Совершенствование защиты от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов укрупнённого блока

Актуальность работы. Защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в обмотке статора синхронных генераторов является одной из важнейших видов защиты, так как большинство повреждений обмотки статора начинается со стадии однофазного замыкания. Отключение генератора при повреждении на этой стадии позволяет предотвратить переход ОЗЗ в двойное или междуфазное замыкание и тем самым предотвратить существенные повреждения обмотки статора, требующие длительного и дорогостоящего ремонта. Способ выполнения защиты от ОЗЗ определяется в основном первичной схемой соединения генераторов с другими элементами. Одной из часто применяемых на гидроэлектростанциях схем является схема энергетического блока, в котором несколько генераторов работают параллельно на одну обмотку низкого напряжения трансформатора. Основное современное требование к защите от ОЗЗ таких укрупнённых блоков заключается в отсутствии зоны нечувствительности при замыкании вблизи нейтрали генератора. Ещё одним немаловажным свойством, которым должна обладать защита, является селективность.

Необходимость охвата ста процентов витков обмотки статора генератора продиктована тем, что в случае неконтролируемого замыкания вблизи нейтрали рассматриваемой обмотки существует вероятность возникновения ещё одного замыкания в другой точке обмотки, то есть замыкания фазы на нейтраль. Ток в месте повреждения в этом случае может превысить ток трёхфазного замыкания на выводах генератора. При этом возникают серьёзные повреждения как самой обмотки, так и стали статора.

Требование селективной работы защиты связано с тем, что большинство генераторов, работающих в блоке, имеют собственный выключатель, поэтому целесообразно в случае возникновения ОЗЗ в статорной обмотке одного из генераторов блока, отключать именно повреждённый генератор, а не весь блок. При этом наносится минимальный ущерб режиму электроснабжения и отпадает необходимость в отыскании повреждённого генератора.

По принципу действия обоим требованиям удовлетворяет защита, основанная на наложении на первичные цепи генераторов контрольного тока с частотой, отличающейся от промышленной. Различные технические варианты такой защиты разработаны в Томском политехническом университете и в Hi 111 «ЭКРА». В то же время, для дальнейшего усовершенствования защиты, уточнения характеристик её измерительных органов, требуются дополнительные исследования электрических величин при дуговых перемежающихся замыканиях. Необходимость исследования электрических величин при дуговых перемежающихся замыканиях диктуется также тем, что процессы при таком виде повреждения в схеме укрупнённого блока имеют ряд особенностей, по сравнению с процессами в электрических распределительных сетях.

При выполнении работы автор использовал известные результаты исследований в области защиты от ОЗЗ, выполненных И. М. Сиротой, В. М. Кискачи, А. И. Левиушем, В. Г. Алексеевым, А. И. Шалиным, специалистами НПП «ЭКРА» A.M. Наумовым и др.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является совершенствование защиты от ОЗЗ в обмотке статора гидрогенераторов укрупнённого блока на основе выявления особенностей электрических величин в схеме блока при перемежающихся дуговых замыканиях.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Обзор существующих методов и средств защиты от однофазных замыканий на землю в обмотке статора гидрогенератора и выявление тех из них, на основе которых может быть выполнена защита генераторов укрупнённого блока, удовлетворяющая предъявляемым к ней требованиям;

2. Анализ электрических величин с частотой 25 Гц в различных схемах укрупнённых блоков при устойчивых замыканиях на землю, для дальнейшего количественного сопоставления их с электрическими величинами при перемежающихся дуговых замыканиях;

3. Исследование закономерностей формирования гармонических составляющих токов нулевой последовательности в области низких частот при дуговых перемежающихся замыканиях в схеме укрупнённого блока;

4. Создание математической модели укрупненного блока, а так же модели дугового перемежающегося замыкания, позволяющих исследовать изменение электрических величин при возможном многообразии дуговых перемежающихся замыканий;

5. Выбор состава фильтров и частотных характеристик его отдельных звеньев измерительного органа защиты, при которых обеспечивается надёжная отстройка от возможных небалансов фильтра токов нулевой последовательности (ФТНП) и выполняется условие совместимости работы защиты при устойчивых и перемежающихся дуговых замыканиях;

6. Выявление признаков, позволяющих выполнить селективную защиту от ОЗЗ, и исследование их устойчивости при изменении характера и условий протекания перемежающегося дугового замыкания.

Методы исследования. Исследования проводились с использованием методов расчёта линейных и нелинейных электрических цепейметода спектрального анализа электрических величинметода математического моделирования с помощью ЭВМ.

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов работы подтверждается совпадением результатов исследований, выполненных аналитическими методами и на базе, программных средств схемок ^' технического моделирования.

Научная новизна работы. В работе содержатся следующие новые научные результаты:

1. Установлено, что при перемежающихся дуговых замыканиях в схеме укрупнённого блока генератор-трансформатор токи нулевой последовательности на выводах генератора и в нейтрали, в цикле пробой изоляции — погасание дуги, протекают в разные моменты времени. Поэтому для их сравнения, при реализации селективной защиты, необходимо либо запоминать эти токи, либо производить их фильтрацию в области низких частот.

2. Показано, что при перемежающихся дуговых замыканиях на выводах генератора укрупнённого блока переходные процессы разряда ёмкости повреждённой фазы и дозаряда ёмкостей неповреждённых фаз идентичны в количественном и качественном отношении, так как параметры эквивалентных контуров для этих процессов одинаковы.

3. Исследование закономерностей формирования гармоник с частотой ниже промышленной на выводах генератора при перемежающихся дуговых замыканиях показало, что основное влияние на амплитуды этих гармоник оказывают время горения дуги и коэффициент затухания переходного ёмкостного тока.

4. При изменении пробивного напряжения выявлен следующий важный эффект, заключающийся в том, что одновременно с изменением интенсивности переходных процессов изменяется и частота следования пробоев, что приводит к некоторой самостабилизации амплитуд низкочастотных гармоник.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные в работе результаты по исследованию электрических процессов при перемежающихся дуговых замыканиях необходимы для уточнения частотных характеристик измерительных органов защиты, а так же для проведения заводских испытаний выпускаемых защит. Результаты исследований переданы НПП «ЭКРА» для их использования.

Положения, выносимые на защиту.

1. При перемежающихся дуговых замыканиях в схеме укрупнённого блока генератор-трансформатор токи нулевой последовательности на выводах генератора и в нейтрали, в цикле пробой изоляции — погасание дуги, существуют в разные моменты времени. Для их сравнения, при реализации селективной защиты, необходимо либо запоминание токов, либо их фильтрация в области низких частот.

2. Переходные процессы разряда ёмкости повреждённой фазы и дозаряда ёмкостей неповреждённых фаз, при перемежающихся дуговых замыканиях на выводах генератора укрупнённого блока, идентичны в количественном и качественном отношении, так как параметры эквивалентных контуров для этих процессов одинаковы.

3. На амплитуды гармоник с частотой ниже промышленной на выводах генератора при перемежающихся дуговых замыканиях основное влияние оказывают время горения дуги и коэффициент затухания переходного ёмкостного тока.

4. При изменении пробивного напряжения имеет место эффект самостабилизации амплитуд гармоник за счёт одновременного изменения интенсивности переходных процессов и частоты следования пробоев.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках следующих мероприятий: международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2007, 2008 гг.) — научные семинары кафедры «Электрических станций» Электротехнического института Томского политехнического университета (г. Томск, 2007, 2008, 2009 гг.) — научно-технический совет Электротехнического института Томского политехнического университета (г. Томск, 2007, 2008, 2009 гг.).

Публикации. По направлению диссертационной работы автором опубликовано 9 работ, в том числе: 2 статьи в рецензируемых периодических изданиях по перечню ВАК- 5 статей материалы докладов конференций- 1 работа депонирована.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 45 наименований и содержит 89 рисунков. Общий объём диссертации 149 стр.: текст диссертации 144 стр., список литературы 5 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. При проведении анализа защит от 033 в укрупнённых блоках гидрогенераторов на ГЭС было установлено, что существующие в настоящее время принципы выполнения этих защит отвечают основному современному требованию — работа защиты при замыкании в любой точке обмотки статора, включая нейтраль. Ещё одно не менее важное требование — это селективность действия защиты по отношению к повреждённому генератору. Это требование, по-нашему мнению, возможно реализовать только на основе наложения контрольного тока.

2. Рассмотренные в работе энергоблоки гидрогенераторов имеют ёмкостный ток замыкания на землю более 5 А, вследствие чего в схемах применяется компенсация этого тока. Источник контрольного тока в этом случае включается последовательно в цепь ДГР. Показано, что наиболее приемлемой с точки зрения простоты монтажа, эксплуатации и надёжности является схема использования одного сдвоенного источника со сдвигом выходных напряжений на 90°.

3. При рассмотрении принципиальных схем укрупнённых блоков на ГЭС было решено разделить их на две основные группы: первая — блоки, содержащие генераторы, нейтрали которых заземлены через ДГР и не имеющие внешней сети на генераторном напряжениивторая — блоки у которых нейтрали части генераторов изолированы или имеется гальванически связанная внешняя сеть. Проведённый анализ электрических величин с частотой 25 Гц при устойчивом замыкании в статорной обмотке одного из генераторов блоков, характерных для каждой из рассматриваемых групп, показал, что выполнение селективной стопроцентной защиты от устойчивых 033 возможно без каких-либо затруднений.

4. В связи с тем, что большая часть 033, особенно в начальной стадии, представляют из себя дуговые перемежающиеся замыкания, проведено исследование электрических величин при дуговом замыкании в статорной обмотке одного из генераторов блока, а конкретнее, исследование закономерностей формирования составляющих токов нулевой последовательности в области низких частот. Область именно низких частот выбрана по причине того, что условия работы защит от замыканий на землю с наложением контрольного тока с частотой 25 Гц могут быть совмещены с условиями работы при дуговых перемежающихся замыканиях при использовании гармонических составляющих с частотой ниже промышленной.

5. В ходе анализа токов нулевой последовательности в блоке при перемежающихся дуговых замыканиях установлены основные закономерности распределения этих токов на различных стадиях рассматриваемого процесса. В частности, на выводах генераторов протекают только токи на стадии горения дуги, то есть токи разряда и дозаряда ёмкостей фаз, а результирующие токи нулевой последовательности со стороны нейтрали обусловлены только процессом стекания избыточных зарядов с фаз генераторов в бестоковую паузу.

Особенностью укрупнённого блока, в отличии от электрических сетей, является то, что токи разрядной и дозарядной стадии процесса перемежающегося замыкания сливаются в один многочастотный процесс, что позволило рассматривать переходный ток в месте замыкания по его основной частоте, которая чётко просматривается в данном процессе.

6. Выявлены основные факторы, оказывающие влияние на формирование низкочастотных гармоник, которыми являются коэффициент затухания переходного ёмкостного тока и момент погасания дуги. Изменение пробивного напряжения вносит меньший вклад в изменение амплитуд низкочастотных гармоник, так как в этом случае имеет место эффект самостабилизации амплитуд за счёт одновременного изменения интенсивности переходных процессов и частоты следования пробоев.

7. На основе известных теорий о перенапряжениях в электрических сетях среднего напряжения, сформулированы основные положения для моделирования дугового перемежающегося замыкания на ЭВМ. Разработанная модель процессов при перемежающихся дуговых замыканиях даёт расчётные результаты, хорошо согласующиеся с известной картиной электрических процессов, имеющих место в реальных электроустановках. Поэтому эта модель вполне может использоваться для изучения электрических процессов и выявления их особенностей с целью отыскания признаков, позволяющих выполнить стопроцентную селективную защиту от ОЗЗ.

8. Для выделения низкочастотных гармоник в токе нулевой последовательности при ОЗЗ, проведён анализ отдельных звеньев фильтров, с целью выявления оптимальных их параметров, позволяющих достаточно полно подавить сигнал помехи при сохранении полезного сигнала и в то же время иметь как можно меньшее время затухания переходных процессов в них. Для подавления помехи, вызванной небалансом ФТНП и током промышленной частоты, протекающим через ТТ при ОЗЗ, частота которой может изменяться в пределах 45-S-55 Гц, лучше использовать два режекторных фильтра. Для подавления высокочастотных гармоник предпочтительнее использовать фильтр низкой частоты более высокого порядка, чем увеличение добротности полосно-пропускающего фильтра, так как последнее сильно увеличивает время переходного процесса.

9. При выбранных частотных характеристиках фильтров выполняется условие совмещения по времени мгновенных значений сигналов с выводов и с нейтрали генератора, которые в первичной цепи при перемежающихся дуговых замыканиях имеют место в разные моменты времени. Это так же подтверждает вывод о том, что формирование гармонических составляющих в области низких частот обусловлено изменением зарядов ёмкостей фаз сети за время горения дуги и в бестоковую паузу.

10. При исследовании низкочастотных гармоник сигналов, полученных после фильтров схемы, собранной по дифференциальному принципу, установлено, что выполнить защиту на действие при превышении сигналом какого-то определённого установленного уровня невозможно из-за нестабильности низкочастотных гармоник при различном характере протекания дугового перемежающегося замыкания. В связи с чем предложено выполнять защиту на сравнении абсолютного уровня гармоник с выхода схем, собранных по дифференциальному принципу, каждого из генераторов в блоке. Амплитуды низкочастотных гармоник, выделяемые в дифференциальной цепи повреждённого генератора, всегда больше, чем у неповреждённого. Данный признак сохраняется как при устойчивом так и при перемежающихся дуговых замыканиях.