автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование источников контрольного тока с частотой 25 Гц для защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов

□□3476587

На правах рукописи

ТЕНТИЕВ РЕНАТ БЕКТУРГАНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ КОНТРОЛЬНОГО ТОКА С ЧАСТОТОЙ 25 ГЦ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ОБМОТКЕ СТАТОРА ГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические

системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2009

003476567

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский политехнический университет» на кафедре «Электрических станций»

Научный руководитель: Вайнштейн Роберт Александрович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Манусов Вадим Зиновьевич

доктор технических наук, профессор

Зиновьев Николай Тимофеевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Кузбасское открытое акционерное

общество энергетики и электрификации (ОАО «Кузбассэнерго»), г. Кемерово

Защита состоится «14» октября 2009 г. в 15-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.10 при ГОУ ВПО «Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТПУ.

Автореферат разослан «10» сентября 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.10, д.ф-м.н., с.н.с.

Кабышев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (ИКТ), 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 реакти-рованную 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 (ТН).

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 НЛП «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.

Наиболее существенный вклад в эту работу внесли Р.А. Вайнштейн, А.В. Шмойлов, Н.В. Коломиец, С.М. Юдин.

При выполнении работы автор также использовал известные результаты исследований в области защиты от замыканий на землю, выполненных И.М. Сиротой, В.М. Кискачи, В.А. Шуиным и др.

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 реактированной 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 и 77 рисунков. Общий объем диссертации 159 стр.: текст диссертации 151 стр., список литературы 8 стр.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна и практическое значение полученных результатов, очерчен круг задач решаемых в диссертации.

В первой главе рассмотрены условия работы электромагнитного параметрического делителя частоты в качестве источника контрольного тока для защиты от замыканий на землю в электроустановках с компенсацией емкостного тока.

Ограничение значения контрольного тока, который может быть получен от источника контрольного тока, обусловлено нарушением тех или иных условий возбуждения колебаний половинной частоты. Поэтому есть необходимость сопоставления условий работы делителя в качестве источника контрольного тока с условиями возбуждения колебаний.

Причинами нарушения условий возбуждения колебаний половинной частоты при использовании ИКТ в электроустановках с компенсацией емкостного могут быть - перегрузка по активной или реактивной мощности на половинной частоте или нарушение электромагнитного режима из-за протекания по выходной обмотке тока дугогасящего реактора.

В связи с этим определен характер нагрузки делителя частоты и мощность нагрузки в нормальном режиме и при замыкании на землю в зависимости от переходного сопротивления в месте замыкания, расстройки компенсации и абсолютного значения тока дугогасящих реакторов

Р, (о.е) О, (0.е)

Рис. 1. График зависимостей значения мощности активной (а) и реактивной (б) нагрузки делителя частоты в зависимости от переходного сопротивления в месте замыкания, отнесенного к емкостному сопротивлению сети относительно земли на промышленной частоте

Значения мощности активной и реактивной нагрузки делителя частоты в зависимости от переходного сопротивления в месте замыкания, представленные на рис. 1, отнесены к реактивной мощности при металлическом замыкании, когда делитель частоты нагружен на эквивалентное сопротивление дугогасящих реакторов.

Мерой влияния тока ДГР на электромагнитный режим является намагничивающая сила F = Iдп}Утх, где №вых - число витков выходной обмотки. Для

конкретного делителя она не должна превышать предельное значение намагничивающей силы {РПРЕЛ), при которой еще не нарушается процесс деления частоты. При этом максимальный контрольный ток, который может быть получен

, _ 2 УД ^ПРЕД

'ПРЕД ~ п >

и НОМ

где иуд - напряжение с частотой 25 Гц, наводимое на одном витке выходной обмотки, инш- номинальное напряжение электроустановки, где применяется защита.

Как видно, для конкретного исполнения ИКТ предельный контрольный ток, из условия сохранения режима деления частоты при протекании по выходной обмотке тока ДГР, не зависит от значения тока дугогасящих реакторов, а, следовательно, и от емкостного тока сети, и при прочих равных условиях обратно пропорционален номинальному напряжению электроустановки

Однако, при /25 = IпР1;д от значения тока дугогасящих реакторов зависит

реактивная мощность, которую должен обеспечить ИКТ при металлическом замыкании !

0-11 тГ - I2 Уном /1}

И ~ 75ПРЕД ДГР ~ 1ИПРЕД 2^] '

Наибольшее значение реактивной мощности по (1) получается при малых токах 1ДГГ »5 + 10 А, что может иметь место при выполнении защиты от

замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов. Это наибольшее значение реактивной мощности составляет не более 10 % от мощности колебательного контура практически используемых источников контрольного тока.

Реактивная нагрузка индуктивного или емкостного характера эквивалентна изменению емкости колебательного контура, а, следовательно, изменению частоты собственных колебаний, что является одним из факторов, влияющих на условие возбуждения колебаний половинной частоты. Относительное изменение емкости равно относительному значению реактивной нагрузки. Так как собственная частота при прочих равных условиях обратно пропорциональна корню квадратному емкости колебательного контура, то дополнительная реактивная нагрузка в 10% приводит к изменению собственной частоты примерно на 5%.

Таким образом, основным условием определяющим максимально возможный контрольный ток в сети с компенсацией емкостного тока, является нарушение электромагнитного режима из-за протекания тока дугогасящего реактора по выходным обмоткам делителя частоты.

Далее проанализированы условия возбуждения колебаний для параметрического делителя частоты, имеющего схему, которая показана на рис. 2.

Поскольку в колебательном контуре делителя частоты отсутствует источник половинной частоты, то очевидно, что колебания половинной частоты могут возникнуть и существовать только в том случае, если собственная частота колебательного контура будет равна половине частоты источника питания.

V/,,

и(0,

50 Гц

В цепь ДГР или разомкнутого

^ УУвых треугольника ТН

рУк

. Wвыx

;Ск

±

Рис. 2. Схема электромагнитного параметрического делителя частоты

Поскольку индуктивность колебательного контура делителя частоты периодически меняется под действием тока, протекающего в цепи возбуждения, то точнее говорить о равенстве средней собственной частоты половине частоты источника питания.

Вторым обязательным граничным условием возникновения и существования колебаний половинной частоты является равенство энергии вносимой за счет периодического изменения индуктивности и энергии рассеиваемой в колебательном контуре.

Выражение для мгновенной резонансной частоты можно получить через выражение магнитной проницаемости, которая при аппроксимации характеристики намагничивания гиперболическим синусом А = аякрЪ может быть записана в следующем виде

__йЪ \ 1

М ~ М ~ М ~ ссрскръ' (&

где й и Ъ - мгновенные значения напряженности и индукции магнитного поля; а,р~ коэффициенты, имеющие соответственно размерности А/м и 1/Тл.

Мгновенная индуктивность обмоток колебательного контура и коэффициент затухания при введении безразмерного времени т = сей равны

1 ¿-Л

1СР арсирь' 21'

где 1УК и Я - число витков и сопротивление колебательного контура, Я и 1СР площадь поперечного сечения и длина средней магнитной линии маг-нитопроводов.

Собственная мгновенная частота колебательного контура будет равна

LCK

где Ск - емкость конденсатора колебательного контура.

Для обеспечения изменения индуктивности с частотой 2со мгновенное значение индукции должно изменяться по закону

pb = pBlsm2cot+pB0, где PB¡ - амплитуда индукции двойной частоты, /ЗВ0 - постоянная составляющая индукции.

Мгновенная собственная частота колебательного контура, отнесенная к половинной частоте источника питания со

„ _ „ ^ 2Ш1согСк

где к, = /<(оСк - сопротивление в относительных единицах, К = ——5-—

ар1СР

обобщенный конструктивный коэффициент.

(О,

срО*

| ¿л

= —¡^7=1.

Критерием границы возбуждения колебаний половинной частоты, как указывалось, является равенство средней за период свободной частоты половинной частоте. При принятых относительных единицах это условие имеет вид

2л- ^

При значении индукции, соответствующем выполнению условия по равенству свободной частоты половинной частоте должно выполняться и энергетическое условие. Для энергии вносимой в колебательный контур за счет периодического изменения индуктивности и рассеиваемой в активном сопротивлении получены соответствующие выражения в относительных единицах

1

1 ¿п

2 71 1

сИрЪ

соб(г + (р) + ■

сИрЬ

Э1п(г + ср)

8ш(г +<р)с!т ,

р ~ —

Л

2

При индукции, соответствующей выполнению резонансного условия, энергетическое условие выполняется с большим запасом (рис. 3).

Рис. 3. Зависимости вносимой и рассеиваемой Рис. 4. Пояснение к процессу передачи энергии от амплитуды индукции двойной час- энергии в колебательный контур за счет тоты изменения индуктивности

Однако опыт показывает, что нарушение колебаний половинной частоты происходит при меньших значениях теряемой энергии. Это может происходить из-за того, что при некоторых значениях мгновенной индуктивности и активной нагрузки характер переходного процесса в контуре становится не колебательным.

Из приведенной стилизованной диаграммы (рис. 4), на которой иллюстрируется процесс параметрического возбуждения следует, что колебательный характер переходного процесса должен сохраняться при всех мгновенных значениях индуктивности. Предельное значение относительного активного сопротивления полученного из этого условия при различных значениях К лежит в

пределах 0,4+0,6. Относительное активное сопротивление колебательного контура равно отношению рассеиваемой мощности к реактивной мощности конденсатора при работе делителя частоты. Как показано выше максимально возможное значение этого отношения при использовании делителя частоты в качествр ИКТ составляет около 8%. Следовательно, условие сохранения колебательного процесса в контуре делителя также выполняется с запасом.

Таким образом, в реальном диапазоне емкостных токов замыкания на землю, причиной ограничения контрольного тока является влияние намагничивающей силы, создаваемой током дугогасящего реактора.

Вторая глава посвящена разработке рекомендаций по выбору параметров устройства для наложения контрольного тока с частотой 25 Гц через типовой трансформатор напряжения для защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов (рис. 5) в схеме блока генератор - трансформатор с питанием сети собственных нужд и местной нагрузки через реактированную отпайку. В этом случае нейтраль изолирована, поэтому наложение контрольного тока осуществляется через обмотку типового трансформатора напряжения, соединенную в разомкнутый треугольник. При этом должен быть решен вопрос обеспечения максимально возможного контрольного тока.

Кроме ограничений по условию возбуждения, о которых было сказано выше, в данном случае должно быть учтено ограничение по максимально допустимому току в обмотках ТН.

При замыкании на землю действующее значение тока в обмотках трансформатора напряжения определяется составляющими с частотой 25 Гц и 50 Гц. В таких условиях делитель частоты должен подключаться через фильтр присоединения (Ф.П.), частотная характеристика и параметры которого должны быть такими, чтобы при замыкании в достаточной степени ограничивался ток с частотой 50 Гц, а сопротивление к току с частотой 25 Гц было бы по возможности минимальным. Результирующее действующее значение тока в обмотках трансформатора напряжения при этом не должно превышать допустимого значения.

Рис. 5. Схема наложения контрольного тока через трансформатор напряжения для выполнения защиты от замыканий на землю в обмотке статора генератора, работающего в блоке с трансформатором при наличии реактированной отпайки

Таким условиям может в принципе удовлетворять фильтр из последовательно соединенных линейного дросселя и конденсатора, настроенных в резонанс на частоте 25 Гц. При этом делитель частоты будет работать на чисто активную нагрузку, которая не должна превышать допустимую по условию возбуждения колебаний.

Получены соотношения для схемы разрабатываемого устройства, с помощью которых определены необходимые количественные параметры для конструирования.

Зависимости токов с частотой 25 и 50 Гц и активной мощности, требующейся от делителя частоты в зависимости от реактивного сопротивление дросселя фильтра присоединения (рис. 6) позволили выбрать реактивное сопротивление дросселя и его добротность, при которых совмещаются условия получения максимально возможного контрольного тока при допустимой активной нагрузке на делитель частоты.

т,

(А)

2

°0 30 60 „ 90 120 150 Хпр, (Ом) "о 30 60 90 120 150 Хпр, (Ом) а) 6)

Рис. 6. Графики зависимости токов с частотой 25 Гц и 50 Гц (а) и активной мощности (б) от индуктивного сопротивления цепи наложения при различных значениях добротности фильтра

Приведенные зависимости получены для электроустановки с номинальным напряжением 6 кВ и включением делителя частоты через соединенные в разомкнутый треугольник основные вторичные обмотки трансформаторов напряжения типа ЗНОЛ.09-6.

Как видно при снижении индуктивного сопротивление дросселя фильтра активная мощность делителя частоты снижается. Однако это сопротивление нельзя принимать ниже такого значения, при котором имеет место резкое снижение тока с частотой 25 Гц. В данном случае для выполнения устройства принято сопротивление, равное 40 Ом.

В этом же разделе исследованы электрические величины с частотой 25 Гц при замыканиях, в схеме блока генератор - трансформатор с питанием сети собственных нужд через реактированную отпайку.

В нормальном режиме ток с частотой 25 Гц в цепи защищаемого генератора мал, так как емкость обмотки статора относительно земли значительно меньше, чем емкость присоединенной сети. При замыкании на землю в цепи генератора ток увеличивается, а напряжение нулевой последовательности с

частотой 25 Гц снижается. Поэтому одним из возможных вариантов выполнения защиты может быть использование снижения отношения напряжение к току.

В третьей главе в соответствии с вывода- ^_

ми, полученными в главе 1, основным фактором, который ограничивает максимально возможное значение контрольного тока при использовании источника в сетях с компенсацией емкостного тока, является влияние намагничивающей силы от тока дугогасящих реакторов, протекающего по выходной обмотке.

В применяемых в настоящее время источниках контрольного тока основным мероприятием для снижения этого влияния является замена конденсатора колебательного контура цепью из последовательно соединенных дросселя и конденсатора, настроенных в резонанс на частоте 50 Гц.

\¥„

:ск

Рис. 7. Схема делителя частоты относительно зажимов выходной обмотки

Гл

'дгр

4

Я

■др

Для рассмотрения влияния тока дугогасящих реакторов на процессы в делителе частоты представим связанные электромагнитно выходную и контурную обмотки в виде эквивалентного трансформатора (рис. 7).

При точной настройке конденсатора и дросселя в цепи колебательного контура в резонанс на частоте 50 Гц степень влияния тока дугогасящего реактора на электромагнитные процессы в делителе частоты зависит от соотношения сопротивления ветви намагничивания делителя на частоте 50 Гц () и суммарного активного сопротивления

цепи колебательного контура (Якэкв). Схема замещения при выполнении условий точной настройки в резонанс указанной цепи приведена на рис. 8.

На электромагнитные процессы в делителе частоты оказывает влияние только намагничивающая часть тока I х, которая, будучи приведенной к числу витков обмотки колебательного контура равна:

Рис. 8. Схема замещения делителя частоты относительно зажимов выходной обмотки при выполнении условий резонанса на частоте 50 Гц в цепи колебательного контура

~ IДГР

IV Л

4- У 'КЭКВ т л ¿/50

Практически степень влияния тока дугогасящих реакторов при изготовлении и наладке определяется измерением напряжения на ветви намагничивания с помощью специальной измерительной обмотки с числом витков

Напряжение с частотой 50 Гц на ветви намагничивания, приведенное к числу витков измерительной обмотки равно:

^50 ~ IДГР

^вых^иХцщКкэкв

+ У

КЭКВ т "^//50

Максимально допустимой намагничивающей силе (Рдоп = №вш1дгр) соответствует определенное напряжение на измерительной обмотке При

этом максимально допустимое активное сопротивление цепи колебательного контура с учетом того, что практически Кюкв

равно

Кдоп ~

К

Ш,

2УЗиудЦдо^

I П IV 11Уи ном" и

■(2)

Из (2) также следует, что контрольный ток может быть увеличен во столько же раз, во сколько раз возможно будет снизить активное сопротивление цепи колебательного контура.

Активное сопротивление цепи колебательного контура складывается из активного сопротивления дросселя и собственного сопротивления обмотки колебательного контура.

Минимально

\

Л %

\

ч

4 --------

--- - — 5 ч _

1 —1 1 1 - ......... 1 1

•И

Рис. 9. Иллюстрация возможности увеличения максимального контрольного тока за счет применения автотрансформаторной связи между обмоткой колебательного контура и выходной обмоткой:

1 - максимально допустимое сопротивление (Кдоп);

2 - фактическое сопротивление (Кк+Ядр) при трансформаторной связи;

3, 4, 5 - фактическое сопротивление (Кк.'жв) при автотрансформаторной связи при токах Гм соответственно 50, 20 и 10 А.

возможное сопротивление

контурной обмотки определяется площадью окна магнитопровода, где эта обмотка может быть размещена и коэффициентом заполнения окна медью. С увеличением числа витков выходной обмотки пропорционально увеличивается контрольный ток. При этом максимально допустимое сопротивление снижается, а фактическое сопротивление увеличивается из-за того, что доля площади окна магнитопровода, занимаемая выходной обмоткой, увеличивается, а доля площади для контурной обмотки уменьшается. Равенство максимально допустимого и фактического сопротивлений цепи колебательного контура определяет максимально возможный контрольный ток для конкретного ИКТ. Это иллюстрируется на рис. 9 (кривая 2).

Для возможного увеличения контрольного тока предлагается замена трансформаторной связи между выходной и контурной обмотками на автотрансформаторную рис. 10.

При этом за счет замещения части витков обмотки колебательного контура выходной обмоткой, оставшаяся часть витков (У^ =№х - (Увш может быть выполнена проводом с большей площадью поперечного сечения, которое определяется соотношением

о _

" ПР1ГЛ

о__^25 ^НОМ

°~2Ш

УД^З.В^В J

К,

1Гг

ар1СРК

Ьь^иом

'УД^ДГР

"ЛП-

• ^КЛ

[2 Скда>2 г4ъиу>

где 50 - площадь окна магнитопровода, занимаемая выходной и контурной обмотками,

Ав - плотность тока выходной обмотки,

Кзв и Кзк - соответственно коэффициенты заполнения медью для выходной и контурной обмоток.

Особенностью предлагаемого мероприятия является зависимость возможного увеличения площади поперечного сечения провода контурной обмотки, а следовательно и снижения сопротивления от тока дугогасящих реакторов.

Зависимости сопротивления цепи колебательного контура от контрольного тока при разных токах дугогасящих реакторов при автотрансформаторной связи нанесены на рис. 9 (кривые 3,4 и 5).

Как видно, эффективность перехода на автотрансформаторную связь обмоток тем выше, чем меньше ток дугогасящих реакторов. Это важно, так как позволяет увеличить контрольный ток в одном из ответственных случаев, а именно при выполнении защиты от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов.

Четвёртая глава посвящена разработке предложений по усовершенствованию защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов в энергосистеме республики Кыргызстан.

В составе энергосистемы Кыргызстана эксплуатируется большое количество синхронных генераторов, схемы присоединения которых отличаются большим многообразием. Значительную часть всех электростанций составляют гидроэлектростанции с генераторами различной мощности.

>'&ЫХ

Хдр

Ск

Рис. 10. Схемы делителя частоты при автотрансформаторном соединении выходной и контурной обмоток

В большинстве случаев гидрогенераторы на электростанциях включены по схеме блока генератор - трансформатор. Основная защита от замыканий на землю в обмотке статора выполняется с использованием напряжения нулевой последовательности промышленной частоты. Для устранения зоны нечувствительности используется защита, основанная на принципе сравнения составляющих с частотой 150 Гц в напряжении нулевой последовательности на выводах генератора и в нейтрали.

Анализ состояния выполнения защиты от однофазных замыканий в обмотке статора генераторов показал, что есть объекты, в которых защита не удовлетворяет всем требованиям.

Использование результатов данной работы для усовершенствования защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов может быть прежде всего полезным в тех случаях, когда существующая защита не обеспечивает селективности по отношению к поврежденному генератору.

Одним из таких объектов является блок Учкурганской ГЭС, в котором гидрогенераторы присоединены к трансформатору по схеме, приведенной на рис. 11. На блоке Учкурганской ГЭС используется неселективная защита, реагирующая на появление напряжения нулевой последовательности промышленной частоты. Поскольку в цепи каждого генератора имеется выключатель, то целесообразно применить селективную защиту от замыканий на землю.

Для выполнения защиты с наложением контрольного тока с частотой 25 Гц, в цепь дугогасящего реактора генератора Г1 должен быть включен источник контрольного тока.

С учетом предложения о замене трансформаторной связи между обмотками на автотрансформаторную и соответствующих теоретических обоснований, приведенных в этой работе, контрольный ток при токе дугогасящего реактора, равном примерно 10 А, может быть установлен равным 1,64 А.

Для выполнения защиты необходимо контролировать изменение токов с частотой 25 Гц на выводах генераторов, ток со стороны нейтрали гидрогенера-

15

Рис. 11. Схема укрупненного блока Учкурганской ГЭС

Рис. 12. Схема замещения для расчета электрических величин при замыкании на землю в обмотке статора генераторов Учкурганской ГЭС

тора Г1 и напряжение на вторичной обмотке дугогасящего реактора. Поэтому проведены расчеты изменения токов и напряжений с частотой 25 Гц при замыкании через переходное сопротивление для определения требований к измерительным органам защиты. Для проведения расчетов электрических величин при замыкании на землю в обмотке статора генераторов принята схема замещения, приведенная на рис. 12.

Ток в цепи дугогасящего реактора

Чре* ~~ 1

Напряжение на дугогасящем реакторе

^/ЦТ* ~

тл1

Ток на выводах при замыкании в генераторе Г1

№п

^вът* I дгр*

2 +

Ток на выводах при замыкании в генераторе Г2

С,

^ВЫВ2* ~~ 1ДГР'

с,+с2

Рис. 13. Направления токов с частотой 25 Гц при металлическом замыкании

2 +

В приведенных выше формулах С1 и Сг - емкости трех фаз генераторов Г1 и Г2 относительно земли. Токи отнесены к току 1ДГР при Яп, = 0, а напряжение

к напряжению ИКТ.

Особенностью схемы блока Учкурганской ГЭС является, то что через ДГР заземлена нейтраль только одного генератора. Поэтому токовый измерительный орган генератора Г1 включается по дифференциальной схеме, чтобы защита не срабатывала при внешних замыканиях (рис.13), а измерительный орган генератора Г2 только на ток выводов генератора. Характер изменения электрических величин при замыкании и направлении токов позволяют предложить следующие варианты формирования признаков для выявления поврежденного генератора. Для генератора Г1 разность токов в цепи дугогасящего реактора и на выводах, а для генератора Г2 ток на выводах

'ЗАЩ1»

I» — IДГР* 1В,

~ IВЫВ2'

Расчеты показывают, что целесообразно использовать для выявления поврежденного генератора качественный признак, который заключается в том,

16

что измеряемый ток с частотой 25 Гц в поврежденном генераторе, больше чем в неповрежденном. При Кп, < 2 эти токи отличаются более чем в два раза.

В качестве пусковых признаков используется увеличение модуля и изменение фазы напряжения на дугогасящем реакторе и появление напряжения нулевой последовательности промышленной частоты. |

Другим объектом в энергосистеме Кыргызстана, где целесообразно применение наложенного тока для выполнения селективной защиты является Шамалды-сайская ГЭС. В составе Шамалдысайской ГЭС имеется укрупненный блок, в котором два генератора подключены к одной обмотке низкого напряжения трансформатора через отдельные выключатели (рис.14). Так как нейтраль гидрогенераторов изолирована, то для выполнения избирательной защиты от замыканий на землю может быть применено наложение контрольного тока через обмотки трансформатора напряжения, соединенные в разомкнутый треугольник.

Используя результаты, полученные в главе 2, были проведены расчеты для определения параметров фильтра присоединения и токов на выводах поврежденного и неповрежденного генератора и напряжения нулевой последовательности с частотой 25 Гц.

Определение токов с частотой 25 Гц при устойчивых замыканиях, а также результаты исследований при перемежающихся дуговых замыканиях, проведенные в работе, позволяют и в этом случае использовать качественный признак по соотношению токов на выводах генераторов.

Логическая связь релейных измерительных органов защиты приведена на рис. 15. Блок 1 выявляет поврежденный генератор по со-

Рис. 14. Схема укрупненного блока Шамалдысайской ГЭС

на сигнал

Рис. 15. Логическая связь релейных элементов защиты:

1- превышение тока на выводах генератора Г1 над током генератора Г2 (или генератора Г2 над током генератора Г1);

2- появление напряжение нулевой последовательности с частотой 50 Гц;

3- снижение составляющей с частотой 25 Гц в напряжении нулевой последовательности;

4- исчезновение тока с частотой 25 Гц в цепи источника контрольного тока.

отношению токов. Блок 2 выдает логический сигнал при появлении напряжения нулевой последовательности промышленной частоты при замыканиях удаленных от нейтрали. Блок 3 выдает логический сигнал при снижении составляющей с частотой 25 Гц в напряжении нулевой последовательности. При исчезновении тока с частотой 25 Гц в цепи ИКТ защита блокируется и подается сигнал.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

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.

З.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, включаемого через трансформатор напряжения, выявлены исходные условия для выполнения селективной защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов, 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.

6.Разработаны конкретные рекомендации для выполнения избирательной защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов двух укрупненных блоков на гидроэлектростанциях Кыргызстана. Для генераторов с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы может быть использовано предложение по увеличению 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.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Тентиев Р.Б Сравнительная оценка критериев, определяющих границу возбуждения колебаний в электромагнитном параметрическом делителе частоты на два. // XII Всероссийском научно-техническом конференции Энергетика: экология, надежность, безопасность г Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2006. - С.77-80.

2. Тентиев Р.Б. Определение расчетных условий возбуждения колебаний в ферромагнитном делителе частоты на два XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» / Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. - С. 121-123

3. Тентиев Р.Б. Определение основных параметров устройства для наложения контрольного тока с частотой 25 Гц на первичные цепи электроустановки.// Известия Кыргызского государственного технического университета, г. Бишкек -2007. -№12. -С. 122-116.

4. Тентиев Р.Б. Условия работы электромагнитного параметрического делителя частоты в качестве источника контрольного тока для защиты от замыканий на землю. ТПУ, - Томск, 2008 г. - 13 с. Деп. в ВИНИТИ (Всероссийский институт научной и технической информации) 28.09. 2007, № 928 - В2008.

5. Тентиев Р.Б., Юдин С.М. Устройство для наложения тока с частотой 25 Гц через типовой трансформатор напряжения для защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов. ТПУ, - Томск, 2008. - 20 с. Деп. в ВИНИТИ (Всероссийский институт научной и технической информации) 25.03.2008, №246 - В2008.

6. Вайнштейн P.A., Тентиев Р.Б., Юдин С.М. Повышение эффективности использования делителя частоты как источника контрольного тока для защиты от замыканий на землю. ТПУ, - Томск, 2008 г. - 18 с. Деп. в ВИНИТИ (Всероссийский институт научной и технической информации) 25.03.2008, №247 - В2008.

7. Тентиев Р.Б. Защита от замыканий на землю с наложением юка с частотой 25 Гц через типовой трансформатор напряжения в сети изолированной нейтралью. // XIV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» / Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008.-С. 107-109.

8. Тентиев Р.Б. Усовершенствование источника контрольного тока для защиты от замыканий на землю за счет изменения схем соединения обмоток. // XIV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» / Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1.- Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. -С. 109-111.

9. Вайнштейн P.A. Тентиев Р.Б. Юдин С.М. Повышение надежности защиты генераторов от замыканий на землю, основанной на наложении вспомогательного тока с частотой 2.5 Гц. // Известия Томского политехнического университета. -2008. -№ 4,-Том 312, С. 96- 100.

Подписано к печати 08.09.2009. Тираж 100 экз.

Кол-во стр. 19. Заказ №40-09 Бумага офсетная. Формат А-5. Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШ мб.ч\> Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03.05.2001г. 634034, г. Томск, ул. Усова 7, ком. 046 тел. (3822) 56-44-54

Введение. Краткий обзор. Постановка задачи.

Глава 1. Условия работы электромагнитного делителя частоты в качестве источника контрольного тока.

1.1. Условия работы электромагнитного параметрического делителя частоты в качестве источника контрольного тока для защиты от замыканий на землю в электроустановках с компенсацией емкостного тока.

1.2. Уточнение условий возбуждения колебаний в электромагнитном параметрическом делителе частоты на два.

1.3. Энергетическое условие возбуждения колебаний с частотой 25 Гц в параметрическом делителе частоты.

Глава 2. Разработка устройства для наложения контрольного тока через трансформатор напряжения и основ выполнения защиты от замыканий на землю.

2.1. Обоснования расчетной схемы замещения устройства наложения контрольного тока через трансформатор напряжения.

2.2. Выбор схемы и параметров фильтра присоединения делителя частоты в цепи разомкнутого треугольника трансформатора напряжения.

2.3. Определение значений полных электрических величин на элементах источника контрольного тока с учетом составляющих с частотой 25 Гц и 50 Гц.

2.4. Расчет электрических величин с частотой 25 Гц при устойчивом замыкании с целью определения требований к измерительным органам защиты. 67'

2.5. Исследование защиты с наложением контрольного тока через трансформатор напряжения в переходных режимах.

2.6. Исследование защиты с наложением контрольного тока через трансформатор напряжения при дуговых перемежающихся замыканиях.

Глава 3. Разработка конструктивных мероприятий для увеличения контрольного тока, отбираемого от делителя частоты.

3.1. Определение условий получения максимального контрольного тока от делителя частоты.

3.2. Повышение контрольного тока путем замены трансформаторной связи между выходной и контурной обмотками на автотрансформаторную.

3.3. Повышение контрольного тока за счет снижения площади поперечного сечения провода выходной обмотки.

3.4. О возможности снижения активного сопротивления дросселя.

Глава 4. Разработка предложений по усовершенствованию защиты от замыканий на землю в обмотке статора генераторов в энергосистеме республики Кыргызстан.

4.1. Предложение по усовершенствованию защиты от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов Учкурганской ГЭС

4.2. Предложение по защите от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов Шамалдысайской ГЭС.

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 = 12000 / 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 напряжения; анализ факторов, которые ограничивают значение контрольного тока, который может быть наложен на первичные цепи в сети с изолированной или резистивной заземленной нейтралью; исследование изменения электрических величин с частотой 25 Гц при устойчивых замыканиях; исследование 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.

1. Патент РФ 2268524. МПК7 Н02Н 3/16. Устройство для защиты от замыканий в сетях с компенсацией емкостного тока / P.A. Вайнштейн, В.В. Шестакова, C.M. Юдин. Приор. 17.08.2004; Опубл. 20.01.2006, Бюл. № 2.

2. Вайнштейн P.A., Гетманов В.Т., Пушков А.П. и др. Стопроцентная защита от замыканий на землю обмотки статора гидрогенераторов Красноярской ГЭС // Электрические станции. 1972. - № 2. - С. 41- 44.

3. Вайнштейн P.A., Бобрин В.Д., Волков Г.А., и др. Опыт эксплуатации и модернизация защиты от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов красноярской ГЭС // Электрические станции. 1992. - №9. - С. 12-15

4. Вайнштейн P.A., Головко С.И., Григорьев B.C., Коберник Е.Д., Максимов В.Н., Юдин С.М. Защита от замыканий на землю в компенсированных сетях 6-10 кВ // Электрические станции. 1998. -№7. - С. 26-30.

5. Вайнштейн Р. А., Юдин С. М., Шестакова В. В. Вероятностная модель электрических процессов при дуговых замыканиях в электрических сетях с компенсацией емкостных токов // Известия ВУЗов ТПУ. 2005. -№7 .- Том 308, С. 189- 194.

6. Доронин А. В., Наумов А.М. Особенности применения защит от замыканий на землю обмотки статора генератора // Энергетик — 2007. -№3. С. 32 - 34.

7. Пазманди Ласло. Защита от замыканий на землю в обмотке статора генератора, работающего в блоке с трансформатором // Электричество.- 1971.-№9. с. 29 33.

8. Ю.Кискачи В.М. Способ защиты блока генератор трансформатор от однофазных замыканий, Бюллетень Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР. - 1969. -№ 15.

9. Кискачи В.М. Использование гармоник э.д.с. генераторов энергоблоков при выполнении защиты от замыканий на землю // Электричество. -1974. -№ 2. С. 24-29.

10. А.С. 384172 Устройство для селективной сигнализации однофазных замыканий на землю в компенсированных сетях / Кискачи В.М. Опубл. 23. 05. 1973. Бюл. № 24.

11. A.C. 470885 Устройство для защиты мощных энергоблоков генератор -трансформатор от однофазных замыканий / Кискачи В.М. Опубл. 15.05. 1975. Бюл. № 18.

12. А.С. 490226 Устройство для защиты мощных генераторов энергоблоков от однофазных замыканий на землю / Кискачи В.М. Опубл. 30.10. 1973. Бюл. № 40.

13. Алексеев В. Г. Токовая защита ЗГНП-4.2 от замыканий на землю в обмотке статора генератора, работающего на сборные шины // Электрические станции 2006, № 2. - С. 51 - 56.

14. Шуин В.А., Гусенков A.B. Защита от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. (Библиотечка электротехника) М.:НТФ «Энергопрогресс», 2001. - Вып. 11(35). -104 с.

15. Патент РФ № 2239269. МПК7 Н02НЗ/16. Устройство для защиты от замыкания на землю и контроля сопротивления изоляцииэлектроустановки переменного тока / P.A. Вайнштейн, В.В. Шестакова, С.М. Юдин. Приор. 17.03.2003; Опуб. 27.10.2004; Бюл.№30

16. Каневский Я.М. Применение устройства БРЭ 1301.01 для защиты от замыканий на землю статора генератора в блоке генератор -трансформатор с ответвлением // Энергетик — 2004. №4. - С. 33 - 34.

17. Патент РФ № 2096885. МПК7 Н02Н7/06. Способ защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора и устройство для его осуществления / В.Г. Алексеев, Я.С. Гельфанд, В.В. Кискачи. Приор. 26.07.1995; Опуб. 20.11.1997.

18. Сирота И.М. Трансформаторы и фильтры напряжения и тока нулевой последовательности Киев. Наука думка. -1983. - 208 с.

19. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. М:.1976. -560 с.

20. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Издательство Энергоатомиздат.- 2007. 549 с.

21. Вайнштейн P.A., Шмойлов A.B. Источник контрольного тока для защиты от замыканий на землю сетей с компенсированной нейтралью // Известия ТПИ. 1967. - том 172. С. 67 -75.

22. Вайнштейн P.A., Воронова Л.И., Шмойлов A.B. Использование электромагнитного делителя частоты в качестве источника контрольного тока для защиты от замыканий на землю компенсированных сетей // Известия ТПИ. 1969. -том. 179. С. 16-21.

23. Вайнштейн P.A., Шестакова В.В., Юдин. С.М. Источник контрольного тока//Новости электротехники.- 2007, № 6. С. 52 54.

24. Бамдас A.M., Шапиро C.B., Давыдова JI.H. Ферромагнитные делители частоты М.: Энергия.- 1967. -112 с.

25. Хаяси Тихиро. Нелинейные колебания в физических системах: пер. с англ. Т. Хаяси. М.: Мир.- 1968. - 432 с.

26. Вайнштейн P.A., Шмойлов A.B., Коломиец Н.В. Расчет ферромагнитных делителей частоты по средней собственной частоте // Электричество. 1974,- № 9. С. 66 - 68.

27. Магнус К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем. -М.: Мир, 1982, -304 с.

28. Папалекси Н.Д. Собрание трудов / Под ред С. М. Ратова М.: Издательство Академии Наук СССР.-1948.-426 с.

29. Бессонов JI. А. Нелинейные электрические цепи: учебное пособие, М.: «Высшая школа».- 1977. 342 с.

30. Юдин С.М. Анализ способов наложения тока частоты 25 Гц и исследование параметрического делителя частоты как источника контрольного тока для целей защиты от замыкания на землю Дис.- канд. техн. наук: 05.14.02. Томск: ТПИ, 1982.

31. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей М., «Связь». -1972.-328 с.

32. Вавин В.Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи М.: «Энергия».- 1977. 104 с.

33. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: учебное пособие / Б. Н. Неклепаев, И. П. Крючков. 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат,- 1989. - 608 с.

34. Евдокунин Г.А., Гладилин C.B., Корепанов A.A. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ // Электричество. 1998. № 12 -С. 8-12.- Новосибирск: Издательство НГТУ.- 2004. 368 с.

35. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink.- Санкт Петербург.-Издательство «ДМК Пресс». - 2008.-288 с.

36. Черных И.В. Sumulink: среда создания инженерных приложений. М.: Диалог мифи, 2003. - 496 с.

37. Пашковский С.Н. Понамарев Е.А. Моделирование процессов в электрических сетях при перемежающихся дуговых замыканиях. Депонировано во «Всероссийском Институте научной и техническойинформации» РАН (ВИНИТИ) № 927 В2007 от 28.09.2007. -20 с

38. Руководящее указание по релейной защите. Вып. 5. Защита блоков генератор трансформатор и генератор - автотрансформатор. - M-JL: Энергия.- 1963. - 114 с.

39. A.C. 421083 Устройство для селективной защиты от замыканий на землю в обмотке статора генератора / Вайнштейн P.A., Гетманов В.Т. Опубл 25. 03. 74. Бюл. №11

40. Вайнштейн P.A., Шмойлов A.B., Гетманов В.Т. Стопроцентная селективная защита от замыканий на землю обмотки статора синхронных генераторов укрупненного блока // Известия вузов — Электромеханика.- 1974.- №2. С.12-16

41. Список публикаций автора по теме работы

42. Вайнштейн P.A. Тентиев Р.Б. Юдин С.М. Повышение надежности защиты генераторов от замыканий на землю, основанной на наложении вспомогательного тока с частотой 25 Гц // Известия Томского политехнического университета. 2008. - № 4.-Том 312, С. 96 - 100.