Проектування пристроїв релейного захисту

3.6.1. Вибір релейного захисту генераторів

Релейний захист гідрогенераторів повинен надійно захищати генератор від всіх можливих пошкоджень та ненормальних режимів. Для генераторів характерні наступні пошкодження:

· міжфазні КЗ;

· однофазні замикання на землю обмотки статора;

· міжвиткові КЗ;

· замикання на землю обмотки збудження.

Ненормальними режимами роботи генераторів є:

· струмові перевантаження при зовнішніх КЗ;

· струмові перевантаження через втрату синхронізму;

· перевантаження та підвищення напруги через форсування збудження.

Для генераторів потужністю до 10 МВт, що працюють за блочною схемою, передбачаються наступні пристрої РЗ від пошкоджень та ненормальних режимів:

· захист від однофазного замикання на землю обмотки статора;

· повздовжній диференційний захист генератора від міжфазних КЗ в обмотці статора та на виводах;

· захист від симетричного перевантаження обмотки статора генератора;

· захист від замикання на землю обмотки збудження.

Для генераторів потужністю більше 10 МВт, що працюють за блочною схемою, передбачаються наступні пристрої РЗ від пошкоджень та ненормальних режимів:

· захист від однофазного замикання на землю обмотки статора;

· повздовжній диференційний захист генератора від міжфазних КЗ в обмотці статора та на виводах;

· поперечний диференційний захист генератора від міжвиткових замикань обмотки статора генератора;

· захист від близьких зовнішніх КЗ (для генераторів потужністю більше 30 МВт);

· захист від перевантаження генератора струмами зворотної послідовності (для генераторів потужністю більше 30 МВт);

· захист від симетричного перевантаження обмотки статора генератора;

· захист від підвищення напруги обмотки статора генератора;

· захист від замикання на землю обмотки збудження.

Захист від однофазного замикання на землю обмотки статора (рис. 3.18). При замиканні на землю обмотки статора не відбувається зростання струмів у його фазах, оскільки генератор працює з ізольованою нейтраллю, а спостерігається перекіс фазних напруг, який призводить до появи напруги у вторинній обмотці однофазного трансформатора напруги ТН-0.

Для захисту генераторів потужністю до 30 МВт встановлюється одне реле напруги (РН1), яке захищає 90…95% витків обмотки статора рахуючи від початку обмотки. Цей захист є малочутливим до замикань на землю біля нейтралі генератора (5…10%), але у генераторах невеликої потужності замикання обмотки статора на землю в цій зоні не є небезпечним.

У генераторів з потужністю вище 30 МВТ необхідно захищати від замикання на землю 100% обмотки статора. Для цього до вторинної обмотки трансформатора напруги ТН-0 підключається ще одне реле напруги (РН2) яке реагує на складову третьої гармоніки напруги 3U₀ і є чутливим до однофазних замикань на землю поблизу нейтралі. Захист від однофазного замикання на землю обмотки статора діє без витримки часу на відключення генератора від мережі, відключення автомата гасіння поля (АГП) та зупинку гідроагрегату.

Рис. 3.18. Захист від однофазного замикання на землю обмотки статора

Повздовжній диференційний захист генератора від міжфазних КЗ в обмотці статора та на виводах (рис. 3.19). Цей захист генератора захищає від міжфазних КЗ. Зона його дії – між трансформаторами струми ТС1 та ТС2, тобто вся обмотка статора разом з головними та нульовими виводами. Діє без витримки часу на відключення генератора від мережі, відключення АГП та зупинку гідроагрегату.

Рис. 3.19. Повздовжній диференційний захист генератора

Поперечний диференційний захист генератора від міжвиткових замикань обмотки статора (рис. 3.20). Поперечний диференційний захист генератора захищає від міжвиткових КЗ. Для його виконання необхідно щоб фази обмотки статора були розщеплені надвоє. При нормальному режимі кількість витків в кожній напівобмотці однакова. В разі виникнення міжвиткового КЗ в одній з напівобмоток частина витків закорочується і через відповідне реле (РТ1, РТ2, або РТ3) протікає диференційний струм. Захист діє без витримки часу на відключення генератора від мережі, відключення АГП та зупинку гідроагрегату.

Рис. 3.20. Поперечний диференційний захист генератора

Захист від близьких зовнішніх КЗ (рис. 3.21). На генераторах потужністю до 60 МВт цей захист виконується у вигляді струмового захисту з пуском при зниженні напруги (рис. 3.21,а). На генераторах потужністю 60 МВт і більше для захисту від близьких зовнішніх КЗ рекомендовано застосовувати дистанційний захист (рис. 3.21,б). Захист діє на відключення генератора від мережі, відключення АГП та зупинку гідроагрегату з витримкою часу 3…5 с.

а)

б)

Рис. 3.21. Захист від близьких зовнішніх КЗ (а – генераторів потужністю 30-60 МВт, б – генераторів потужністю більше 60 МВт)

Захист від перевантаження генератора струмами зворотної послідовності (рис. 3.22). Цей захист виконується на базі реле потужності зворотної послідовності (РМОП). Діє на сигнал з витримкою часу 5…10 с.

Рис. 3.22. Захист від перевантаження генератора струмами зворотної послідовності

Захист від симетричного перевантаження обмотки статора генератора (рис. 3.23). Представляє собою звичайний максимальний струмовий захист, який діє на сигнал при зростанні струму у всіх трьох фазах генератора. Захист діє на сигнал з витримкою часу 5…10 с.

Рис. 3.23. Захист від симетричного перевантаження обмотки статора генератора

Захист від підвищення напруги обмотки статора генератора (рис. 3.24). На блоках з гідрогенераторами для запобігання підвищенню напруги при скиданні навантаження (при переході гідроагрегату в режим синхронного компенсатора) повинен бути передбачений захист від підвищення напруги. Захист повинен діяти на відключення генератора та АГП без витримки часу.

Рис. 3.24. Захист від підвищення напруги обмотки статора генератора

Захист від замикання на землю обмотки збудження (рис. 3.25). Захист виконується з використанням принципу зрівноваженого моста. Одну точку обмотки збудження заземлюють і між цією заземленою точкою та середньою точкою потенціометра R включають реле Р. Струм через реле Р в нормальному режимі не протікає. В разі виникнення замикання обмотки збудження на землю , порушується рівновага плечей моста і в реле Р протікає струм. Захист діє на відключення генератора та АГП без витримки часу.

Рис. 3.25. Захист від замикання на землю обмотки збудження

3.6.2. Вибір релейного захисту блочних трансформаторів

Релейний захист блочних трансформаторів повинен надійно захищати трансформатор від всіх можливих пошкоджень та ненормальних режимів. Для трансформаторів характерні наступні пошкодження:

· міжфазні КЗ в обмотках та на виводах;

· міжвиткові КЗ в обмотках;

· замикання обмоток на землю.

Для захисту трансформатора від цих пошкоджень використовується наступна група захистів:

· диференційний захист трансформатора від міжфазних КЗ в обмотках та на виводах;

· земляний захист трансформатора від однофазних коротких замикань на землю (для трансформаторів з вищою напругою 110 кВ та вище);

· газовий захист від внутрішніх пошкоджень трансформатора (газове реле врізається у трубу яка з’єднує бак та розширювач трансформатора).

Повна схема релейного захисту двохобмоткового блочного трансформатора з вищою напругою 154 кВ приведена на рис. 3.26.

Рис. 3.26. Схема захисту блочного трансформатора 154/13,8 кВ

Всі захисти блочного трансформатора діють на його відключення з обох сторін та на відключення АГП всіх генераторів блоку.

Диференційний захист блочного трансформатору з розщепленою обмоткою нижчої напруги виконується аналогічно до диференційного захисту двохобмоткового трансформатора з урахуванням того, що вторинні кола відповідних фаз трансформаторів струму напівобмоток нижчої напруги з’єднуються паралельно.

Для одиничних блоків в якості резервного захисту встановлюється диференційний захист блоку (рис. 3.27), який діє на відключення блочного вимикача, генераторного вимикача (за його наявності) та на відключення АГП генератора. Час спрацювання цього захисту – 0,3…0,5 с.

Рис. 3.27. Релейний захист одиничного блоку «генератор-трансформатор»

3.6.3. Вибір релейного захисту трансформаторів та АТ зв’язку

Для захисту трансформаторів та АТ зв’язку використовується наступна група захистів:

· диференційний захист трансформатора або АТ від міжфазних КЗ в обмотках та на виводах;

· земляний захист трансформатора або АТ від однофазних коротких замикань на землю;

· газовий захист від внутрішніх пошкоджень трансформатора або АТ.

Схеми цих трьох захистів повністю аналогічні до схем захистів блочних трансформаторів. До цих захистів додається захист від близьких зовнішніх КЗ з обох сторін трансформатора (автотрансформатора) що представляє собою дистанційний захист, який діє на відключення трансформатора (автотрансформатора) з усіх сторін з витримкою часу 2…5 с. Схему цього захисту для автотрансформатора приведено на рис. 3.28.

Рис. 3.28. Захист автотрансформатора від близьких зовнішніх КЗ

Релейний захист трансформаторів власних потреб ГЕС. Оскільки ці трансформатори мають невелику потужність (до 25 МВА), схеми їхніх захистів простіші та складаються з:

· струмової відсічки;

· максимального струмового захисту;

· газового захисту (якщо трансформатор власних потреб масляний).

На рис. 3.29 представлена схема захисту сухого трансформатору власних потреб ГЕС 6/0,4 кВ потужністю 1000 кВА.

Рис. 3.29. Схема захисту сухого трансформатора власних потреб ГЕС

3.6.4. Вибір релейного захисту ЛЕП

Релейний захист ліній 35 кВ. ЛЕП цього класу напруги працюють з ізольованою нейтраллю. Для транзитних ЛЕП 35 кВ що відходять від ГЕС використовують такі захисти (рис. 3.30):

· напрямлена струмова відсічка;

· напрямлена двоступенева МСЗ.

Рис. 3.30. Схема напрямлених МСЗ та СВ лінії 35 кВ з двостороннім живленням (транзитна ЛЕП)

Для тупикових ЛЕП 35 кВ що відходять від ГЕС використовують такі захисти (рис. 3.31):

· ненапрямлена струмова відсічка;

· ненапрямлена двоступенева МСЗ.

Рис. 3.31. Схема ненапрямлених МСЗ та СВ лінії 35 кВ з одностороннім живленням (тупикова лінія)

Релейний захист ЛЕП 110…750 кВ. ЛЕП цих класів напруги працюють із заземленою нейтраллю. Для транзитних ЛЕП 110…750 кВ що відходять від ГЕС використовують такі захисти:

· диференційно-фазний захист (основний захист від всіх видів КЗ);

· напрямлений дистанційний захист (резервний захист від міжфазних КЗ);

· напрямлений земляний захист (резервний захист від однофазних КЗ).

Диференційно-фазний захист діє на відключення вимикача ЛЕП без витримки часу. Схема диференційно-фазного захисту приведена на рис. 3.32.

Рис. 3.32. Схема диференційно-фазного захисту ЛЕП (один напівкомплект)

Для ЛЕП довжиною до 5…7 км рекомендовано застосовувати одноступеневий дистанційний захист без витримки часу та триступеневий земляний захист (перша ступінь без витримки часу). Для ЛЕП більшої довжини застосовують триступеневий дистанційний захист та чотириступеневий земляний захист. Перші ступіні обох захистів виконують без витримки часу. Всі ступні всіх захистів діють на відключення вимикача ЛЕП. Схема напрямлених триступеневого дистанційного та чотириступеневого земляного захистів представлена на рис. 3.33.