В настоящее время, накоплен довольно большой опыт эксплуатации защиты от замыканий на землю в электроустановках с компенсацией емкостного тока основанный на наложении контрольного тока с частотой 25 Гц [1,2, 3].
Наложение контрольного тока с помощью специального источника контрольного тока (ИКТ) обеспечивает работу защиты при устойчивых замыканиях на землю. При перемежающихся замыканиях защита работает за счет естественных низкочастотных гармоник, которые возникают вследствие того, что частота пробоев при таких замыканиях лежит в пределах 5−4-15 Гц [4, 5]. Токи низкочастотных гармоник, порождаемые дуговым перемежающимся замыканием, протекают преимущественно через дугогасящий реактор, который имеет низкое сопротивление в этой области частот, и сильно ограничиваются в контурах элементов электроустановки, имеющих емкостное сопротивление относительно земли. Благодаря этому, токи низкочастотных гармоник в поврежденном элементе значительно больше, чем в неповрежденных элементах. Это принципиально важное благоприятное обстоятельство, а также длительный положительный опыт эксплуатации защит, использующих естественные низкочастотные гармоники и искусственно наложенный контрольный ток с частотой 25 Гц, обусловили принятие научно-производственным предприятием «ЭКРА» в ряде случаев такого способа выполнения защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов [6, 7, 8].
В частности в составе комплексных цифровых защит НЛП «ЭКРА» применяются следующие защиты с наложением контрольного тока с частотой 25 Гц:
1. Защита от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов, работающих в блоке с трансформатором параллельно на одну обмотку низкого напряжения и с заземлением нейтрали генераторов через дугогасящие реакторы;
2. Защита от замыканий на землю в обмотке статора генераторов, подключенных к сборным шинам электростанции, питающей сеть с компенсацией емкостного тока;
3. Защита от замыканий на землю в обмотке статора генератора, работающего в блоке с трансформатором и питающего сеть собственных нужд или сеть местной нагрузки через реактированную отпайку. В данном случае суммарный емкостный ток замыкания на землю сети невелик, и поэтому сеть имеет либо изолированную нейтраль, либо нейтраль заземленную через резистор.
Схемы электроустановок, в которых используется защита от замыканий на землю по п.п.1, 2 и 3, приведены на рис. В1.
Для защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов известны и применяются устройства, выполненные и на других принципах. В частности это устройства защиты, использующие высшие гармоники напряжения нулевой последовательности и токов нулевой последовательности.
Защиты от замыканий на землю в обмотке статора генератора использующие третью гармоническую э.д.с. насколько нам известно, предложены в [9] и затем активно развиты в работах [10, 11, 12, 13, 14, 15]. Эти устройства защиты могут быть применены в схеме по рис. В1, а. По принципу действия они не будут иметь зону нечувствительности при замыканиях вблизи нейтрали, но избирательное действие по отношению и поврежденному генератору не обеспечивается. В [16] приводится результаты разработки защиты от замыканий на землю, основанной на использовании электрических величин переходного процесса для защиты линий. Применение такой защиты для генераторов нам не известно.
Для схемы укрупненного блока по рис. В1, а, применима также защита с наложением постоянного тока [17]. При отсутствии требования селективности защита на постоянном токе имеет то преимущество, что одновременно может быть выполнен непрерывный контроль эквивалентного сопротивления.
Рис. В1. Схемы электроустановок, в которых применяется защита от замыканий на землю с использованием низкочастотных гармоник тока нулевой последовательности и наложением тока с частотой 25 Гц.
В схеме включения генераторов по рис. В 1,6 и рис. В1, в важнейшим требованием является селективность, поскольку применение неселективной защиты может приводить к отключению генератора при каждом замыкании на землю в связанной с генератором сети. При этом следует иметь ввиду, что замыкания на землю в сети происходят довольно часто.
Предложение, описанное в [18] и основанное на согласовании по времени защит элементов сети и генератора, представляется недостаточно проработанным в части согласования защит генератора и линий по чувствительности.
Защиты от замыканий на землю генераторов, работающих на сборные шины, с использованием высших гармоник описаны в работах [19, 20] и применяется на ряде электростанций. Ограничением для применения такой защиты является значение емкостного тока однофазного замыкания сети, который должен быть не менее 30−40 А.
Селективная защита в обмотке статора генератора для схемы по рис. В1, в в принципе может быть выполнена с наложением контрольного тока через разомкнутый треугольник трансформаторов напряжения.
Наложение тока с частотой, отличающейся от промышленной, через трансформаторы напряжения (ТН) известны [21, 22, 23]. Однако при этом решается задача только обеспечения отсутствия зоны нечувствительности, а задача обеспечения селективности не решается. Для решения задачи в таком виде нет необходимости получать максимально возможный контрольный ток, так как все измерения электрических величин осуществляются во вторичных цепях. Поэтому, когда решается задача устранения зоны нечувствительности и абсолютные значения наложенного контрольного тока могут быть сравнительно малыми, то и не возникает технических проблем в части собственно источника контрольного тока, схемы и параметров элементов для его присоединения и режима работы трансформатора напряжения.
В связи с этим в главе 2 подробно рассматривается выполнение такой защиты с наложением контрольного тока с частотой 25 Гц через типовые трансформаторы напряжения. При этом ставится задача получения тока такой величины, который на основании имеющегося опыта может быть зафиксирован в нулевом проводе группы из трех типовых трансформаторов тока на выводах генератора.
Таким образом защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов с наложением контрольного тока с частотой 25 Гц при включении источников контрольного тока, как показано на схемах рис. В1, по принципу действия не имеют зоны нечувствительности по виткам обмотки статора и обладают свойством селективности по отношению к поврежденному генератору.
Такую защиту можно вполне обоснованно считать, одним из эффективных вариантов защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов. Поэтому целесообразно проведение исследований направленных на ее совершенствование.
С точки зрения технической реализации применение данной защиты для генераторов имеет особенность, заключающуюся в том, что при устойчивом замыкании из-за большого коэффициента трансформации трансформаторов тока вторичный контрольный ток получается весьма малым. Это объясняется тем, что источник контрольного тока, имеющий приемлемые га/ бариты и стоимость, может выдать лишь ограниченный сравнительно небольшой ток.
Применяемые в настоящее время источники контрольного тока, выполненные на базе электромагнитного параметрического делителя частоты по причинам, которые рассматриваются далее, могут выдать в компенсированной сети при замыкании на землю ток с частотой 25 Гц, значение которого приведено в таблице В1.
Таблица В1.
Номинальное напряжение электроустановки, кВ. 6,3 10,5 13,8 15,75.
Контрольный ток выдаваемый ИКТ, А. 1,25 0,75 0,57 0,5.
Проиллюстрируем возможные значения вторичного контрольного тока. В качестве примера возьмем наиболее тяжелый случай, а именно случай применения защиты гидрогенераторов для Усть — Илимской ГЭС, которые включены по схеме рис. В2.
Рис. В2. Распределение контрольного тока в схеме блока при устойчивом замыкании.
Номинальное напряжение генераторов 15,75 кВ, коэффициент трансформации трансформаторов тока — пТА = 12 000 / 5. При замыкании на землю в одном из генераторов пути протекания токов показаны на рис. В2.
Как видно из рис В2, по трансформаторам тока протекает ток равный половине тока, выдаваемого источником. Поэтому вторичный контрольный ток будет равен Т 2.
0,5 = 0,104 мА. 2−2400.
Уровень сигнала весьма мал. Однако, по опыту применения защиты, в том числе и в составе комплексной защиты Hiiil «ЭКРА», такой сигнал достаточно надежно выделяется частотными фильтрами. Тем не менее очевидно, что увеличение уровня сигнала при прочих равных условиях приведет к повышению надежности защиты.
Поэтому одной из задач, которая решается в данной работе, является поиск возможности некоторого повышения контрольного тока, создаваемого источником контрольного тока, в качестве которого используется электромагнитный параметрический делитель частоты [24, 25, 26].
Поскольку к настоящему времени накоплен большой опыт эксплуатации источников контрольного тока определенной конструкции, то задачу повышения контрольного тока предполагается решать без радикального изменения конструкции ИКТ и тем более их габаритов и стоимости.
Мероприятия для увеличения контрольного тока могут определяться условиями работы источника контрольного тока, так как от этого зависят причины, которые ограничивают значение контрольного тока.
В этом отношении можно выделить два характерных случая применения источника контрольного тока. Первый наиболее распространенный и апробированный — это сети с компенсацией емкостного тока. Чтобы выявить пути повышения контрольного тока, в работе выполнено обобщение условий работы источника контрольного тока в сетях с компенсацией емкостного тока, на базе которого построены конкретные предложения по увеличению контрольного тока.
Сравнительно новым вариантом использования источника контрольного тока на базе электромагнитного делителя частоты являются электроустановки схемы на рис. В1, в. В этом случае, как уже упоминалось, наложение контрольного тока возможно через обмотку соединенную в разомкнутый треугольник трехфазной группы трансформаторов напряжения.
Такая схема включения электромагнитного делителя частоты для выполнения селективной защиты генератора практически не проработана. Для такого случая применения защиты необходимо решить следующие задачи: выбор схемы и параметров фильтра присоединения делителя частоты в цепь разомкнутого треугольника трансформатора напряженияанализ факторов, которые ограничивают значение контрольного тока, который может быть наложен на первичные цепи в сети с изолированной или резистивной заземленной нейтральюисследование изменения электрических величин с частотой 25 Гц при устойчивых замыканияхисследование изменения электрических величин в области низких частот при дуговых перемежающихся замыканиях.
Ограничение значения контрольного тока, который может быть получен от источника контрольного тока — электромагнитного параметрического делителя, обусловлено нарушением тех или иных условий возбуждения колебаний половинной частоты. Поэтому есть необходимость сопоставления условий работы делителя в качестве источника контрольного тока с условиями возможности возбуждения колебаний. Анализу процессов в электромагнитном параметрическом делителе частоты посвящается довольно большое количество работ [27, 28, 29, 30]. В большей степени для задач решаемых в данной работе может быть полезна работа [28], в которой условия возбуждения колебаний в электромагнитном параметрическом генераторе получают на основе анализа устойчивости нулевого решения уравнения с периодически изменяющимся коэффициентом (уравнение Хилла).
В работе [29] для получения инженерных расчетных соотношений, связывающих условие возбуждения колебаний половинной частоты и конструктивные параметры электромагнитного параметрического делителя частоты, используются специфические физические особенности параметрических колебаний. Эти особенности использованы в упомянутых работах следующим образом.
1.Поскольку в колебательном контуре параметрического делителя частоты отсутствует источник половинной частоты, то колебания этой частоты могут возникнуть лишь в том случае, если средняя свободная частота колебательного контура будет равна половинной частоте.
При использовании этого условие обстоятельства в [29], из-за отсутствия в то время необходимых вычислительных средств, условие равенства средней свободной частоты половинной частоте заменено условием равенства среднего квадрата свободной частоты квадрату половинной частоты. Современные вычислительные средства позволяют точно использовать критерий по равенству частот, что и сделано в данной работе в разделе 1.2.
2. Второе условие, заключающееся в том, что среднее значение энергии вносимой в колебательный контур за счет периодического изменения индуктивности должно быть больше рассеиваемой в контуре энергии. Современные вычислительные средства позволили также проанализировать и этот критерий. На основе этих исследований дополнено толкование физических причин нарушения условий возбуждения параметрических колебаний.
Выводы и постановка задачи для исследований.
1. Для повышения надежности защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов, основанной на наложении контрольного тока с частотой 25 Гц, актуальным является проведение исследований для повышения надежности защиты путем выявления возможностей увеличения контрольного тока без существенного изменения габаритов и стоимости используемых источников контрольного тока, выполненных на базе электромагнитного параметрического делителя частоты.
2. Выполнение селективной защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов, работающих в блоке с трансформатором и питающих местную нагрузку через реактированную отпайку, принципиально возможно путем наложения контрольного тока через разомкнутый треугольник трансформаторов напряжения. Требуется проработка варианта с наложением контрольного тока через разомкнутый треугольник трансформаторов напряжения.
3. Для решения задачи по п. 2 требуется разработка источника контрольного тока для включения в цепь разомкнутого треугольника типовых трансформаторов напряжения и обеспечивающего максимально возможный контрольный ток.
Общие результаты и характеристика выполненной работы, содержание которой изложено ниже, заключается в следующем:
Актуальность работы: В настоящее время, накоплен довольно большой опыт эксплуатации защиты от замыканий на землю в электроустановках с компенсацией емкостного тока, основанной на наложении контрольного тока с частотой 25 Гц. Наложение контрольного тока обеспечивает работу защиты при устойчивых замыканиях, а при применении на генераторах также и устранение зоны нечувствительности при замыканиях вблизи нейтрали. При перемежающихся дуговых замыканиях на землю защита работает за счет естественных низкочастотных гармоник, порождаемых дуговым замыканием. Наложение контрольного тока с частотой 25 Гц осуществляется с помощью источника контрольного тока, основным элементом которого является электромагнитный параметрический делитель частоты. Определенные ограничения по габаритам и стоимости элементов ИКТ обуславливают сравнительно небольшое значение создаваемого им контрольного тока. В целом характеристики защиты с такими уровнями токов являются удовлетворительными. Однако бесспорно, что увеличение контрольного тока при прочих равных условиях приведет к повышению надежности защиты. Особенно это важно для мощных гидрогенераторов, работающих параллельно на одну обмотку низкого напряжения трансформатора. В этом случае наложение контрольного тока кроме, устранения зоны нечувствительности, позволяет решить задачу селективности по отношению к поврежденному генератору.
В последнее время часто применяется схема блока генератор — трансформатор с питанием сети собственных нужд или местной нагрузки через ре-актированную отпайку. В такой схеме очень важная функция селективности защиты генератора от замыканий на землю может быть решена также путем наложения контрольного тока. Особенность применения способа наложения контрольного тока в данном случае обусловлена тем, что нейтраль сети изолирована и поэтому наложение контрольного тока может быть осуществлено, например, через типовые трансформаторы напряжения.
Для этого случая необходимо разработать схему включения делителя частоты и выбрать ее параметры так, чтобы обеспечить максимально возможный контрольный ток.
Актуальность задачи повышения надежности защиты за счет возможного увеличения контрольного тока обусловлена также и тем, что источники контрольного тока используются для выполнения защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов, в составе комплексной цифровой защиты НПП «Экра».
Источник контрольного тока, принятый в данной работе как базовый элемент для дальнейшего усовершенствования и сравнительно нового применения для наложения контрольного тока с частотой 25 Гц через трансформаторы напряжения, разработан на основе исследований выполненных сотрудниками кафедры электрических станций Томского политехнического университета.
Цель работы и задачи исследования.
Целью работы является разработка мероприятий, обеспечивающих повышение надежности работы защиты от замыканий на землю за счет увеличения тока с частотой 25 Гц, отбираемого от источника контрольного тока, выполненного на базе электромагнитного параметрического делителя частоты.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Систематизация условий работы электромагнитного параметрического делителя частоты, как основного элемента источника контрольного тока и сопоставление их с условиями возбуждения колебаний половинной частоты.
2. Разработка схемы и обоснование выбора параметров устройства для наложения контрольного тока через типовые трансформаторы напряжения.
3. Исследование характера изменения электрических величин при замыканиях на землю в схеме блока генератор — трансформатор с реактирован-ной отпайкой при наложении контрольного тока через трансформаторы напряжения.
4. Исследование вариантов возможных изменений конструкции и электрической схемы источника, позволяющих увеличить контрольный ток без увеличения его габаритов и стоимости.
Методы исследования — исследования проводилась с использованием методов расчета линейных и нелинейных электрических цепей и компьютерного моделирования.
Достоверность результатов полученных в диссертационной работе, подтверждается непротиворечивостью полученных результатов с имеющимся опытом практического применения источников контрольного тока для защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов.
Научная новизна — показано, что ограничение активной мощности нагрузки электромагнитного параметрического делителя частоты по условию возбуждения колебаний обусловлено нарушением колебательного характера свободного процесса в контуре делителя, а условие по соотношению энергии, вносимой за счет периодического изменения индуктивности и рассеиваемой энергии выполняется с большим запасом.
Практическое значение работы.
1. Увеличение контрольного тока за счет предложенной в работе замены трансформаторной связи выходной и контурной обмоток делителя частоты на автотрансформаторную и разработка рекомендаций по выбору параметров схемы наложения контрольного тока через трансформаторы напряжения, обеспечивающие получение максимально возможного тока, позволяют повысить надежность защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов.
2. Проработаны конкретные предложения по усовершенствованию защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов на двух электростанциях республики Кыргызстан.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований и разработки источника контрольного тока, включаемого через трансформаторы напряжения, использованы при конструировании и изготовлении источников для защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов, в составе комплексной цифровой защиты НПП «Экра».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обобщение условий работы параметрического делителя частоты в составе источника контрольного тока, позволивших определить пути для увеличения контрольного тока без изменения габаритов и стоимости источника контрольного тока.
2. Способ увеличения контрольного тока отбираемого от делителя частоты в сети с компенсацией емкостного тока путем замены трансформаторной связи между выходной и контурной обмотками на автотрансформаторную.
3. Обоснование выбора параметров элементов источника контрольного тока, вводимого через трансформаторы напряжения, при которых совмещаются условия получения максимально возможного контрольного тока при приемлемой мощности электромагнитного параметрического делителя частоты.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих мероприятиях:
• Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2007,2008 гг.) — • XII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2006 г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ и 3 депонированных статьи.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 57 наименований, 77 рисунков. Общий объем диссертации 159 стр.: текст диссертации 151 стр., список литературы 8 стр.
Выводы:
1. На двух блоках электростанций энергосистемы Кыргызстана целесообразно применение защиты от замыканий на землю в обмотке статора генератора на принципе наложения контрольного тока с частотой 25 Гц, так как это обеспечивает не только устранение зоны нечувствительности, но и избирательность по отношению к поврежденному генератору.
2. На генераторах укрупненного блока Учкурганской ГЭС защита от замыканий на землю может быть выполнена путем включения источника контрольного тока в цепь дугогасящего реактора с автотрансформаторной связью выходной и контурной обмоток так как это в данном случае позволяет увеличить контрольный ток и выполнить более надежную защиту.
3. На Шамалдысайской ГЭС единственным возможным вариантом выполнения селективной защиты является наложение контрольного тока через трансформатор напряжения на основе результатов исследований, полученных в данной работе.
4. В качестве признака поврежденного генератора как на Учкурганской ГЭС, так и на Шамалдысайской ГЭС может быть использован качественный признак, заключающийся в том, что как при устойчивых замыканиях, так и при перемежающихся дуговых замыканиях ток низкочастотных гармоник на выводах поврежденного генератора больше тока на выводах неповрежденного генератора.
Заключение
.
1. Проведена систематизация условий работы электромагнитного параметрического делителя частоты на два как основного элемента источника контрольного тока и их сопоставление с условиями возбуждения колебаний половинной частоты.
2. Установлено, что при применении источника контрольного тока для защиты от замыканий на землю в электроустановках с компенсацией емкостного тока в реальном диапазоне емкостных токов замыкания на землю причиной ограничения контрольного тока, является влияние намагничивающей силы, создаваемой током дугогасящего реактора.
3. Определены параметры элементов источника контрольного тока, включаемого через типовые трансформаторы напряжения, при которых совмещаются условия получения максимально возможного контрольного тока при приемлемой мощности электромагнитного параметрического делителя частоты.
4. На основе исследования изменения электрических величин при замыканиях в сети с изолированной и резистивно заземленной нейтралью с источником контрольного тока выявлены исходные условия для выполнения селективной защиты от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов, имеющих гальваническую связь с сетью или с другими генераторами.
5. Предложен способ увеличения контрольного тока путем замены трансформаторной связи между выходной и контурной обмотками делителя частоты на автотрансформаторную и показано, что эффект от этого мероприятия тем выше, чем меньше ток дугогасящих реакторов. двух укрупненных блоков на гидростанциях Кыргызстана. Для генераторов с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы эффективно использование увеличения контрольного тока за счет перехода на автотрансформаторную связь между обмотками делителя частоты. Для генераторов с изолированной нейтралью проработан вариант наложения контрольного тока через трансформатор напряжения.
