методэ. Шелушенина РЗА генер. АТ и С.Ш.. М. О. Скрипачев релейная защита электроэнергетических систем. Защита генераторов, трансформаторов и сборных шин
 Скачать 4.26 Mb.
|
|
ОН. ШЕЛУШЕНИНА П.А. КУЛАКОВ Л.Г. МИГУНОВА М.О. СКРИПАЧЕВ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ЗАЩИТА ГЕНЕРАТОРОВ, ТРАНСФОРМАТОРОВ И СБОРНЫХ ШИН Учебное пособие Самара Самарский государственный технический университет 2011 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» К а ф ед р а Электрические станции» О.Н. ШЕЛУШЕНИНА П.А. КУЛАКОВ Л.Г. МИГУНОВА М.О. СКРИПАЧЕВ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ЗАЩИТА ГЕНЕРАТОРОВ, ТРАНСФОРМАТОРОВ И СБОРНЫХ ШИН Учебное пособие Самара Самарский государственный технический университет 2011 2 Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ УДК 621.311:621.316.9(075.8) Ш 44 Шелушенина О.Н. Ш 44 Релейная защита электроэнергетических систем. Защита генераторов, трансформаторов и сборных шин учеб. пособие / ОН. Шелушенина, П.А. Кулаков, Л.Г. Мигунова, М.О. Скрипачев. – Самара Самар. гос. техн. унт. – 224 сил Рассматриваются защиты элементов электрических станций и подстанций. Изложены принципы действия, назначение, техническая реализация и основы расчета отдельных защит, как находящихся в эксплуатации, таки выпускаемых отечественной промышленностью, включая микропроцессорную технику. Для студентов вузов, обучающихся по специальности 140200 Электроэнергетика, а также для слушателей курсов повышения квалификации эксплуатационного персонала энергетических систем. Р е цензе н ты начальник службы РЗА Волжского ПО филиала ОАО «МРСК Волги – Самарские РС»Д.В. Ф о ломе е в , др. техн. наук, проф. каф. АЭЭС СамГТУ В.М. С а л ты ко в УДК Ш 44 ISBN 978-5-7964-1409-5 ОН. Шелушенина ПА. Кулаков, Л.Г. Мигунова, М.О. Скрипачев, 2011 Самарский государственный технический университет, 2011 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие охватывает часть курса Релейная защита энергетических систем для студентов специальности Релейная защита электроэнергетических систем. Пособие может использоваться студентами специальности 140204 Электрические станции, которым читается курс лекций Релейная защита элементов электрических станций, а также студентами других энергетических специальностей. В учебном пособии рассмотрены защиты элементов электрических станций генераторов, работающих на сборные шины, трансформаторов, блоков генератор – трансформатор и сборных шин. Особенности защит автотрансформаторов подстанций с вольтодобавочными и регулировочными трансформаторами, а также защиты трансформаторов без выключателей со стороны высшего напряжения в настоящей работе не рассматриваются. Не рассматриваются также защиты генераторов малой и средней мощности (до 30 МВт. Защиты указанных элементов могут быть изучены самостоятельно по указанной в конце книги литературе. В настоящее время в энергосистемах России активно внедряются устройства защиты и автоматики, выполненные на микропроцессорной технике, однако в значительной степени еще используются защиты на электромеханической и полупроводниковой элементной базе, поэтому авторы сочли необходимым излагать материал в следующем порядке сначала рассмотреть принципы выполнения защит на электромеханической и полупроводниковой технике, затем показать особенности выполнения защит каждого элемента электрической станции или подстанции на цифровом принципе. В пособии приведены принципы выполнения и схемы защит, рассмотрены методы расчета отдельных защит, что дает возможность использовать настоящее пособие в курсовом и дипломном проектировании Существующие учебники и учебные пособия, список которых приведен в конце работы, имеют большой объем, часто перегружены сведениями о конструкциях и особенностях выполнения отдельных устройств и трудны для первого прочтения. Поэтому предлагаемое учебное пособие, которое представляет собой фактически развернутый конспект лекций по части изучаемой дисциплины, безусловно, будет полезно студентам очного, и особенно заочного и дистанционного обучения при самостоятельной работе над дисциплиной Релейная защита электроэнергетических систем». ВВЕДЕНИЕ В настоящем учебном пособии в сжатом объеме изложены принципы выполнения, схемы, особенности расчетов и области применения защит основного электротехнического оборудования электрических станций и подстанций трансформаторов, генераторов, работающих на сборные шины, блоков генератор – трансформатор и сборных шин как генераторного, таки повышенного напряжения. Рассмотрено выполнение защит на электромеханической и полупроводниковой элементных базах, а также показаны особенности выполнения микропроцессорных защит. Даны методики выбора уставок микропроцессорных защит, что позволит использовать настоящее пособие в курсовом и дипломном проектировании. В пособии нашли отражение современные релейные защиты, в том числе и цифровые, крупных генераторов, трансформаторов и энергоблоков со сложными характеристиками, которые успешно эксплуатируются на действующих электростанциях и подстанциях, а также применяются при модернизации и строительстве новых энергетических объектов. Первая часть курса представлена в учебном пособии Релейная защита электроэнергетических систем. Принципы выполнения защит. Защиты линий электропередач [15], которое было издано ранее ив котором изложены требования к защитам, принципы выполнения защит, требования к первичным измерительным трансформаторам (трансформаторам тока и напряжения, а также рассмотрены все защиты линий электропередач, начиная с простых токовых и заканчивая дифференциальными и высокочастотными защитами линий. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ. НАРУШЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТАМ Виды повреждений трансформаторов и защиты от них. Витковые замыкания между витками или слоями обмотки одной фазы являются самым частым видом повреждений внутри бака. При этом токи, идущие к месту повреждения от источников питания, могут быть небольшими. Чем меньше число замкнувшихся витков, тем меньше будет ток, идущий из сети. Замыкания на землю обмоток или их наружных выводов также относятся к часто встречающимся повреждениям. Замыкания назем- лю обмоток высокого и среднего напряжения, нейтраль которых заземлена, в большинстве случаев являются КЗ и сопровождаются большими токами. Замыкания на землю обмотки низшего напряжения, которая работает с разземленной нейтралью, не являются КЗ и сопровождаются емкостными токами замыкания на землю, величина которых относительно мала. Повреждения магнитопровода трансформатора приводят к появлению местного нагрева и пожару стали». Междуфазные КЗ. КЗ между фазами внутри кожуха трансформатора (трехфазного) и на наружных выводах обмоток относятся к наиболее опасным повреждениями сопровождаются большими токами КЗ. Однако междуфазные КЗ внутри трехфазных трансформаторов встречаются крайне редко. В группах, составленных из трех однофазных трансформаторов или автотрансформаторов, замыкания между обмотками разных фаз невозможны. В основном междуфазные КЗ наблюдаются на ошиновках трансформаторов и автотрансформаторов От повреждений трансформаторов применяются дифференциальная и газовая защиты. Для трансформаторов малой мощности могут использоваться токовые отсечки без выдержки времени в сочетании с максимальной токовой защитой. Газовая защита действует при повреждениях внутри бака. Дифференциальная защита действует при повреждениях внутри бака и на выводах. Для ограничения размеров разрушений защита от внутренних повреждений должна действовать как можно быстрее (t = 0,05-0,1 с). Для того чтобы защита действовала при витковых замыканиях с небольшим числом замкнувшихся витков, а также в самом начале повреждения, чувствительность защиты должна быть как можно выше. Виды ненормальных режимов и защиты от них Наиболее частым ненормальным режимом является появление сверхтоков при внешних КЗ, качаниях и перегрузках. Внешние КЗ вызываются повреждениями на шинах распредустройства или неотключившимися повреждениями на отходящих от шин присоединениях. Защита от внешних КЗ осуществляется с помощью МТЗ с блокировкой минимального напряжения, дистанционной релейной защиты, токовых защит нулевой и обратной последовательностей. В зону действия защит от внешних КЗ должны входить шины подстанции и присоединения, отходящие от этих шин (дальнее резервирование). Перегрузки. Трансформаторы допускают перегрузки порядка (1,5-2)I ном в течение значительного времени, которые могут быть ликвидированы обслуживающим персоналом. Поэтому защиты от перегрузки трансформаторов действуют, как правило, на сигнал. Неполнофазный режим На трансформаторах предусматривается защита от неполнофазных режимов, возникающих при отключении (или включении) не всеми фазами сторон высшего или среднего напряжения. Эта защита должна действовать на отключение трансформатора для предотвращения отключения в указанном режиме второго, параллельно работающего трансформатора. Понижение уровня масла в баке ниже уровня обмоток возможно при течи в баке или резком понижении температуры наружного воздуха, что может привести к повреждению обмоток. Приданном нарушении нормального режима должна действовать газовая защита сначала на сигнала при дальнейшем снижении уровня масла – на отключение трансформатора. ОСОБЕННОСТИ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ На рис. 1.1 приведены однофазные схемы обмоток трансформатора и автотрансформатора (АТ, с помощью которых можно показать особенности автотрансформаторов [4]. а б Рис. 1.1. Схемы обмоток: а – трансформатора б – автотрансформатора. В трансформаторе первичный ток I 1 проходит по первичной обмотке w 1 , а вторичный I 2 – по вторичной В автотрансформаторе ток I 1 проходит только по части первичной обмотки w 1 – w 2 , называемой последовательной. В обмотке w 2 , называемой общей, проходит ток общ = I 2 – I 1 . Вторичным током АТ является ток I 2 = I 1 + общ 2. Автотрансформатор характеризуется двумя значениями мощности проходной S прох , называемой номинальной, и расчетной S расч , называемой также типовой. Проходная мощность указывается в каталогах. Эта мощность передается с первичной на вторичную обмотку АТ: прох 2 2 1 1 I U I U S = = Расчетной называется мощность, по которой рассчитываются параметры обмоток и магнитопровода АТ. Она равна: ( ) выг прох прох расч k S K 1 1 S U U 1 U I U U I S 1 2 1 1 2 1 1 ⋅ = − = − = − = , (где K – коэффициент трансформации автотрансформатора, равный 1 2 1 w w U U K = = ; выг k – коэффициент выгодности, показывающий, во сколько раз S расч , определяющая размеры автотрансформатора, меньше S прох , равной номинальной мощности АТ: выг 1 2 1 1 2 1 w w w U U U K 1 1 k − = − = − = (1.2) 3. У автотрансформатора вторичная цепь электрически связана с первичной, поэтому если нейтраль не заземлена, то при замыкании на землю одной фазы в сети ВН потенциал (по отношению к земле) неповрежденных фаз в сети СН повышается до значения фазного напряжения сети ВН. На рис. 1.2: ( ) ВН А U , ( ) ВН В U , ( ) ВН С U – фазные напряжения со стороны ВН автотрансформатора СНА, ( ) СН В U , ( ) СН С U – фазные напряжения со стороны СН АТ. Замкнулась на землю фаза А со стороны ВН. Если нейтраль не заземлена, то потенциал точки А будет равен нулю (земля, потенциал нейтрали будет равен ( ) ВН А Н U U − = , а напряжения фаз В и С со стороны СН будут равны ( ) ( ) 0 СНА, ( ) ( ) ( ) СН В Н СН В U U U + = ) 1 ( 1 , ( ) ( ) ( ) СН С Н СН С U U U + = ) 1 ( 1 , те. фазные напряжения по отношению к земле фаз В и С со стороны СН значительно увеличатся и значительно превысят свои линейные напря- жения. Рис. 1.2. Напряжения в автотрансформаторе при замыкании на землю Для предупреждения такого повышения напряжения нейтраль АТ должна обязательно заземляться, как это показано на рис. 1.2. 4. АТ дополняются третьей обмоткой, соединенной в треугольник, которая служит для замыкания третьих и кратных трем гармоник магнитных потоков и токов нулевой последовательности. Дополнительная обмотка низшего напряжения (НН) имеет магнитную связь с обмотками (ВН) и (СН). Она выполняется на напряжение 6-10-35 кВ и используется для подключения потребителей и источников реактивной мощности, регулировочных и вольтодобавочных трансформаторов на подстанциях, а на электрических станциях – для подключения генераторов и резервных трансформаторов собственных нужд. Номинальная мощность третьей обмотки принимается равной S расч и всегда меньше в k выг раз, чем номинальная мощность автотрансформатора, которая указывается в справочниках и каталогах. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВОЙ ОТСЕЧКИ Токовая отсечка – самая простая быстродействующая защита от повреждений в трансформаторе (рис. Отсечка устанавливается со стороны питания. Выполняется без выдержки времени (t = 0) c помощью мгновенного реле тока типа РТ-40 или электромагнитного элемента реле РТ. Трансформаторы тока собираются обычно по схеме неполная звезда (двухфазная двухрелейная схема. Реле КА используется для повышения чувствительности защиты к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме Y/∆ [15]. Ток КЗ при повреждении трансформатора со стороны питания (точка К) обычно значительно больше, чем при КЗ за трансформатором (точка К, рис. 1.3), если оба тока приведены к одному напряжению. Рис. 1.3. Токовая отсечка на трансформаторе Токовую отсечку отстраивают оттока КЗ за трансформатором ( ) 3 КЗвн отс з с max I k I = , где коэффициент отстройки 4 1 3 1 отс , , k − = для защиты с реле РТ и 1 отс , k = для защиты с реле РТ ) 3 КЗ.вн max . I – ток трехфазного КЗ при повреждении за трансформатором (точка Кв максимальном режиме работы системы, приведенный к стороне ВН. Кроме того, отсечка не должна действовать от бросков тока намагничивания при включении силового трансформатора: . . kI I ном з, где 5 ном номинальный ток стороны ВН трансформатора. Достоинство отсечки – простота. Но отсечка не защищает весь трансформатор. Она защищает выводы ВН и часть обмотки. Применяется в сочетании с МТЗ и газовой защитой для трансформаторов малой мощности (до 5600 кВА). 1.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА Назначение и принцип действия Дифференциальная защита применяется в качестве основной быстродействующей РЗ трансформаторов от внутренних КЗ и от КЗ на выводах. Для выполнения дифференциальной защиты используются трансформаторы тока, установленные со стороны ВН и НН защищаемого трансформатора (рис. При внешнем КЗ (точка К) защита не должна действовать, а при КЗ в трансформаторе (точка К) должна срабатывать. С учетом этого вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются, как это показано на рис. 1.4. Тогда при внешнем КЗ (риса) вторичные токи I 1 ив защите направлены встречно, поэтому ток в реле равен их разности (Для того чтобы защита не работала при внешних КЗ, необходимо, чтобы вторичные токи в плечах РЗ были равны. Тогда ток в реле будет отсутствовать Рис. 1.4. Токи в дифференциальной защите трансформатора: а – при внешнем КЗ; б – при КЗ в трансформаторе Однако, как это будет показано ниже, токи в реле при внешнем КЗ не равны и составляют вторичный ток небаланса: вт нб 2 1 p I I I I . . . = − = (При КЗ в защищаемом трансформаторе (рис. 1.4, б) вторичные токи проходят по обмотке реле водном направлении, в результате ток в реле равен их сумме Если I p будет больше, чем ток срабатывания реле ( ) p c p . I I > , то реле сработает и отключит трансформатор. Особенности дифференциальной защиты трансформаторов. Первичные токи I I и I II трансформатора неравны по величине. Ток со стороны высшего напряжения всегда меньше тока I II со стороны низшего напряжения. Их соотношение в нагрузочном режиме равно коэффициенту трансформации силового трансформатора т II I K I I = Если трансформатор соединен по схеме ∆ Y или Y ∆ , то первичные токи не совпадают по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединений обмоток. Так, для схемы ∆ Y -11 этот угол составляет 330 о . Вторичные токи получаются также неравными и сдвинутыми по фазе на о (рис. 1.5, а). В трансформаторе с соединением обмоток Y Y -12 первичные токи I I и I II совпадают по фазе (рис. 1.5, б). Чтобы вторичные токи в защите были равны по величине и по фазе и не создавали дополнительного тока небаланса, необходимы специальные меры для выравнивания вторичных токов и для компенсации фазового сдвига. Компенсация сдвига токов по фазе осуществляется следующим образом вторичные обмотки трансформаторов тока со стороны звезды силового трансформатора соединяются в треугольника со стороны треугольника силового трансформатора – в «звезду». На рис. 1.5, в приведена схема соединения вторичных обмоток трансформаторов тока для силового трансформатора, собранного по схеме Y/Δ-11. На этом же рисунке показано распределение токов и векторные диаграммы токов при нагрузке и внешнем трехфазном КЗ. Из диаграммы следует, что вторичные токи I AB(2) , I BC(2) , I CA(2) в линейных проводах после соединения в треугольник сдвигаются относительно соответствующих фазных токов в первичной и вторичной обмотках трансформаторов тока на угол 30 ° 14 Рис. 1.5. Векторные диаграммы первичных и вторичных токов: а – присоединении обмоток Y/Δ; б – присоединении обмоток Y/Y; в – в схеме дифференциальной защиты Токи в проводах второй группы трансформаторов тока I ab(2) , I bc(2) , I ca(2) совпадают по фазе со своими первичными линейными токами I ab , I bc , I ca , которые сдвинуты по отношению к первичному току «звезды» силового трансформатора также на угол 30 ° . В результате этого токи, поступающие в реле, совпадают по фазе. Соединить вторичные обмотки трансформаторов тока, установленных со стороны звезды силового трансформатора, в треугольник необходимо также для исключения ложной работы дифференциальной защиты при КЗ на землю в сети высшего напряжения. Токи нулевой последовательности при КЗ на землю (точка K (1) , рис) могут замыкаться только через обмотку трансформатора, соединенную в звезду, при условии, что нейтраль трансформатора заземлена. Проходя по звезде силового трансформатора, эти токи трансформируются в фазы обмотки, соединенной в треугольник. В контуре треугольника эти токи циркулируют, не выходя за его пределы. Рис. 1.6. Токи нулевой последовательности в дифференциальной защите трансформатора Таким образом, токи нулевой последовательности при КЗ назем- лю в сети ВН будут протекать только по звезде силового трансформатора и, если не принять специальных мер, могут вызвать неправильную работу защиты. Если трансформаторы тока со стороны звезды силового трансформатора собрать в треугольник, то вторичные токи нулевой последовательности в (рис. 1.6) будут замыкаться в треугольнике и не попадут в реле. Выравнивание величин вторичных токов в плечах дифференциальной защиты Компенсация неравенства первичных токов по величине достигается подбором коэффициентов трансформации трансформаторов тока, а также установкой специальных уравнительных промежуточных автотрансформаторов или промежуточных трансформаторов. Если трансформатор соединен по схеме Y Y , то для выполнения равенства 0 I I I = − = IIв Iв p необходимо выполнить соотношения в в т т где т – коэффициент трансформации силового трансформатора и K I2 – коэффициенты трансформации трансформаторов тока, установленных со стороны ВН и НН силового трансформатора. При соединении силового трансформатора по схеме Y/Δ трансформаторы тока со стороны звезды соединяются в треугольники ток в плече, питающемся от трансформаторов тока, включенных в треугольник, равен 3 1 ⋅ I I K I , а в плече, питающемся от трансформаторов тока, соединенных в звезду, равен С учетом этого коэффициенты трансформации трансформаторов тока должны находиться в соотношении т 2 K I I K K I II I I = ⋅ = 17 Таким образом, трансформаторы тока со стороны ВН должны выбираться на номинальный ток, враз больший, чем номинальный ток трансформатора. Трансформаторы выпускаются со стандартными коэффициентами трансформации. Поэтому подбором коэффициентов трансформации трансформаторов тока точно выровнять вторичные токи нельзя. Для полного выравнивания вторичных токов применяют специальные автотрансформаторы или промежуточные трансформаторы тока. Выравнивающие автотрансформаторы. Автотрансформатор включается водно из плеч защиты (риса. Коэффициент трансформации автотрансформатора а подбирается так, чтобы его вторичный ток 2 I ′ был равен току 1 I в другом плече защиты: а K I I I 2 1 2 = = ′ , тогда 1 2 I I K а = (1.8) Промежуточные автотрансформаторы типа АТ используются, если вторичный номинальный ток с одной стороны трансформатора равен 1А, а с другой – А типа АТ – если вторичный ток превышает А Выравнивающий промежуточный трансформатор тока (рис. 1.7, б) имеет три первичные обмотки две уравнительные и одну дифференциальную. Уравнительные обмотки 1 ур w и 2 ур w включаются в плечи защиты, а рабочая обмотка, называемая также дифференциальной д, включается по дифференциальной схеме на разность токов плеч. К вторичной обмотке промежуточного трансформатора подключается реле тока КА. Для двухобмоточных трансформаторов используется только одна уравнительная обмотка, как это показано на рис. 1.7, б Рис. 1.7. Выравнивание вторичных токов в схеме дифференциальной защиты: а – с помощью промежуточных автотрансформаторов б – с помощью промежуточного трансформатора Вторичный ток 1 I протекает по первой уравнительной обмотке 1 ур w и по дифференциальной обмотке д. Поток в сердечнике от этого тока будет равен дур 1 1 + = w I w I k Ф . . . Ток 2 I будет протекать только по дифференциальной обмотке w д Поток в сердечнике от этого тока д 2 w I k Ф . = В сердечнике оба потока направлены встречно, поэтому результирующий поток равен их разности д 2 д 1 ур1 1 2 1 рез − + = − = w I w I I k Ф Ф Ф . . . . . . Этот результирующий магнитный поток будет создавать ток в реле. Чтобы при внешних КЗ ток в реле был равен нулю (I p = результирующий поток Фрез также должен быть равен нулю. Отсюда 0 д 2 д 1 1 ур 1 = − + w I w I w I . . . , и число витков уравнительной обмотки дур (Такой способ выравнивания магнитных потоков широко применяется в специальных дифференциальных реле типа РНТ и ДЗТ. Уравнительная обмотка включается стой стороны силового трансформатора, где вторичный ток меньше. В дифференциальной защите трехобмоточных трансформаторов используются две уравнительные обмотки. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ |