

1.3. Электрические величины, контролируемые при однофазных замыканиях на землю

1.4. Алгоритмы выявления однофазных замыканий на землю

1.4.1. Контроль напряжения нулевой последовательности

1.4.2. Контроль сигналов третьей гармоники

1.4.3. Применение методов наложения

1.5. Контроль сопротивления изоляции генераторов с непосредственным водяным охлаждением

1.6. Требования к защите от замыканий на землю

Выводы

2. разработка и исследование новых методов и алгоритмов контроля сопротивления изоляции

2.1. Метод контроля изоляции на основе трехключевого

коммутатора

2.3. Метод контроля изоляции на основе шестиключевого

коммутатора

Выводы

3. математическое и физическое моделирование стационарных и переходных процессов в системе контроля сопротивления изоляции и защиты от однофазных замыканий на

землю

3.1. Общие положения

3.2. Математическое моделирование стационарных процессов

3.2.1. Схема замещения сети генераторного напряжения

3.2.2. Моделирование стационарных процессов

3.3. Математическое моделирование переходных процессов

3.4. Физическое моделирование системы контроля сопротивления изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю

3.4.1. Физическая модель блока генератор-трансформатор и системы контроля и защиты

3.4.2. Физическое моделирование процессов

Выводы

4. разработка схем и лабораторных макетов системы контроля сопротивления изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю

4.1. Введение

4.2. Разработка алгоритма и структурной схемы системы контроля и защиты на основе трехключевого коммутатора

4.3. Разработка алгоритма и структурной схемы системы контроля и защиты на основе шестиключевого коммутатора

4.4. Разработка лабораторного образца системы контроля

изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю

к первичным цепям

4.6. Натурные испытания системы контроля сопротивления

изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Защита блоков генератов-трансформатов от однофазных замыканий на землю в цепях статора»

введение

(

Значительный рост производства электрической энергии стал возможным благодаря освоению и широкому внедрению в эксплуатацию мощных генераторов. Большая часть таких генераторов работает по схеме блока с трансформатором. Надежность работы такого блока определяет надежность работы энергосистемы в целом.

Генераторы чаще всего повреждаются из-за нарушения изоляции обмоток относительно земли. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации изоляция подвергается различным воздействиям, приводящим к ее необратимому ухудшению. Разрушающее воздействие оказывают тепловые, электрические и механические процессы, а так же окружающая среда. Ухудшение изоляции генератора является предвестником возникновения повреждений, в том числе, однофазных замыканий на землю, которые могут привести к катастрофическим последствиям с большим экономическим и экологическим ущербом (особенно в случае повреждения генератора на атомных станциях). Обычно электрическому пробою предшествует длительный процесс старения изоляции и только в завершающей стадии пробой развивается сравнительно быстро. Таким образом, непрерывный контроль состояния изоляции практически исключает возможность внезапного повреждения изоляции из-за ее износа и обеспечивает возможность предотвращения развития более тяжелых аварий. Поэтому разработка защиты от однофазных замыканий на землю, включающая в себя функцию контроля состояния изоляции, весьма актуальна.

Известно много способов построения защит, контролирующих сопротивление изоляции. Но все они имеют определенные недостатки. Так для защиты, реагирующей на напряжение нулевой последовательности, характерна зона нечувствительности, расположенная вблизи нейтрали. Также к числу недостатков известных методов можно отнести необходимость применения специального источника питания, который приводит к дополнительному подмагничиванию сердечников измерительных трансформаторов напряжения, недостаточная точность и чувствительность, слабый контролируемый сигнал. Видно, что задача защиты блока и контроля изоляции решена не полностью.

Использование новых алгоритмов контроля изоляции блока генератор-трансформатор позволяет существенно расширить функциональные возможности средств защиты сети от однофазных замыканий на землю и повысить надежность работы энергетической системы в целом.

Теоретические и практические разработки в данном направлении проводятся коллективами ведущих в области релейной защиты научных школ России и ближнего зарубежья: Московском энергетическом институте (техническом университете), ЮжноРоссийском государственном техническом университете, Чувашском государственном техническом университете, Белорусской государственной политехнической академии, Южно-Уральском государственном университете, Рижском политехническом институте, Ростовском государственном университете путей сообщений, Ивановском энергетическом университете, Вологодском

политехническом институте (техническом университете) и ряде других вузов и научно-исследовательских организаций (ВНИИР ВНИИЭ, ВНИИ Электромашиностроения, и др.).

Целью работы являлось создание улучшенной системы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю блоков генератор-трансформатор, зона действия которой охватывает всю цепь генераторного напряжения, осуществляющей непрерывный контроль сопротивления изоляции, обладающей повышенной чувствительностью, селективностью и расширенными функциональными возможностями, в первую очередь в части определения места повреждения.

Для осуществления этой цели в диссертации решены следующие задачи:

1) разработка новых методов и алгоритмов "системы контроля изоляции и защиты блока от однофазных замыканий на землю, обладающих свойствами предупредительного действия и возможностями определения места повреждения;

2) исследование поведения системы в стационарных и переходных режимах с помощью математического и физйческого моделирования;

3) разработка лабораторного образца устройства и проведение его натурных испытаний.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу проблемы, существующим способам ее решения и формулированию требований к современным устройствам релейной защиты.

Во второй главе рассмотрены методы построения защит блоков генератор-трансформатор от однофазных замыканий на землю,

обладающих свойствами предупредительного действия и предназначенных для работы в составе АСУ. Предложенные методы обладают возможностью непрерывного контроля изменения сопротивления изоляции в нормальных режимах работы цепей статора генератора и определения места возникновения повреждения изоляции в аварийных ситуациях.

В третьей главе с целью проверки теоретических положений работы проводится математическое и физическое моделирование системы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю. Исследуется работа системы в стационарных и переходных режимах.

В четвертой главе описаны алгоритмы и структурные схемы устройств, реализующих новые методы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю. Приводятся результаты расчета основных элементов схем. Представлены результаты разработки лабораторного образца системы контроля и защиты и его натурных испытаний.

1. РАБОТА ГЕНЕРАТОРА В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

I

1.1. Воздействия на изоляцию при работе генератора

Надежность снабжения потребителей электрической энергией и безопасность эксплуатации электрооборудования являются основными требованиями, предъявляемыми к электротехническим установкам всех отраслей промышленности [1].

Условия безопасности эксплуатации применительно к генератору, как основному элементу энергосистемы, тесно связаны с состоянием его изоляции, так как повреждение изоляции является одной из наиболее частых причин повреждения генератора. Объясняется это спецификой условий работы изоляции и недостаточностью средств определения состояния изоляции, особенно средств своевременного выявления развивающихся дефектов [2, 3]. Надежность работы энергосистемы определяется, в первую очередь, бесперебойностью энергоснабжения. Дефекты изоляции нарушают бесперебойную работу генератора и снижают надежность работы энергосистемы в целом. Таким образом, во всех случаях, как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения надежности, необходимо поддерживать изоляцию генератора на высоком уровне. Очевидно, что это требование не может быть выполнено без систематического контроля за состоянием изоляции. Непрерывный контроль изоляции является наиболее важным средством повышения надежности и уровня обеспечения электробезопасности при эксплуатации генератора [4]. При

непрерывном контроле состояние изоляции генератора фиксируется в течение всего срока службы и поэтому представляется возможным отыскать и устранить место повреждения изоляции, прежде чем ее сопротивление снизится до аварийной величины. Таким образом, совершенствование методов выявления нарушений изоляции -важное средство повышения надежности работы блока генератор-трансформатор.

Во время эксплуатации изоляция генератора подвергается различным воздействиям, под влиянием которых происходит ее старение, т.е. необратимое ухудшение ее свойств. Для изоляции генератора при этом характерным является образование местных дефектов, т.е. существенное ухудшение ее электрических свойств на отдельных участках.

При оценке состояния изоляции должны учитываться тепловые, электрические воздействия на изоляцию, воздействия окружающей среды и механические [3]. Во время работы* генератора его изоляция испытывает эти воздействия одновременно; при этом возможно взаимодействие, т.е.' одновременно приложенные воздействия могут вызвать старение изоляции с иной скоростью, чем приложенные поочередно. Каждый из видов воздействия может оказаться в определенных условиях основным, определяющим процесс старения изоляции или ее части. В этом случае данному виду воздействия будет соответствовать определенный характер старения изоляции и вызываемые этим старением дефекты.

Наиболее универсальным методом выявления повреждений изоляции в условиях эксплуатации является контроль сопротивления

изоляции [5, 6]. Поскольку сопротивление изоляции зависит от ее размеров, изоляционных свойств материалов, мощности машины и многих других факторов, затрудняющих точный расчет, то по одному измеренному значению трудно судить о состоянии изоляции в целом. Поэтому для оценки состояния изоляции необходимо проводить сравнение полученных значений с предыдущими результатами. Снижение сопротивления свидетельствует об ухудшении общего ее состояния или появления каких-то дефектов. В процессе эксплуатации сопротивление изоляции периодически измеряется мегаомметром, но в промежутках между замерами оно может значительно изменяться. При наличии постоянного контроля можно с большей достоверностью судить о состоянии изоляции. Непрерывный контроль сопротивления изоляции может быть совмещен с защитой от замыканий на землю и осуществляться одним устройством.

Методы контроля существенно зависят от схемы подключения генератора к энергосистеме.

1.2. Особенности схем включения генератора

Синхронные генераторы могут работать непосредственно на шины генераторного напряжения, в блоках с трансформаторами, в блоках с трансформаторами и с ответвлениями, питающими потребителей на генераторном напряжении, например, собственные нужды или местную нагрузку и по некоторым другим главным схемам электрических соединений станций (рис. 1.1).

На всех энергоблоках на стороне генераторного напряжения,

*

как правило, имеются ответвления для питания собственных нужд блока через реактор или через рабочий трансформатор собственных нужд, подключаемые к блоку без выключателя.

При наличии генераторного выключателя ответвление подключается между этим выключателем и трансформатором блока.

Ответвление выполняется, так же как и вся ошиновка на генераторном напряжении, пофазно-экранированным токопроводом. Отсутствие выключателя в ответвлении вполне допустимо из-за малой повреждаемости реакторов и трансформаторов собственных нужд.

Рис. 1.1.

В процессе эксплуатации генератора возможны опасные повреждения обмотки статора и цепей возбуждения, а также ненормальные режимы работы. Несвоевременное отключение

повреждений в генераторе может нарушить бесперебойную работу

1

всей электрической системы.

К электрическим повреждениям, учитываемым при выполнении защиты синхронных генераторов, относятся многофазные и однофазные замыкания в обмотке статора и замыкания на землю в цепях возбуждения. Однофазные замыкания в обмотке статора возможны двух видов: между витками одной фазы и на землю - заземленный корпус статора. Необходимо учитывать, что в общем случае (в особенности у современных мощных генераторов с непосредственным охлаждением проводников обмоток) возможно возникновение повреждений в любой части обмоток, а также то, что один вид повреждения, например, однофазное замыкание на землю, может перейти в другой, например, в витковое КЗ, прежде чем возникшая авария окажется ликвидированной..

Однофазные замыкания на землю (033) являются одним из основных видов повреждений в блоках. Они* составляют до 40 % всех повреждений генераторов (см. Приложение 2).

Защиты от 033 выполняются по-разному для генераторов, работающих в блоке с трансформатором, и для генераторов, работающих непосредственно на шины генераторного напряжения. Защиты от 033 блочных генераторов часто можно осуществлять более простыми и технически совершенными. Для этого используется, например, напряжение нулевой последовательности и о в системе генераторного напряжения. Это напряжение появляется только при замыканиях на землю в этой системе, так как в схеме замещения нулевой последовательности генератор отделен от

остальной электрической системы своим трансформатором и

, 1

указанное и0 при повреждениях за трансформатором блока очень

мало. Для действия защит генераторов, работающих на шины, нельзя использовать напряжение^, так как практически одинаковые и0 могут появляться при 033 в любой точке системы генераторного напряжения (например, защищаемом генераторе, в сети или в других генераторах). Поэтому в последнем случае часто приходится ориентироваться на токи 10 на выводах генератора, которые при повреждении в нем оказываются большими, чем при повреждении в элементах системы. Однако такие защитные устройства получаются менее совершенными. Их применение оказывается возможным на машинах небольшой и средней мощности (<100 МВт), когда емкостные токи 10 генератора значительно меньше токов 10 остальной части сети [7].

Учитывая, что на электрических станциях, наиболее распространены блоки генератор-трансформатор с выключателем или без него в цепи генератора, то в дальнейшем ограничимся рассмотрением именно таких блоков.

1.3. Электрические величины, контролируемые при однофазных замыканиях на землю

Покажем соотношения электрических величин при ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью (рис. 1.2). Фазы сети имеют между собой и по отношению к земле равномерно распределенные емкости,

которые могут быть заменены сосредоточенными СМФ и С0. Емкости каждой фазы С0 могут быть приняты одинаковыми. То же имеет место и для СМФ [8].

Под действием э.д.с. Ёф в фазах линии проходят симметричные емкостные токи, опережающие соответствующие э.д.с. на 90°. Сумма их равна нулю. Ввиду сравнительно малого значения емкостных токов можно пренебречь падением напряжения от них в сети. Поэтому фазное напряжение йф-Ёф. Напряжение нейтрали относительно земли ин с учетом полной симметрии схемы будет таким же, как и потенциал нулевой точки трех емкостей С0, т.е. равным потенциалу земли (ин=0). В случае металлического замыкания К(3Ц в точке К напряжение фазы А равно нулю (иЩ =0).

Пренебрегая падением напряжения от емкостных токов, можно считать, что напряжение замкнувшейся фазы в любой точке сети также равно нулю иЩ = 0. Нейтраль * системы получает по отношению к земле смещение

Напряжение неповрежденных фаз В и С оказываются теперь равными:

й(зв =ЁВ+ ¿ш =ЁВ-ЁА;

=Ёс+и(311>=Ёс-ЁА,

т.е. возрастают в л/з раз. Появляется напряжение нулевой последовательности

т(1)

равное напряжению смещения и(3Ц нейтрали. Поскольку напряжение фаз и иЦ* оказываются во всех точках

сети практически одинаковыми, распределенные емкости фаз по отношению к земле могут быть заменены сосредоточенными емкостями, как это и показано на рис. 1.2.

Ток в месте повреждения определяется разностью потенциалов в контуре земля-емкость-точка повреждения

г(1) _

за

= 31 п =

Цо-йЦ*)

ЗЕ,

-]

1

О)С0 СдСд

(учитывается, что 10 направлен от места с более высоким потенциалом (земли) к месту повреждения К) цли окончательно

1(за =31<ос0ё а-

Таким образом, токи и 10 опережают ЁА на 90° и отстают от на тот же угрл (рис. 1.3).

'МФ

«а

ЕД

Ч2>

т,

и111

иэв

Рис. 1.2.

Рис. 1.3.

Выше рассматривались металлические ОЗЗ. Практически же они происходят через переходные активные сопротивления гп . При

наличии гп напряжения и^ = имеют меньшие значения.

1.4. Алгоритмы выявления однофазных замыканий на

землю

1.4.1. Контроль напряжения нулевой последовательности

Для блоков генератор-трансформатор широкое распространение получила защита, использующая напряжение нулевой последовательности [8 - 10]. Оно появляется в сети генераторного напряжения только при замыканиях на землю, так как в схеме замещения нулевой последовательности генератор отделен от остальной электрической системы своим трансформатором и указанное и0 при повреждениях за трансформатором блока очень мало.

Измерительный трансформатор напряжения, являющийся фильтром напряжения нулевой последовательности, устанавливается на выводах генератора или в его нейтрали.

Т

л; - ту

©

ш

Рис. 1.4.

Защита по 311о должна быть отстроена от напряжения небаланса на выходе фильтра. Это напряжение определяется третьими гармониками нулевой последовательности в э.д.с. генератора

В случае внешних коротких замыканий (замыканий на землю за трансформатором, связывающим генератор с остальной частью системы) напряжение иР на зажимах реле несколько повышается, но незначительно, так как электрическая связь с местом повреждения, определяемая небольшой емкостью Стмо между обмотками трансформатора блока, слаба. Защита должна быть отстроена от этих напряжений и не действует. При замыкании на землю в обмотке статора на расстоянии доли витков а от нейтрали появляется напряжение нулевой последовательности и0=айф (при переходном

сопротивлении гп =0) и к реле подводится (пренебрегая

*

напряжениями гармоник) его утроенное вторичное значение

иР =3аиф.

Если йР > и с.р. > защита действует на сигнал. Для повышения надежности предусматривается выдержка времени, как отстройка от переходных процессов при внешних повреждениях.

Данная защита проста и достаточно селективна, но обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, защита имеет зону нечувствительности, расположенную у нейтрали обмотки. Как правило, защищается около 85 - 95 % витков обмотки статора. Во-вторых, защита не выявляет место повреждения.

Не смотря на недостатки, защита по напряжению нулевой последовательности широко применяется на блоках. В силу следующих обстоятельств для мощных генераторов считается целесообразным защищать 100% витков обмотки статора:

1) в связи с увеличением единичной мощности и использованием воды для охлаждения обмоток значительно увеличивается вероятность повреждения изоляции в районе нейтрали;

2) в большинстве случаев повреждения обмоток статора начинаются или сопровождаются замыканиями на землю, поэтому своевременное из выявление может предотвратить более тяжелые замыкания;

3) при наличии не выявленного замыкания в районе нейтрали представляет опасность замыкание в другой точке, которое может вызвать появление токов, опасных для генератора;

4) у мощных генераторов с водяным охлаждением, имеющих большие емкости цепи генераторного напряжения относительно земли, токи замыкания на землю составляют более 10 А. Эти токи могут вызвать не только разрушение изоляции, но и повреждения стали статора;

5) велика стоимость ремонта мощной машины, и, кроме того, велик ее удельный вес в системе, поэтому выход из строя такой машины наносит значительный ущерб.

Для этого данную защиту сочетают с другими специальными защитами, использующими для работы, например, искусственное смещение напряжения нейтрали генератора, наложенные токи или гармоники нулевой последовательности.

1.4.2. Контроль сигналов третьей гармоники

Третьи гармоники нулевой последовательности (Ё3у) в э.д.с.

существуют при нормальной работе генератора, они определяются несинусоидальностью индукции в зазоре. От их вредного воздействия приходится отстраивать такие защиты, как поперечные дифференциальные токовые и отмеченные выше защиты напряжения нулевой последовательности, реагирующие на основную (рабочую) гармонику. Однако третьи гармоники нулевой последовательности

можно использовать для выполнения специальных защит от

однофазных замыканий на землю - К(31}, возникающих вблизи

нейтрали обмотки статора. Примем, что емкости фаз обмотки по отношению к земле распределены равномерно, а э.д.с. третьей гармоники нарастает (грубо приближенно) пропорционально числу витков обмотки. При допущении, что проводимости по отношению к земле со стороны генераторного напряжения блока в основном определяются емкостями фаз обмотки статора (нет дугогасящего реактора, проводимости обмотки генераторного напряжения трансформатора и измерительных ТН малы), получаем расчетную схему замещения (рис. 1.5).

К трансформатору

Рис. 1.5

Из нее следует, что при нормальной работе Е3у определяет напряжения в нейтрали генератора изн и на зажимах изв, равные по абсолютному значению 0.5 Ё3^ и противоположные по знаку. При

возникновении К(31} в нейтрали йзн=0, а йзв возрастает в 2 раза и

становится равным E3j. В общем случае при учете всех

i

проводимостей следует говорить лишь об изменении значения U3B при К(31} у нейтрали по сравнению с его значением при отсутствии

этого замыкания. Непосредственно использовать указанное изменение для построения защиты невозможно не только потому, что напряжения U3 малы (иногда <1% UРАБ), но главным образом в связи с тем, что они изменяются в зависимости от cosg> и значения

нагрузки генератора; в результате этого при К(31} у нейтрали напряжение U3B может быть того же порядка, что и при нормальной работе в других режимах нагрузки. Защиты, использующие Е3, принципиально не могут применяться при К(31} в качестве единственных. Например, в средней части обмотки и3 может бьггь близко к нулю и при возникновении здесь К(3!) напряжения U3B и U3H остаются неизменными.

Известны различные способы выполнения устройств, реализующих описанные алгоритмы. Все эти устройства состоят из максимального реле напряжения нулевой последовательности основной частоты, защищающего большую часть витков обмотки статора генератора со стороны линейных выводов, и органа напряжения третьей гармоники, защищающего часть обмотки статора, примыкающую к нейтрали, и саму нейтраль.

Для генераторов мощностью 160 МВт и более применяется защита типа ЗЗГ-1, разработанная ВНИИЭ [11]. Она состоит из

органа напряжения нулевой последовательности первой гармоники и органа третьей гармоники.

Орган первой гармоники представляет собой максимальное реле напряжения с фильтром высших гармоник, пропускающим только напряжение первой гармоники. Наличие фильтра позволяет существенно улучшить отстройку защиты от напряжения нулевой последовательности, появляющегося на выводах генератора при КЗ на землю за трансформатором блока.

Органом третьей гармоники является реле напряжения с торможением. На рабочую цепь реле подается через выпрямитель сумма напряжений третьей гармоники 11зн + изв . На тормозную

цепь подается через выпрямитель напряжение IIт

При отсутствии замыкания на землю изн + изв «0, если

коэффициенты трансформации ТН подобраны в соответствии с 3 1

условием

ки,в Ки,н

Со стороны. линейных выводов обычно номинальное напряжение ТН соответствует номинальному напряжению генератора, а номинальное вторичное напряжение дополнительных обмоток ТН, соединенных в разомкнутый треугольник, равно 100/3 В. При этом в нейтрали должен быть установлен трансформатор напряжения с таким же номинальным первичным напряжением, как и ТН на линейных выводах, и со вторичным номинальным напряжением 100 В.

Со стороны нейтрали, как правило, предусматривается установка сухого ТН типа ЗНОЛ.Об.

Защита типа ЗЗГ-2, разработанная ВНИИЭ, устанавливается на турбогенераторах ТВФ-63 и ТВФ-120. В ней имеется точно такой же орган первой гармоники, как в защите ЗЗГ-1, и блок третьей гармоники, реагирующий на производную напряжения изв. Такое выполнение защиты основано на том, что скорость изменения напряжения изв при возникновении замыкания на землю намного больше, чем при любых изменениях режима работы генератора. Такой орган третьей гармоники, как показано в [12], имеет достаточно высокую чувствительность при надежной отстройке от нагрузочных режимов.

В то же время орган, реагирующий на производную напряжения третьей гармоники, может оказаться неэффективным при отсутствии переходного процесса, например, при постепенном снижении уровня изоляции обмотки статора в результате воздействия на нее охлаждающей воды или при пуске блока и подъеме с нуля возбуждения на поврежденном генераторе.

Кроме того, общим недостатком защит, реагирующих на напряжение нулевой последовательности и напряжение третьей гармоники, является то, что они могут ложно срабатывать при однофазных КЗ за трансформатором блока, в связи с чем необходима их отстройка от этих режимов. Также возникает проблема установки в нейтрали генератора специального трансформатора напряжения, так как это не всегда возможно по техническим причинам.

1.4.3. Применение методов наложения

В ряде случаев для защиты указанных генераторов применяют включенные в цепь статора источники напряжения постоянного или переменного тока. При замыкании на землю в обмотке статора, в цепи источника наложенного напряжения появляется ток, на который реагирует исполнительный орган защиты. Такие защиты также охватывают всю обмотку статора [13, 14].

Варианты защит с наложением постоянного тока имеют некоторые преимущества. В частности, при использовании постоянного тока имеется возможность избежать шунтирующего действия емкостного сопротивления генератора. Как правило, источник постоянного напряжения (Е) подключается к цепи генераторного напряжения через измерительный преобразователь и нейтраль первичной обмотки измерительного ТН, заземленную через конденсатор (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

К таким защитам относится защита РЗГ-100 на наложенном на цепь статора выпрямленном токе и «Земля - 100» [15]. Они способны реагировать на изменение сопротивления изоляции в диапазоне от 10 до 200 кОм. В них имеются сигнальный и отключающий выходные элементы, а также измерительный прибор для постоянного контроля сопротивления изоляции. Основным недостатком этой защиты является наличие гальванической связи цепей защиты с первичными цепями генератора, вследствие чего не обеспечивается безопасность обслуживания устройства защиты из-за возможного появления на нем высокого напряжения (при обрыве цепи наложенного тока со стороны заземления). Также к недостаткам защит на наложенном токе относится их низкая чувствительность, наличие дополнительного источника, влекущего за собой усложнение и повышение стоимости схемы и возможность перенапряжений в точке подключения, что может вызвать несрабатывание защиты.

В большинстве современных турбогенераторов принято непосредственное охлаждение обмоток статора водой (дистиллятом). В зависимости от состояния дистиллята, его эквивалентное шунтирующее действие характеризуется большим диапазоном сопротивлений (600 - 15 кОм), тогда как к сопротивлению изоляции обмоток статора предъявляются более жесткие требования [16]. Так, например, при контроле сопротивления изоляции для генератора ТВВ-320 эта величина должна быть более 5 МОм. В таких условиях эффективный контроль изоляции возможен только с учетом

сопротивления дистиллята. Как показали исследования [17], хорошие практические результаты дает способ контроля сопротивления изоляции обмотки статора на основе наложения постоянного тока. При этом источник постоянного напряжения рекомендуется подключать между нейтралью первичной обмотки измерительного трансформатора напряжения и землей, а для оценки сопротивления дистиллята использовать датчики удельной проводимости. Причем для оценки эквивалентного сопротивления дистиллята Яд

рекомендуется использовать два датчика - со стороны напорного и сливного коллекторов системы охлаждения.

Данный способ позволяет измерять сопротивление изоляции с приемлемой точностью (погрешность не более 10 %) в широком диапазоне изменений - от 2.2 кОм до 1.8 МОм. Для резервирования в случае отказа защиты при возможных перенапряжениях в цепи наложенного напряжения [18], а также при неисправностях данной защиты, обнаруживаемых системой самодиагностики микропроцессорной системы, она дополнена блоком защиты по известному принципу, основанному на контроле напряжения нулевой последовательности (защита по Цо).

1.5. Контроль сопротивления изоляции генераторов с непосредственным водяным охлаждением

В генераторах с непосредственным водяным охлаждением обмоток статора контроль сопротивления изоляции затруднен

вследствие шунтирующего влияния сопротивления системы охлаждения. Отстройка от влияния сопротивления дистиллята на результаты измерения затруднена. В связи с этим возникает задача осуществления непрерывного раздельного контроля сопротивления изоляции и системы охлаждения на работающем генераторе. Пути и основные результаты решения этой задачи изложены в работах [19, 20].

Обмотки статора турбогенераторов типа ТВВ (мощностью 165 -800 МВт), также ТГВ-200М и ТГВ (500 и 800 МВт) охлаждаются дистиллированной водой (дистиллятом). Системы охлаждения этих генераторов построены так, что охлажденный дистиллят специальными насосами подается в напорный коллектор, откуда через фторопластовые трубки поступает в стержни обмоток, а затем в сливкой коллектор и в теплообменник для охлаждения. Таким образом, обмотки статора оказываются электрически связанными с землей через систему охлаждения, заполненную дистиллятом. На рис. 1.7,а показана электрическая схема для постоянного тока, в которой учитываются цепи, образованные системой охлаждения. В схеме приняты следующие обозначения: .я'Д2,... ЯДп -

сопротивления напорных фторопластовых трубок, заполненных дистиллятом; ЯД1, Кд2у. ЕДп - сопротивления аналогичных

сливных трубок; Яи - эквивалентное сопротивление изоляции обмоток статора относительно земли; Е - источник наложенного постоянного тока; КБ - балластное сопротивление, учитывающее

внутреннее сопротивление источника, измерительного органа и активное сопротивление первичных обмоток ТН.

а)

Напорный коллектор

П ^

-О.

ч=р-

л

Холодный дистиллят

¥

-о

к

Обмотки статора генератора

■Д1 гп

К"

да

л

Сливной [ + ) Е коллектор ^-г^

Дп

а

У Горячий дистиллят

Рис. 1.7.

т

(г.

Эквивалентное электрическое сопротивление системы охлаждения между обмотками статора и землей при

п г

Кдп ~ Кдп = Рд определяется следящим образом:

Здесь тт - число напорных и сливных трубок; рд - удельное сопротивление дистиллята; /т и 5т - соответственно, длина и сечение фторопластовых трубок, соединяющих коллекторы с обмотками.

Сопротивление дистиллята в нормальном состоянии может изменяться в пределах от 600 до 15 кОм, в то время, как сопротивление исправной изоляции должно быть не менее величины, вычисленной по следующей формуле [16]:

- и»

И 1000+0,01РН '

где 1/н и Рн - номинальные напряжение (В) и мощность (кВт) машины.

Например, для генератора ТВВ-320 это сопротивление равно 5 МОм. Поэтому в нормальном режиме сопротивление между обмоткой статора и корпусом генератора практически равно сопротивлению дистиллята (рис. 1.7, б).

Защиту, способную реагировать на снижение сопротивления изоляции, можно построить, учитывая электрическую проводимость системы охлаждения генератора в виде постоянного активного сопротивления [25].

В соответствии со схемой замещения (рис. 1.7,б) в цепи источника протекает ток:

1 Е(ЯИ+ЛД)

где Е - напряжение источника питания.

Несложное преобразование этого уравнения дает выражение для определения проводимости изоляции:

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Шахова, Мария Алексеевна

Выводы:

1. Разработаны алгоритмы контроля сопротивления изоляции и поиска места повреждения в цепях генераторного напряжения блока генератор-трансформатор. Алгоритмы основаны на использовании трех и шестиключевых коммутаторов.

2. Разработан лабораторный образец системы контроля и защиты, содержащий высоковольтный и измерительные блоки для контроля тока утечки и сопротивления изоляции.

3. Проведены натурные испытания на одной из ТЭЦ АО «Ленэнерго», подтвердившие основные теоретические положения методов контроля сопротивления изоляции и тока утечки.

Заключение

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основании всестороннего рассмотрения существующих средств защиты от однофазных замыканий на землю выявлены их недостатки и показана необходимость дальнейших разработок.

2. Предложены алгоритмы для непрерывного контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю блока генератор-трансформатор, основанные на измерении интегральных параметров и спектральном анализе токов утечки в цепях, формируемых с помощью специальных коммутаторов, соединяющих контролируемую сеть генераторного напряжения с землей.

3. Показаны достоинства предложенных методов, заключающиеся, прежде всего, в возможности непрерывного контроля сопротивления изоляции г без использования дополнительного источника на генераторном напряжении и определении места повреждения в блоке генератор-трансформатор. Также имеется возможность определения поврежденной обмотки и удаленности места повреждения от ее выводов при работающем оборудовании. Функциональные возможности методов позволяют использовать устройства, их реализующие, в АСУ ТП электрической части станций.

4. Проведено математическое моделирование стационарных и переходных процессов в системе контроля сопротивления изоляции и защиты блока генератор-трансформатор от замыканий на землю в цепях статора. Результаты математического моделирования подтвреждают основные теоретические положения предложенных методов контроля и защиты, полученные аналитическим путем.

5. Предложена физическая модель системы контроля и защиты, включающая защищаемый блок генератор-трансформатор, для исследования стационарных и переходных процессов при различных видах повреждений. Проведено физическое моделирование работы системы контроля изоляции в нормальных условиях и при различных повреждениях в блоке, включая металлические замыкания на землю, замыкания через переходные сопротивления и перемежающиеся замыкания.

6. Проведенное математическое и физическое моделирования показали правильность теоретических положений методов контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю блока генератор-трансфор; матор.

7. Разработан лабораторный образец системы контроля и защиты, содержащий высоковольтный и измерительные блоки для контроля тока утечки и сопротивления изоляции.

8. Проведены натурные испытания на одной из ТЭЦ АО «Ленэнерго», подтвердившие основные теоретические положения методов контроля сопротивления изоляции и тока утечки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шахова, Мария Алексеевна, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560с.

2. Глебов И.А., Данилевич Я.Б. Диагностика турбогенераторов. - Л.: Наука, 1989.-119с.

3. Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах: Возникновение и методы выявления дефектов. -М.: Энергоиздат, 1981. - 256 с.

4. Ванин В.К., Сарычев С.С. Устройство для защиты цепей возбуждения синхронной машины от замыкания на землю в одной точке. A.c. № 1008842 Б.н. № 12, 1983.

5. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор. - М.: Энергоиздат. 1982. - 256 с.

6. Сарычев С.С. Разработка и исследование измерительных органов комплексной защиты генераторов. Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. - Л.: ЛПИ. 1983. 207 с.

7. Чернобровое Н. В. Релейная защита. -М.-Л.: Энергия, 1966.-760 с.

8. Федосеев А. М. Основы релейной защиты. -М. -Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 440 с.

9. Федосеев А. М., Федосеев М. А. Релейная защита электроэнергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1992. -528 с.

10. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. Релейная защита сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1984,- 520 с.

11. Кискачи В.М. Защита генераторов энергоблоков от замыканий на землю в обмотках статора // Электричество. 1975. №11. С. 2531.

12. Кискачи В.М. Использование гармоник Э.Д.С. генераторов энергоблоков при выполнении защит от замыканий на землю. // Электричество. 1975. №2, с. 24-29.

13. Сирота И.М., Богаченко А.Е. Защита от замыканий на землю на стороне генераторного напряжения блоков генератор-трансформатор, охватывающая нейтраль генератора. - Киев: ИЭД АН УССР, 1972.-21 с.

14. Новаш В.И., Мороз В.К. Работа защиты от замыканий на землю генераторов с наложенным выпрямленным напряжением в переходных режимах// Электричество. 1973. №6. С. 80-83.

15. Анохин П.Т., Финкель A.A. Защита от замыканий на землю и контроль изоляции обмоток статора блочного генератора // Электрические станции. 1973. №7. С. 81-82.

16. Нормы испытания электрооборудования. - М.: Атомиздат, 1978. - 304 с.

17. Булычев A.B., Ванин В.К., Таджибаев А.И., Шмурьев В Я. Устройство для релейной защиты блока генератор-трансформатор от увеличения проводимости. A.c. СССР № 1259393.

18. Булычев A.B. Разработка и исследование отдельных узлов комплексной защиты генераторов. Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. - Л.: ЛПИ. 1984. 213 с.

19. Булычев A.B., Ванин В.К., Шмурьев В.Я. Особенности построения измерительной части комплексной системы защиты

генератора // Депонирована Информэлектро. №25 ЭТ-84. 1984, 17 с.

20. Ванин В.К., Шмурьев В Я., Булычев A.B. Некоторые особенности построения измерительной части комплексной защиты генератора // Электромеханические и электромагнитные элементы систем управления. Межвузовский сборник. - Уфа: УАИ, 1983. С. 38-42.

21. Берман И., Кирпски А., Скалка М. Защита мощных генераторов, работающих в блоке с трансформатором, от однофазных замыканий на землю в обмотке статора. В кн.: Релейная защита и противоаварийная автоматика. - М.: Энергия. 1975. С. 19-27.

22. Пазманди JI. Защита от замыканий на землю в обмотке статора генератора, работающего в блоке с трансформатором // Электричество. 1971. №9. С. 29-33.

23. Новаш В.И., Рогов Л.Д., Мороз В.К. Чувствительность земляных защит генераторов, работающих в блоке с трансформаторами // Электрические станции. 1971. С. 72-74.

24. Бухтояров В.Ф., Токарев Г.И., Удавкин В.И. Устройство для направленной защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-35 кВ. // Электрические станции. 1996г. №6. С. 57-59.

25. Бархатов Г.В., Быков В.М., Леонов И.И., Надеждин В.В. Устройство защиты блочного генератора // Электротехника. 1978. №3. С. 27-30.

26. Ванин В.К., Дадажанов Т., Леонов И.И., Фомин Г.А. Устройство для защиты блочного генератора от снижения изоляции статора. A.c. №970545. Опубл. в БИ №40, 1982.

27. Шмурьев В.Я. Разработка и исследование комплекса защиты для турбогенераторов единой серии. Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. - Л.: ЛПИ. 1987. 255 с.

28. Мотыгина С.А. Эксплуатация электрической части тепловых электростанций. - М.: Энергия. 1979. - 568 с.

29. Булычев A.B. Совершенствование защит блоков генератор-трансформатор и электродвигателей. Дис. на соискание уч. степени докт. техн. наук. - СПб. : Идательство СПбГТУ, 1998. 280 с.

30. Булычев A.B., Ванин В.К., Носенко М.А., Соловьев А.Л., Терешкин A.B. Исследование коммутационного метода контроля изоляции и защиты генератора, работающего в блоке с трансформатором, от однофазных замыканий на землю в обмотках статора // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях и ТЭС. Межвузовский сборник научных трудов. -СПб.: СПбГТУ РП, 1997. С. 211-219.

31. Булычев A.B., Ванин В.К. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю. Заявка №95117700/09 по которой имеется решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ на изобретение.

32. Булычев A.B., Ванин В.К. Контроль изоляции генератора без зоны нечувствительности // Электротехника и электроэнергетика. Труды СПбГТУ №460. С.84-89.

33. Булычев A.B., Ванин В.К., Квитницкий А.Ю., Кривченко Т.П., Носенко М.А., Соловьев A.JI. Система защиты и диагностики сопротивления изоляции сетей переменного и постоянного тока судовых энергетических систем // Тезисы докладов 6 Международной НТК "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств". - СПб.: ЦНИИСЭТ, 1998. С. 103-104.

34. Булычев A.B., Ванин В.К. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю. Заявка №98104683/09 по которой имеется решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ на изобретение.

35. Харкевич A.A. Спектры и анализ. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1962. - 236 с.

36. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М. . Энергия, 1969. - 76 с.

37. Смоловик C.B. Влияние насыщения сердечников на параметры и переходные процессы мощных синхронных генераторов // Электроэнергетика. Сборник научных трудов. - СПб.: СПбГТУ. С. 72-88.

38. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. - М.: Энергия, 1971.-152 с.

39. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 kB. - М.: Энергоатомиздат. 1986. - 128 с.

40. Цапенко Е.Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 В. - М.: Энергия. 1972. - 130 с.

41. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: в 2 т. т. 1.Электроснабжение. / Под общей ред. A.A. Федорова. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 568 с.

42. Руководящие указания по релейной защите. Вып.5. Защита блоков генератор-трансформатор и генератор-автотрансформатор. -М. - Л.: Энергия. 1963.

43. Долгинов А.И. Перенапряжения в электрических системах. - М. - Л.: Госэнергоиздат. 1962. - 512 с.

44. Васюра Ю.Ф., Гамилко В.А., Евдокунин Г.А., Утегулов Н.И. Защита от перенапряжений в сетях 6-10 кВ. // Электротехника. 1994. №5/6.

45. Евдокунин Г.А. Электромагнитные процессы в электрических системах. Учебное пособие. Изд-во СПбГТУ. 1993 г. 107 с.

46. Лихачев Ф. А. Защита от внутренних перенапряжений установок 3-220 кВ. -М. - Л.: Энергия, 1968. - 101 с.

47. Дударев Н.Е., Зубков В.В. Некоторые особенности переходных процессов при замыканиях на землю в сетях 6-35 кВ и использование их для средств релейной защиты. // Электрические станции. 1978. №6. с. 68-71.

48. Ковалев Г.Ф. О смещение нейтрали. // Электрические станции. 1962. №6. с.59-62.

49. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. М.: Энергия, 1974.

50. Дзюбан B.C. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях. - М.: Недра, 1982. - 152 с.

51. Попов И.Н., Лагутин В.Ф., Соколова Г.В. Релейная защита, основанная на контроле переходных процессов. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

52. Цапенко Е.Ф. Переходные процессы в вентильных схемах контроля изоляции. // Электричество. 1965. №1. с. 67-70.

53. Шаргородский ВЛ. К расчету феррорезонансных явлений в 3-х фазных сетях с изолированной нейтралью. // Электричество. 1967. №9. с. 16-19.

54. Курбангаллев У.К., Маринов P.A. Опыт эксплуатации турбогенераторов ТВВ-320-2 на Конаковской ГРЭС. // Электрические станции. 1967. №2. с. 61-64.

55. Методические указания для электрических испытаний синхронных генераторов. -М.: Энергия, 1966.

56. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1985.640 с.

57. Поляк H.A. Нормальные режимы работы турбогенераторов. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1948 г.

58. Удовиченко Б.А. Перенапряжения в сети 35 кВ., вызванные колебаниями нейтрали. // Электрические станции. 1947. №1. с. 4042.

59. Дымков A.M. Расчет и конструирование трансформаторов. -М.: Высшая школа, 1971. - 264 с

60. Булычев A.B., Ванин В.К., Павлов Г.М., Шмурьев В.Я. Комплексная система защиты турбогенераторов // Труды ЛПИ №399. 1984. С. 76-82.

61. Таубес И.Р. Релейная защита мощных турбогенераторов. - М.: Энергоиздат. 1981. - 88 с.

62. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы; справочник / Под общ. ред. H.H. Горюнова. - М.. Энергоатомиздат. 1987.

63. Резисторы. Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др. - М.: Радио и связь. 1981.

64. Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.; под общ. ред. И.И. Четвертакова и В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983. - 576 с.

65. Игловский И.Г., Владимиров Г.В. Справочник по слаботочным электрическим реле. - JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-е, 1990. -560 с.

66. Ванин В.К., Леонов И.Н., Сарычев С.С. Устройство защиты от перегрева активных частей генератора. // Электромеханика. 1983. №6.

67. Сви П.М. Контроль изоляции оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат. 1988. - 128 с.

68. Лисицын Н.В. Аварийные режимы в сетях с изолированной нейтралью и способ контроля изоляции // Электрические станции. 1996. №1. С. 42-48.

69. Орловский И.А. Определение поврежденной фазы при замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью 6 - 10 кВ //Известия вузов. Энергетика. 1990. №6. С. 56-60.

70. Булычев A.B., Ванин B.K. Релейная защита электрических систем. Защита электродвигателей. -СПб.. Изд-во СПбГТУ. 1997. 88с.

71. Булычев A.B. Контроль параметров и защита электродвигателей переменного тока // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике". - Чебоксары: ЧГУ, 1996. С.20-22.

72. Азбукин Ю.И., Аврух В.Ю. Моделирование турбогенераторов. -М.: Энергия. 1980.

73. Булычев A.B., Ванин В.К., Соловьев А.Л., Терешкин A.B. Защита электродвигателей переменного тока и диагностика их электрических параметров // Электромеханика (Изв. высш. учеб. заведений). №1-2. С.115.

74. Аналоговая и цифровая микроэлектроника для средств релейной защиты / A.B. Булычев, В.К. Ванин, Т.И. Кривченко, A.JI. Соловьев, A.B. Терешкин. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998. - 80 с.

75. Демидович Б. П. Сборник задач и упражнений по математическому анализу. - М.: МГУ. 1997. - 624 с.

76. Трансформаторы тока / Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Жалалис Л.В., Сирота И.М., Стогний B.C. - Л.: Энергия. 1980. - 314 с.

77. Дроздов А. Д. Электрические цепи с ферромагнитными сердечниками в релейной защите. - М.: Энергия. 1965. - 240 с.

78. Булычев A.B., Ванин В.К. Исследование частотных характеристик трансформаторов тока // Энергетика (Изв. высш. учеб. заведений) 1987. №8. С.16-21.

79. Бачурин Н.И. Трансформаторы тока. - M - JL: Энергия. 1964. -376 с.

80. Булычев A.B., Ванин В.К. Частотные характеристики трансформаторов напряжения для защиты генераторов // Изв. вузов. Энергетика. 1988. №11. С.33-39.

81. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь. 1986. - 512 с.

82. Исследование и разработка комплексной системы защиты турбогенераторов единой серии от анормальных режимов. Отчет по НИР / Г.М. Павлов, В.К. Ванин, A.B. Булычев и др. - Л.: ЛПИ. 1980 Гос. per. № 78057169. - 36 с.

83. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. - СПб.: Издательство ПЭИпк, 1995. - 21 с.

84. Ванин В.К., Павлов Г.М. Релейная защита на элементах вычислительной техники. - Л.: Энергоатомиздат, 1991.-336 с.

85. Сирота И.М. Трансформаторы и фильтры напряжения и тока нулевой последовательности. - Киев: Наукова думка. 1983. - 268 с.

86. Вавин В.Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи. -М.: Энергия. 1977. - 104 с.

87. Евдокунин Г.А., Гудилин C.B., Корепанов A.A. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. // Электричество. 1998. № 12. С. 8-22.

88. Кучинский Г.С. и др. Изоляция установок высокого напряжения. Учебник для вузов. Под общ. ред. Г.С. Кучинского. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 386с.

89. Дымков A.M. Трансформаторы напряжения. - M.-JL: Госэнергоиздат. 1963. -192 с.

90. Дымков A.M., Кибель В.М., Тишенин Ю.В. Трансформаторы напряжения. - М.: Энергия. 1975. - 200 с.