Спосіб захисту від однофазних замикань на землю обмотки статора синхронного генератора, що працює в блоці з трансформатором

Реферат: Спосіб захисту від однофазних замикань на землю обмотки статора синхронного генератора, що працює в блоці з трансформатором, полягає у тому, що перед введенням синхронного генератора в роботу або після ремонту ізоляції вимірюють ємність ізоляції відносно землі та в процесі експлуатації неперервно вимірюють напругу нульової послідовності, загальний активний опір ізоляції відносно землі та перехідний опір в місці замикання обмотки статора синхронного генератора на корпус. За виміряними значеннями цих величин визначають діючу величину струму однофазного замикання на землю (корпус). Отримане значення струму порівнюють з нормованим і в разі відхилення подають команду на вимикання синхронного генератора від мережі. UA 102487 U (12) UA 102487 U UA 102487 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів та засобів електроенергетичних систем і може використовуватися для захисту обмотки статора синхронного генератора, що працює в блоці з трансформатором, від однофазних замикань на землю. Відомий спосіб захисту, який ґрунтується на накладанні на коло статора постійного струму, розроблений в Томському політехнічному інституті [Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор - трансформатор / - М.: Энергоиздат - 1982. - 256 с.]. Недоліком цього способу є те, що він забезпечує неперервний контроль тільки загального омічного опору відносно землі, на основі якого і вибирається уставка спрацювання захисту. В дійсності струм в місці замикання обмотки статора на землю залежить не тільки від загального опору ізоляції відносно землі, але і від ступеня несиметрії ізоляції провідників відносно землі, ємності ізоляції відносно землі, перехідного опору в місці замикання на землю. Тому захисна характеристика вибирається, виходячи із найбільш несприятливих умов, а тому набагато перевищує потрібну. Це призводить до невиправданих вимикань генератора і великих економічних витрат. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб захисту від однофазних замикань на землю обмотки статора генератора, що працює в блоці з трансформатором, в якому використовується комбінований принцип накладання джерела випрямленої напруги на контрольоване коло та використання струму розряду конденсатора при виникненні замикання на землю. Величина напруги на конденсаторі пропорційна значенню опору ізоляції фаз статора відносно землі до виникнення замикання. При виникненні замикання на землю в перший момент (t=0) напруга на конденсаторі змінюватись не буде, а на струм, що накладається на коло статора, додатково буде накладатися на струм розряду конденсатора, максимальне значення якого буде зворотно пропорційним величині перехідного опору в місці замикання. Імпульс струму розряду конденсатора трансформується підвищуючим трансформатором, і на входи вимірювального органу захисту подається сума напруг, одна з яких пропорційна перехідному опору в місці замикання на землю, інша - опору ізоляції фаз статора відносно землі [Кутин В.М., Кобылянский А.В., Кульматицкий О.И., Кунаш В.П. Совершенствование средств защиты от однофазных замыканий на землю в блоке генератор - трансформатор // Электрические станции. - 1986. - № 4 - С. 59-61]. Недоліком цього способу є те, що при формуванні уставки спрацювання захисту не враховується несиметрія провідностей окремих фаз відносно землі, з другого боку не можна сформувати однозначно узагальнену характеристику, за умовами якої визначають уставку спрацювання захисту. Ці фактори не дозволяють на основі контрольованих параметрів, в даному способі, визначати з необхідною точністю струм однофазного замикання на землю і формувати необхідну функціональну характеристику. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу захисту від однофазних замикань на землю обмотки статора синхронного генератора, що працює в блоці з трансформатором, в якому за рахунок введення нових операцій та їх послідовності опосередковано визначають струм в місці замикання обмотки статора на землю і його значення порівнюють з нормованим, що дозволяє виключити хибні спрацювання захисту. Поставлена задача вирішується тим, що в способі захисту від однофазних замикань на землю обмотки статора синхронного генератора, що працює в блоці з трансформатором, який передбачає визначення активного опору ізоляції обмотки статора синхронного генератора відносно землі шляхом прикладання постійної напруги на коло, яке включає ізоляцію обмотки статора відносно землі і конденсатор, напруга на якому пропорційна максимальному опору відносно землі, перехідного опору в місці замикання на землю шляхом вимірювання максимального значення струму розряду конденсатора, та подачу сигналу обслуговуючому персоналу при зниженні загального активного опору ізоляції відносно землі нижче уставки спрацювання, згідно з корисною моделлю, додатково вимірюють ємність ізоляції обмотки статора відносно землі перед введенням синхронного генератора в роботу або після ремонту ізоляції, напругу нульової послідовності обмотки статора генератора, і за результатами вимірювання загального активного опору ізоляції відносно землі, перехідного опору в місці замикання, врахування в розрахунках ємності ізоляції обмотки статора синхронного генератора, напруги нульової послідовності, визначення наявності аварійного режиму за рахунок перевірки наявності кидка струму розряду конденсатора в порівнянні з даними первинних вимірювань і зростання напруги нульової послідовності в порівнянні з даними первинних вимірювань, обчислюють струм однофазного замикання на землю. У випадку, якщо розраховане значення струму однофазного замикання на землю обмотки статора перевищує уставку спрацювання, подають сигнал для відключення генератора від мережі і включення автомату гасіння поля. 1 UA 102487 U 5 Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 - заступна схема для розрахунку струму однофазного замикання на землю (ОЗЗ), що враховує перехідний опір в місці замикання на землю, опір ізоляції, ємність (замикання відбувається на лінійних виводах); на фіг. 2 спрощена заступна схема; на фіг. 3 - принципова схема пристрою, який реалізує спосіб захисту від однофазних замикань на землю обмотки статора синхронного генератора, що працює в блоці з трансформатором. Для отримання виразу складової нульової послідовності струму замикання на землю представимо схему на фіг. 1 у вигляді схеми на фіг. 2. R  10 де R A , R B , R C - опір ізоляції кожної фази обмотки статора. C   C A  CB  C C , (2) де 15 R A R BR C , (1) R A R B  R BR C  R A R C C A , CB , C C - ємність ізоляції кожної фази обмотки. Для спрощеної схеми, представленої на фіг. 2, отримаємо вираз струму нульової послідовності в операторній формі в місці виникнення шунтувального зв'язку на землю статорної обмотки генератора: U0 p  I0 p   , (3) 1 R pC Rp  1 R  pC де U 0 p  - зображення напруги нульової послідовності; R  - загальний опір ізоляції 20 обмотки статора відносно землі; C  - загальна ємність ізоляції обмотки статора відносно землі; p - комплексна змінна. Перетворимо вираз до вигляду: I0 p    e j0 e j0     p  j p  j     , (4) 1 R pC Rp  1 R  pC U0 2j де R p - перехідний опір в місці замикання на землю; p - комплексна змінна; j - уявна одиниця;  - циклічна частота; R  - загальний опір ізоляції обмотки статора відносно землі; C  - загальна ємність ізоляції обмотки статора відносно землі; e - експонента. 25 Оригінал складової нульової послідовності струму однофазного замикання на землю обмотки статора синхронного генератора має вільну та вимушену складові, як показано в рівнянні, представленому нижче: i 0 t   U0R p sint   U0R  sint   U0 2R p C 2 R 2 sint    2 2 2R p C 2 R 2  R p  2R pR   R 2      30  t Rp R  U0 C R cost  U C R e p   , (5)  2 2 20 2  2 2R p C 2 R 2  R  2R pR   R 2  R p C R   R  2R pR   R 2     2  2 p 2  2 p де R C R R  - загальний опір ізоляції обмотки статора; C  - загальна ємність ізоляції обмотки статора; R p - перехідний опір в місці замикання на землю; U 0 - максимальне значення напруги нульової послідовності,  - кутова частота. 2 UA 102487 U Граничні умови для однофазного замикання ті ж самі, що для однофазного короткого замикання. Симетричні складові струмів в місці короткого замикання пов'язані співвідношеннями: i1 t   i 2 t   i0 t   5 10 1 ik t  , (6) 3 i1 t  - складова прямої послідовності струму однофазного замикання на землю, i 2 t  складова зворотної послідовності струму однофазного замикання на землю, i 0 t  - складова нульової послідовності струму однофазного замикання на землю, i k t  - повний струм де однофазного замикання на землю. Тобто для отримання значення струму в місці замикання на землю достатньо потроїти значення складової нульової послідовності. ik t   3 U0R p sint   U0R  sint   U0 2R p C 2 R 2 sint    2 2 2R p C 2 R 2  R p  2R pR   R 2     3 15 25 30 35 40 45 t Rp R   U0 C R cost  U C R e p   . (7)  3 2 2 20 2  2 2R p C 2 R 2  R  2R pR   R 2  R p C R   R  2R pR   R 2     2  2 p 2  2 p R C R Таким чином діюче значення вимушеної складової струму в місці виникнення шунтувального зв'язку на землю статорної обмотки генератора можна використати як параметр спрацювання захисту: I3 20  U0 R p  U0R   U0R p  2 C 2 R 2  U0 C  R 2    2  R C R 2 2 p 2  2   R  2R pR   R 2 p 2   . (8) Принципова схема пристрою, який реалізовує запропонований спосіб, (фіг. 3) містить джерело випрямленої напруги 1, яке через резистор 2 підключене паралельно конденсатору 3, яка через резистор 4 підключена до ємнісного фільтра 5, який під'єднаний паралельно до розрядника 6, підключеного між нульовою точкою зірки первинної обмотки трансформатора напруги 7 і землею. Трансформатор напруги 7 підключений до мережі між силовим трансформатором 8 і обмоткою статора 9 синхронного генератора через вимикач 10 реагуючого органа 11, перший вхід якого підключено паралельно резистору 4, другий - до вторинної обмотки трансформатора напруги 7, включеної в "розімкнутий трикутник", третій - паралельно резистору 2. Реагуючий орган 11 містить блок живлення 12, вихід якого через стабілізатор напруги 13 підключений до перших входів генератора тактових імпульсів 14, аналоговоцифрових перетворювачів (АЦП) 15, 16, 17, мікроконтролера (МК) 18, підсилювачів сигналу 19 та 20. Вихід генератора тактових імпульсів 14 сполучено з другими входами АЦП 15, 16, 17 та МК 18. Підсилювачі сигналу 19, 20 другими входами підключені паралельно резисторам 2 і 4 відповідно. Вихід підсилювача сигналу 19 під'єднаний до третього входу АЦП 15, а вихід підсилювача сигналу 20 - до третього входу АЦП 16, вихід АЦП 15 підключено до третього входу МК 18, а вихід АЦП 16 - до четвертого входу МК 18. Третій вхід АЦП 17 підключено через трансформатор 21 до виходу обмотки, включеної за схемою "розімкнений трикутник" трансформатора напруги 7, а вихід АЦП 17 підключений до п'ятого входу МК 18, перший вихід якого підключений до першого входу електронного ключа 22, а другий вихід - до входу сигнального реле 23. Причому до другого входу електронного ключа 22 підключений вихід стабілізатора напруги 24, вхід якого з'єднаний з виходом джерела живлення 25. Вихід електронного ключа 22 з'єднаний з високовольтними вимикачами 24 і 25, через які блочний трансформатор 8 і генератор сполучені з мережею. Спосіб реалізується таким чином. При відсутності пошкодження ізоляції сигнал від джерела випрямленої напруги 1 (фіг. 3) накладається на коло, утворене резисторами 2 та 4, опором первинної обмотки трансформатора напруги 7 і ізоляцією фаз обмотки статора 9 синхронного генератора відносно землі. Величина струму, що протікає через резистори 2 та 4, буде однаковою і може бути визначена за формулою: i2  i4  U , (9) R2  R4  RT  R 3 UA 102487 U де U - напруга живлення; R 2 - опір резистора 2; R 4 - опір резистора 4; R T - опір первинної обмотки трансформатора напруги 7; R  - загальний опір ізоляції обмотки статора 5 відносно землі. Напруга UС на конденсаторі 3 (фіг. 3) буде залежати від активного опору ізоляції обмотки статора відносно землі і визначатиметься за виразом: UC  U  10 15 20 25 UR 2 . (10) R2  R4  RT  R MK 18 починає процедуру первинних вимірювань і подає команду на АЦП 15-17 для початку перетворення сигналів контрольованих параметрів. Після зчитування інформації з АЦП 15-17 відбувається перетворення цифрових сигналів у значення контрольованих параметрів згідно співвідношень (11, 12, 13), що представлені нижче. Після завершення перетворень процедура первинних вимірювань завершується і починається основний цикл програми. На АЦП знову подається сигнал для початку перетворення і алгоритм дій при вимірюваннях повторюється. При виникненні замикання в обмотці статора через перехідний опір R p напруга на конденсаторі 3 залишиться незмінною, а на струм, що тече через резистор 4, додатково накладеться струм розряду конденсатора 3, максимальне значення якого буде зворотно-пропорційне значенню перехідного опору в місці замикання на землю. Сигнали струмів, що протікають через резистори 2 (струм пропорційний загальному опору ізоляції обмотки статора відносно землі R  ) та 4 (струм обернено пропорційний перехідному опору в місці замикання на землю R p), надходять на підсилювачі сигналу 20 та 19, а після підсилення - на входи АЦП 16 та 15 відповідно, і перетворюються в цифрову форму. Сигнал напруги нульової послідовності надходить через трансформатор 21 до АЦП 17 і перетворюється в цифрову форму. Сигнали про загальний опір ізоляції обмотки статора відносно землі R  , перехідний опір в місці замикання на землю Rp та напругу нульової послідовності U0 в цифровій формі надходять до МК 18 для подальшої обробки згідно співвідношень: U0  US k T , (11) де U 0 - напруга нульової послідовності; U S - сигнал напруги нульової послідовності, що надходить від АЦП 17 до АЦП 18; k T - результуючий коефіцієнт трансформації, що враховує коефіцієнт трансформації трансформатора напруги та проміжного трансформатора 21. R  I1   30 35 40 45 U  R 2  R 4  R T , (12) I1 де I1 - сигнал постійного струму, що надходить від підсилювача 20 до АЦП 16 та до МК 18, s  ƒI 2 ,(13) R p I2   1  gI 2  hI 2 2 де I2 - сигнал постійного струму, що надходить від підсилювача 19 до АЦП 15 та до мікроконтролера 18; s , ƒ , g , h - коефіцієнти, що обумовлюються параметрами обмежуючих резисторів, а також активним та індуктивним опором первинної обмотки трансформатора напруги типу НТМИ. Після отримання значень R  , Rp та U0 відбувається виконання логічної частини роботи захисту. У випадку зниження рівня опору ізоляції нижче встановленого рівня відбувається подача сигналу обслуговуючому персоналу від МК 18 через сигнальне реле 23. В іншому випадку відбувається визначення наявності аварійного режиму (наявність кидка струму на резисторі 4 в порівнянні з даними первинних вимірювань і зростання напруги нульової послідовності в порівнянні з даними первинних вимірювань) та розрахунок значення струму однофазного замикання на землю обмотки статора за співвідношенням (8). У випадку, якщо розраховане значення струму однофазного замикання на землю обмотки статора 9 перевищує уставку спрацювання, відбувається подача сигналу з МК 18 на електронний ключ 22 для відключення генератора від мережі за допомогою високовольтних вимикачів 24 та 25. В іншому випадку, тобто тоді коли аварійний режим роботи генератора не виявлено, МК 18 подає команду АЦП 15-17 для початку перетворення нової вибірки сигналів. 4 UA 102487 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Спосіб захисту від однофазних замикань на землю обмотки статора синхронного генератора, що працює в блоці з трансформатором, який включає визначення активного опору ізоляції обмотки статора синхронного генератора відносно землі шляхом прикладання постійної напруги на коло, яке включає ізоляцію обмотки статора відносно землі і конденсатор, напруга на якому пропорційна максимальному опору відносно землі, перехідного опору в місці замикання на землю шляхом вимірювання максимального значення струму розряду конденсатора, та подачу сигналу обслуговуючому персоналу при зниженні загального активного опору ізоляції відносно землі нижче уставки спрацювання, який відрізняється тим, що додатково вимірюють ємність ізоляції обмотки статора відносно землі перед введенням синхронного генератора в роботу або після ремонту ізоляції, напругу нульової послідовності обмотки статора генератора, і за результатами вимірювання загального активного опору ізоляції відносно землі, перехідного опору в місці замикання, врахування в розрахунках ємності ізоляції обмотки статора синхронного генератора, напруги нульової послідовності, визначення наявності аварійного режиму за рахунок перевірки наявності кидка струму розряду конденсатора в порівнянні з даними первинних вимірювань і зростання напруги нульової послідовності в порівнянні з даними первинних вимірювань, обчислюють струм однофазного замикання на землю. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у випадку, якщо розраховане значення струму однофазного замикання на землю обмотки статора перевищує уставку спрацювання, подають сигнал для відключення генератора від мережі. 5 UA 102487 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6