Исследование защиты генераторов
Система защиты генераторов MV (синхронных машин) должна быть тщательно отобрана и изучена для приложения, для которого оно предназначено, и обычно невозможно определить одно решение.
Защита для синхронных машин среднего напряжения (генераторы) - фото-кредит: Kirby Automation Limited
Ограждения для синхронных машин (генераторов)
Анализируются только генераторы среднего напряжения, а большие машины (выше 100 МВА), где выбор системы защиты обязательно производится также в соответствии с интерфейсом к системе передачи, исключены из этого описания.
Философия защитных реле разработана на основе знания о том, что ошибки в генераторах можно разделить на две основные категории:
-
Аномальные операции и условия работы, такие как:
- перегрузки;
- Сверху или по скорости;
- Перенапряжение и пониженное напряжение;
- Несбалансированные нагрузки;
- Неисправности возбуждения (полевая схема или регулятор напряжения);
- Неисправности главного двигателя (или регулятора скорости).
-
Ошибки изоляции, такие как:
- Неисправности заземления (включая неисправности ротора);
- Фазовые и трехфазные неисправности;
- Неисправности между витками одной и той же фазы.
Идентификация ненормального рабочего состояния производится защитными реле, установка которых должна поддерживать машину как можно дольше, без риска повреждения.
Установочное значение защиты должно быть рассчитано выше значений переходного тока, напряжения и частоты, а время отключения должно быть таким, чтобы обеспечить повторное установление электрических параметров в пределах нормальных рабочих значений.
Защитные подгруппы
Затем защиту синхронной машины можно разделить на следующие основные подгруппы:
1. Основные защитные меры или защита зон
Эксплуатация - это функции защиты, которые должны срабатывать мгновенно для сбоев, которые происходят внутри относительной зоны, и должны оставаться стабильными для внешних неисправностей (через неисправности).
2. Резервные защиты
Эксплуатация - это функции защиты, которые должны работать для сбоев, возникающих на стороне нагрузки их точки подключения. Эти функции защиты должны иметь преднамеренную задержку, чтобы обеспечить избирательное отключение, чтобы работать только в неисправной зоне.
3. Охрана для ненормальных условий эксплуатации и обслуживания
Эксплуатация - это функции защиты, которые должны работать или готовить сигнал тревоги для любого ненормального состояния, которое может возникнуть во время работы. Аномалии обнаруживаются путем измерения соответствующих электрических параметров.
Положение ТТ, которые обеспечивают различные функции защиты генератора, не является случайным: ТТ, которые обеспечивают различные функции защиты, должны быть предусмотрены на стороне звезды, а не на стороне линии.
Защитные функции для защиты генератора
В зависимости от номинальной мощности машины и типа приложения все или некоторые из следующих функций защиты могут использоваться для защиты генератора.
Каждая функция имеет свой код обозначения, описанный ниже (нажмите код, чтобы перейти к более подробному описанию):
| Код IEEE C37-2 | Описание |
| реле 87 | Генератор дифференциальной защиты (иногда также называемый 87G) |
| реле 49 | Тепловая защита от перегрузки статора |
| реле 51 | Защита от сверхтока |
| реле 40 | Защита от повреждения возбуждением (потеря поля) |
| реле 32 | Защита от обратного питания (обратная энергия) |
| реле 46 | Защита от токовой защиты от отрицательной последовательности |
| реле 21 | Защита от полного сопротивления (в качестве альтернативы максимальной токовой защите для контроля напряжения при наличии единичного трансформатора) |
| реле 50V | Защита от перегрузки по току с контролем напряжения (в качестве альтернативы защите от недостаточного импеданса при отсутствии блока трансформатора) |
| реле 27 | Защита от пониженного напряжения |
| реле 59 | Защита от перенапряжения |
| реле 81 | Защита от перегрузки и пониженной частоты |
| реле 24 | Защита от переполнения |
| реле 64R | Защита заземления ротора |
| реле 64S | Защита заземления статора (функция типа нейтрального состояния) |
Существуют другие функции защиты, которые используются для защиты генератора переменного тока, такие как:
| Код ANSI | Описание | Код ANSI | Описание |
| 5 | Случайная зарядка | 60 | Реле баланса напряжения |
| 37 | Реле под напряжением | 78 | Внережимное реле |
| 49R (51R) | Перегрузка ротора |
Слева: защита генератора с заземленной нейтралью; Справа: защита генератора с изолированной нейтралью
'87G' Дифференциальная защита
Защита основного обмотки статора возложена на дифференциальное реле с характеристикой ограничения. Это реле сравнивает текущие значения на клеммах каждой фазы обмотки и отключается, когда дифференциал превышает значение настройки реле. Он также обеспечивает защиту от фазовых разломов внутри обмотки статора.
Чтобы получить лучшую стабильность для внешних неисправностей, реле обычно имеет компенсированный тип, чтобы увеличить значение отключения в случае сквозной неисправности.
Использование дифференциальной защиты также позволяет идентифицировать замыкания на землю внутри защищенной зоны, но ее чувствительность ограничена значением тока замыкания на землю.
Вернуться к списку кодов ↑
'49' Тепловая защита от перегрузки статора
Все перегрузки вызывают аномальные условия нагрева обмотки статора, которые необходимо устранить, прежде чем температура достигнет опасных значений для машины.
Защита также учитывает тепловое состояние машины до перегрузки.
Вернуться к списку кодов ↑
'51' Максимальная токовая защита
Эта функция защиты не является абсолютно необходимой для генераторов, так как работа при перегрузке также требует, чтобы турбина могла подавать больше энергии или для системы возбуждения, чтобы иметь возможность увеличивать поле в машине выше номинального значения.
Эти условия довольно сложно производить, и, следовательно, эта защита обычно срабатывает для внешних неисправностей и по этой причине должна быть отложена для предотвращения ложных срабатываний.
Вернуться к списку кодов ↑
'40' Защита от ошибок возбуждения (потеря поля)
Защита от потери возбуждения возлагается на реле 40, которое управляет состоянием возбуждения на выводах статора. На практике это реле измеряет ток, который изменяется от «емкостного» до «индуктивного» вследствие отсутствия возбуждения.
В нормальных условиях эксплуатации генератор обеспечивает реактивную емкостную мощность, поэтому его импеданс емкостного типа (чрезмерное возбуждение кривой мощности).
Когда происходит потеря возбуждения, генератор ведет себя как асинхронный генератор, который поглощает реактивную мощность от сети, и его импеданс, следовательно, имеет индуктивный тип (недостаточное возбуждение кривой мощности). Настройка защиты должна рассчитываться не для того, чтобы вызвать нежелательные отключения в переходных условиях, например, поместить машину параллельно с другими источниками.
Очевидно, что защита работает только тогда, когда генератор работает параллельно с другими источниками (или банками коррекции коэффициента мощности).
Вернуться к списку кодов ↑
'32' Защита от обратной мощности (возврат энергии)
Когда источник питания, который перемещает турбину, выходит из строя, генератор (с турбиной, всегда подключенной к оси) работает как двигатель, а активная мощность, необходимая для поддержания вращения машины, берется из сети.
Минимальная мощность вытяжки, требуемая от сети с помощью связанного генератора, зависит от типа турбины и может варьироваться от менее 1% (паровой турбины) до очень высоких значений для генераторов, соединенных с дизельными двигателями.
Функция защиты кода 32 определяет обратную мощность, то есть актив активной мощности, идущей от сети к генератору. Настройка защиты должна рассчитываться так, чтобы не приводить к ложным срабатываниям в переходных условиях, например, параллельно.
Что касается защиты от потери поля, очевидно, что защита работает только тогда, когда генератор работает параллельно с другими источниками.
Вернуться к списку кодов ↑
'46' максимальная токовая защита от отрицательной последовательности
Сбалансированные трехфазные нагрузки создают полевую реакцию в статоре, которая вращается синхронно с ротором. При наличии несбалансированных нагрузок компонент отрицательной последовательности в токе статора индуцирует ток в роторе с удвоенной номинальной частотой. Этот ток, протекающий через обмотку ротора, вызывает серьезные повышения температуры в роторе.
Несбалансированные условия нагрузки могут быть наложены сетью вне генератора, например:
- Однофазные нагрузки;
- Разные импедансы между фазами (например: размыкание фазной клеммы);
- Обрыв цепи на линии передачи;
- Отсутствие транспозиции между фазами;
- Неисправности между поворотами;
- Неисправность на полюсе выключателя при закрытии;
- Поездка только на одну фазу плавкого предохранителя;
- Длительная несбалансированная работа, такая как фаза
- Неисправность или отказ фазы на землю; гармоники отрицательной последовательности.
По указанным причинам отключение в условиях несбалансированной нагрузки должно быть отложено, чтобы другие защитные устройства или оператор могли устранить неисправность выборочно.
Настройки защиты должны быть рассчитаны таким образом, чтобы характеристика отключения по току была как можно ближе к кривой теплоемкости генератора и постоянному пределу допустимости несбалансированной нагрузки.
Вернуться к списку кодов ↑
«21» защита от полного сопротивления
Эта защита необходима для выявления неисправностей вне машины и выведения генератора из строя в случае, когда они не устраняются по их собственной защите. Эта защита обычно применяется к генераторам с блочным трансформатором.
Настройки рассчитаны для выявления неисправностей внутри трансформатора с первым пороговым значением (в короткие периоды времени) и сбоями в сети со стороны питания блока трансформатора со вторым пороговым значением (длительное время).
Защита измеряет импеданс (отношение V / I) и срабатывает, когда это ниже установленных значений. Реле с круговой характеристикой с центром в начале плоскости RX обычно используется для защиты генератора.
Вернуться к списку кодов ↑
Максимальная защита от перегрузки 50 В с контролем напряжения
Эта защита аналогична защите от полного сопротивления (в некоторых моделях она измеряет отношение V / I) и служит для выявления неисправностей вне генератора. Пороговое значение максимального тока изменяется в зависимости от значения напряжения (фиксации). Чем больше напряжение сети понижается, тем ниже допустимый порог срабатывания.
Эта характеристика предотвращает риск неудачной работы из-за быстрого снижения тока повреждения, связанного с быстрым уменьшением напряжения, и добавляет преимущество обеспечения чувствительности реле к нормальным условиям перегрузки при поддержании напряжения на номинальном значении.
Как правило, характеристика фиксации напряжения рекомендует использовать это реле для выявления неисправностей, когда по какой-либо причине генератор работает без автоматического регулятора напряжения.
Поскольку это резервная защита, она должна быть согласована с другими сетевыми защитами, чтобы гарантировать выборочное отключение.
Вернуться к списку кодов ↑
'27' защита от пониженного напряжения
Эта функция защищает генератор и пользователей от чрезмерного падения напряжения, которое может возникнуть при запуске больших пользователей, когда регулятор напряжения работает неправильно или когда происходит падение напряжения из-за неисправности, не обнаруженной другими защитами.
Это реле должно регулироваться с минимальным значением, допустимым для работы в сети, и с временем задержки, которое позволяет восстановить значения переходного напряжения, вызванные этими явлениями. Время задержки должно учитывать время срабатывания регулятора напряжения и схемы возбуждения.
Вернуться к списку кодов ↑
'59' защита от перенапряжения
Эта функция защищает генераторы и пользователей от перенапряжений, которые могут возникнуть из-за внезапного отключения нагрузки или из-за неисправности регулятора напряжения.
Как правило, защита обеспечивается двумя порогами срабатывания, так как она должна быть чрезвычайно быстрой для больших перенапряжений, которые могут вызывать сбои в изоляции, тогда как для малых перенапряжений, которые могут быть решены регулятором напряжения, у него должно быть много времени.
Вернуться к списку кодов ↑
'81' Защита от перегрузки по частоте и по частоте
Реле перегрузки и понижения частоты используется для определения колебаний частоты, вызванных колебаниями нагрузки или плохой работой регулятора скорости первичного двигателя.
Порог установки реле должен быть рассчитан, чтобы разрешить переходные ситуации и предотвратить повреждение блока турбогенератора.
Настройка порога должна быть рассчитана на уровне частоты, эквивалентном максимальной / минимальной скорости, допускаемой турбиной и генератором с непрерывностью или на короткие периоды (регулирование возможно с использованием нескольких пороговых значений частоты).
Вернуться к списку кодов ↑
'24' Защита от переполнения
Эта функция защиты измеряет отношение напряжения / частоты (V / f) и позволяет контролировать, чтобы магнитная цепь не перешла в насыщение. Результатом условия переполнения является нагрев машины с последующим сокращением срока службы, поэтому обычно используемая характеристика имеет термический тип (с обратным временем).
Внимание должно быть уделено настройке, поскольку при номинальной частоте эта защита работает точно так же, как защита от перенапряжения, с которой она должна быть скоординирована.
Вернуться к списку кодов ↑
«64R» защита от повреждения заземления ротора
Полевая цепь генератора обычно изолирована от земли. Поэтому при наличии первоначального замыкания на землю нет необходимости останавливать генератор, и возможен только сигнал тревоги.
Чтобы иметь возможность контролировать полевую схему, должно быть возможно наложение низкочастотного сигнала (обычно около 20 Гц) на цепь постоянного тока, которая при надлежащем мониторинге позволяет отображать уровень изоляции машины.
Поэтому защита связана с генератором с низкой частотой, чтобы сформировать единую измерительную систему.
Вернуться к списку кодов ↑
«64S» защита от замыкания на землю статора
Идентификация замыканий на землю в генераторе зависит от способа запуска нейтрали. В генераторах среднего напряжения существует практически только два типа:
- Изолированный нейтральный;
- Нейтраль, заземленная величиной сопротивления и тока короткого замыкания, обычно составляет несколько ампер (обычно 5-10 А).
Для сетей с изолированной нейтралью: должна быть предусмотрена защита от гомополярного перенапряжения, которая является единственной, обеспечивающей определенную идентификацию неисправности.
Связанный с этой защитой (при наличии минимального емкостного тока в сети) устанавливаются направленные гомополярные защиты от перегрузки по току, которые только и работают исключительно для сбоев внутри машины, что позволяет выборочно идентифицировать неисправность.
Для сетей с нейтральным заземлением: с помощью сопротивления (как правило, на звездой переменного тока генератора) необходимо предусмотреть:
- защита от заземления (напряжения или тока) и, кроме того, в случае, когда в сети имеется несколько заземлений с одинаковым уровнем напряжения (в металлически взаимосвязанных сетях)
- направленная защита от перегрузки по току на стороне линии (отсек MV), а также направление отключения от сети к генератору.
Направленная максимальная токовая защита (67G) определяет только замыкания на землю в генераторе и, следовательно, первый шаг в селективности также может оказаться очень быстрым.
С другой стороны, защита от заземления (звезда) (51G) определяет неисправности в любой точке сети и, следовательно, представляет собой последний шаг избирательности и должна быть отложена.
Вернуться к списку кодов ↑
Матрица защиты срабатывания
Недостаточно обеспечить защиту, чтобы гарантировать безопасность и высокий уровень непрерывности обслуживания на заводе, но также необходимо обеспечить защиту и работу с наиболее подходящими рабочими частями.
Однострочная диаграмма и таблица являются примером стояка генератора, где предусмотрены защитные функции, и приведен пример возможной матрицы отключения с указанием возможных действий, которые должны выполнять различные функции защиты.
Однолинейная диаграмма стояка генератора
Пример установки стояка генератора, где предусмотрены защитные функции, подробно приведен пример возможной матрицы отключения с указанием возможных действий, которые должны выполнять различные функции защиты
Пример защиты генератора на гидроэлектростанции
АББ на основе 100% статора и защита от замыкания на землю ротора с защитой типа REG670.
Основы защиты генератора (ВИДЕО)
Ссылка // Критерии защиты сетей среднего напряжения от ABB