4. Защита от однофазных замыканий на землю в цепи статора генератора

Для уменьшения тока замыкания на землю в сети генераторного напряжения, что существенно повышает надёжность эксплуатации, генераторы напряжением 2 кВ и выше, как правило, работают с изолированной нулевой точкой (нейтралью) или с нейтралью заземлённой через дугогасящий реактор. Поэтому для выполнения защиты от однофазного замыкания на землю в обмотках статора генератора используются те же принципы, что и для защит от замыканий на землю линий электропередач.

При замыкании на землю фазы статора генератора ток в месте повреждения пропорционален числу замкнувшихся витков и величине ёмкости присоединённой сети.

Ток в месте однофазного замыкания на землю при замыкании на главных выводах обмотки статора генератора равен:

где:
Хс	-	ёмкостное сопротивление фазы сети генераторного напряжения.

Если замыкание на землю возникает на расстоянии W витков от нулевой точки генератора, то ток в месте замыкания будет равен:

где:
	-	отношение числа замкнувшихся витков обмотки статора генератора к общему числу витков обмотки статора.

Ток замыкания на землю равен 3I₀ и пропорционален напряжению нулевой последовательности U₀, т.е.:

Таким образом, U₀, I₀, I_з, появляющихся при замыкании на землю пропорциональны числу замкнувшихся витков. Графически эта зависимость представлена на рис. 7-6.

Рис.7-6. Зависимость U₀, I₀, I_з от числа замкнувшихся витков обмотки статора генератора.

Очевидно, что максимальные значения U₀, I₀ и I_з будут иметь место при замыкании на землю на главных выводах генератора (ω_з=100%), а при приближении точки замыкания к нейтрали генератора ω_з уменьшается от 100% до 0 и, следовательно, уменьшаются до нуля значения U₀, I₀ и I_з при замыкании в нейтрали генератора.

При использовании дугогасящей катушки (для компенсации ёмкостного тока замыкания на землю) ток замыкания на землю I_з состоит из 2-х составляющих: ёмкостной – замыкающейся через ёмкостное сопротивление сети Х_с и индуктивной – замыкающейся через индуктивное сопротивление Х_L дугогасящей катушки.

Результирующий ток будет равен:

Для защиты генераторов от замыканий на землю в обмотке статора работающих непосредственно на шины применяют токовую защиту нулевой последовательности.

Применяют два способа выполнения токовой защиты нулевой последовательности: с помощью трёхтрансформаторного фильтра токов нулевой последовательности и с помощью однотрансформаторного фильтра токов нулевой последовательности.

Однако, защита, выполненная с помощью 3-х трансформаторного фильтра нулевой последовательности (рис. 7-7, а) имеет недостаточную чувствительность, так как срабатывает при токах замыкания на землю порядка 15-20А (из-за необходимости отстройки защиты от токов небаланса, определяемых погрешностями трансформаторов тока).

Защита, выполненная с помощью однотрансформаторного фильтра токов нулевой последовательности с подмагничиванием (ТНП или ТШНП), получается более чувствительной (так как имеет ток срабатывания порядка 3‑5А) (рис. 7-7, б).

Рис. 7-7. Защита от замыканий на землю

а) с обычными ТТ

б) с ТНП

В эксплуатации используются трансформаторы тока нулевой последовательности двух типов: кабельного типа ТНП – для защиты генераторов, имеющих кабельные выводы и шинного типа ТНПШ – для защиты генераторов с шинными выводами.

По принципу действия ТНП и ТНПШ аналогичны трансформаторам тока нулевой последовательности применяемых в схемах защиты от однофазных замыканий на землю кабельных линий. ТНП и ТНПШ конструктивно представляют собой два магнитопровода, внутри которых проходят кабели или токопроводы, соединяющие защищаемый генератор со сборными шинами. Они выполняют роль первичных обмоток ТНП.

На рис. 7-8 приведена характеристика намагничивания ТНП, по которой можно определить величину напряжения, наводимого во вторичной обмотке при прохождении первичного тока определённой величины. Без подмагничивания ТНП работают в начальной части характеристики намагничивания. При прохождении по первичной цепи тока I_з во вторичной обмотке наводится э.д.с. Е₁ (точка А). Если сердечник ТНП подмагничивать от постороннего источника, э.д.с. на вторичной обмотке будет определяться суммой двух магнитных потоков: Ф_з, создаваемого током замыкания на землю I_з и Ф_μ, создаваемого током подмагничивания I_μ. Рабочая точка ТНП в этом случае переходит в среднюю (крутую) часть характеристики (точка Б), и ток I_з, проходящий в первичной цепи будет наводить во вторичной обмотке э.д.с. Е₂ значительно большей величины, чем Е₁. Таким образом, подмагничивание позволяет в 10-15 раз увеличить мощность трансформатора тока.

Для того, чтобы подмагничивание не создавало тока во вторичной обмотке ТНП, обмотки подмагничивания, расположенные на разных сердечниках, соединяются встречно, а вторичные обмотки согласно. При таком соединении обмоток подмагничивания, создаваемые ими потоки Ф_μ направлены в 2-х сердечниках ТНП в противоположные стороны, а наводимые ими э.д.с. во вторичных обмотках направлены на встречу друг другу, так что сумма их равна нулю. Потоки Ф_з, создаваемые I_з имеют одинаковое направление, поэтому создаваемые ими э.д.с. во вторичных обмотках суммируются. В результате ток в реле защиты пропорционален току замыкания на землю.

Таким образом, использование подмагничивания сердечника ТНП существенно повышает чувствительность защиты.

Обычно подмагничивание осуществляется переменным током от ТН генератора.

Рис. 7-8. Схема включения обмоток (а) и характеристика намагничивания ТНП (б)

Трансформатор тока ТНШ (или ТНПШ), сердечники которого охватывают все три фазы, устанавливают между генератором и его выключателем. Ток нулевой последовательности в первичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности зависит также от местонахождения точки замыкания на землю. При замыканиях во внешней сети (например, в точке К1 на рис. 7-9 через ТНП проходит ёмкостный ток генератора I_с.г., а при замыкании на выводах обмотки статора генератора (в точке К2) – разность между полным ёмкостным током сети генераторного напряжения и ёмкостным током генератора, т.е. I=I_сΣ-I_с.г.

Рис. 7-9. Ёмкостные токи в ТНП генератора при замыканиях на землю в различных точках сети генераторного напряжения.

При разветвленной сети генераторного напряжения С_>>С_г и следовательно I_c>>I_cг. Защита от замыканий на землю в обмотке статора генератора должна срабатывать при замыканиях на статоре генератора и в то же время должна не действовать при внешних однофазных замыканиях и внешних междуфазных к.з. Защита выполняется с действием на отключение и развозбуждение генератора при токах замыкания на землю 5А и выше, поскольку при этом имеется опасность повреждения стали сердечника статора генератора. При токах замыкания на землю менее 5А защита может действовать на сигнал, так как при этих токах не отмечено опасных повреждений статора генератора.

Схема защиты от однофазных замыканий на землю для генератора, имеющего кабельные выводы, приведена на рис. 7-10, а. Токовое реле Т1 типа РТ-40 подключается ко вторичной обмотке ТНП. Для предотвращения неправильного действия защиты от кратковременных токов небаланса вызванных переходными процессами при замыканиях на землю во внешней сети в схемы защиты введено реле времени, создающее выдержку времени порядка 0,5-2 с. Напряжение для подмагничивания ТНП (~100В) подаётся от трансформатора напряжения установленного на главных выводах генератора.

Рис. 7-10. Схема защиты обмотки статора генератора от замыканий на землю

В схеме защиты имеется вольтметр с кнопкой, с помощью которого можно определить примерное количество замкнувшихся витков в обмотке статора. При этом, чем дальше от нулевой точки обмотки статора генератора тем больше будут показания вольтметра. По вольтметру можно также обнаружить замыкание на землю в обмотке статора генератора, до включения генератора в сеть, когда защита с ТНП работать не будет. Токовое реле Т2 предназначено для действия защиты при двойных замыканиях на землю, когда одно замыкание произошло во внешней сети генераторного напряжения, а другое в обмотке статора генератора. В этом случае защита действует на отключение генератора без выдержки времени на выходное промежуточное реле через указательное реле.

В схеме защиты проведённой на рис. 7-10, б предусмотрен автоматический вывод защиты из действия при внешних к.з., которые могут сопровождаться большими токами небаланса в ТНП, при помощи промежуточного реле П размыкающего цепь отключения от чувствительного токового реле Т1 (при срабатывании максимальной токовой защиты генератора от междуфазных к.з.).

Ток срабатывания первой ступени защиты (чувствительного реле) должен удовлетворять следующим условиям:

• быть не выше 5А, чтобы обеспечить отключение генератора при токах замыкания:

I_с.з.5А

• быть больше тока небаланса, проходящего через ТНП при внешнем 2-х фазном к.з.:

где:
Iс.Г.	-	собственный ёмкостный ток генератора
КВ	-	коэффициент возврата равный для реле РТ-40 – 0,85
Iнб	-	ток небаланса ТНП отнесённый к первичной цепи (при расчетном токе генератора в момент отключения 2-х фазного внешнего к.з., когда с защиты снимается блокировка на промежуточном реле П)
Кн1	-	коэффициент надёжности (коэффициент отстройки), учитывающий броски ёмкостного тока генератора при внешнем замыкании на землю
(Кн1=23			при наличии выдержки времени защиты 0,51с)
Кн2	-	коэффициент надёжности (отстройки) учитывающий неточность расчета Iнб
(Кн2=1,31,5).

Ток срабатывания второй (грубой) ступени защиты должен превышать максимальное значение броска тока в реле при внешних повреждениях (отстраивается от бросков ёмкостного тока при внешнем к.з. с учётом тока небаланса ТНП:

_{Iс.з.Кн1Iс.Г.+Кн2I}нб. макс

где:
Iнб.макс	-	максимальный ток небаланса при внешних к.з.

Следует отметить, что токовая защита нулевой последовательности генератора имеет мёртвую зону вблизи нейтрали генератора, так как ток замыкания пропорционален доле замкнувшихся витков обмотки статора.

Токовые защиты нулевой последовательности с использованием ТНП нашли широкое применение на генераторах малой и средней мощности (<100 МВт), работающих с изолированной нулевой точкой обмотки статора непосредственно на шины генераторного напряжения (когда ёмкостные токи I_с.Г. значительно меньше ёмкостных токов остальной части сети).

На генераторах, работающих в блоке с трансформаторами, устанавливаются защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на напряжение нулевой последовательности (применяют максимальную защиту напряжения нулевой последовательности). Однако эти защиты также имеют мёртвую зону, расположенную вблизи нейтрали обмотки статора генератора.

Для мощных генераторов считается целесообразным защищать 100% витков обмотки статора. Для этого применяют специальные защиты с использованием других принципов (например, гармоник нулевой последовательности).

Выводы:

1. На генераторах малой и средней мощности (менее 100 МВт) с изолированной нейтралью, работающих непосредственно на шины генераторного напряжения в качестве основной защиты обмотки статора от однофазных замыканий применяют токовую защиту нулевой последовательности с ТНП.

2. Основным недостатком токовой защиты нулевой последовательности является наличие мёртвой зоны вблизи нейтрали генератора.

3. На генераторах, работающих в блоке с трансформаторами в качестве защиты обмотки статора от однофазных замыканий, применяют максимальную защиту напряжения нулевой последовательности, которая также как и токовая защита с ТНП имеет мёртвую зону вблизи нейтрали обмотки статора генератора.

4. Генераторы большой мощности (более 100 МВт) должны оснащаться защитами от замыканий на землю в обмотке статора без зоны нечувствительности защитами, охватывающими 100% витков обмотки статора).