автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Защита блоков генератов-трансформатов от однофазных замыканий на землю в цепях статора

Санкт-Петербургский государственный технический университет

защита блоков генератор-трансформатор от однофазных замыканий на землю в цепях статора

05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

На правах рукописи УДК 621—

ШАХОВА Мария Алексеевна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор

ВАНИН В.К.

Санкт-Петербург -1999

оглавление

введение......................................................................................5

1. работа генератора в электроустановках 9

1.1. Воздействия на изоляцию при работе генератора................9

1.2. Особенности схем включения генератора.............................11

1.3. Электрические величины, контролируемые при однофазных замыканиях на землю.......................................14

1.4. Алгоритмы выявления однофазных замыканий на землю... 17

1.4.1. Контроль напряжения нулевой последовательности... 17

1.4.2. Контроль сигналов третьей гармоники.........................20

1.4.3. Применение методов наложения...................................25

1.5. Контроль сопротивления изоляции генераторов с непосредственным водяным охлаждением...........................27

1.6. Требования к защите от замыканий на землю......................36

Выводы...........................................................................................37

2. разработка и исследование новых методов и алгоритмов контроля сопротивления изоляции ........................................39

2.1. Метод контроля изоляции на основе трехключевого

коммутатора............;...............................................................40

2.3. Метод контроля изоляции на основе шестиключевого

коммутатора............................................................................49

Выводы...........................................................................................62

3. математическое и физическое моделирование стационарных и переходных процессов в системе контроля сопротивления изоляции и защиты от однофазных замыканий на

землю......................:...............................................................63

3.1. Общие положения...................................................................63

3.2. Математическое моделирование стационарных процессов.64

3.2.1. Схема замещения сети генераторного напряжения.....64

3.2.2. Моделирование стационарных процессов....................70

3.3. Математическое моделирование переходных процессов ....82

3.4. Физическое моделирование системы контроля сопротивления изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю...............................................................92

3.4.1. Физическая модель блока генератор-трансформатор и системы контроля и защиты......................92

3.4.2. Физическое моделирование процессов........................95

Выводы...........................................................................................105

4. разработка схем и лабораторных макетов системы контроля сопротивления изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю........................................................106

4.1. Введение..................................................................................106

4.2. Разработка алгоритма и структурной схемы системы контроля и защиты на основе трехключевого коммутатора............................................................................107

4.3. Разработка алгоритма и структурной схемы системы контроля и защиты на основе шестиключевого коммутатора...........................................................................111

4.4. Разработка лабораторного образца системы контроля

изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю... 113 4.5 Особенности подключения системы контроля и защиты

к первичным цепям................................................................120

4.6. Натурные испытания системы контроля сопротивления

изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю... 123 Выводы...........................................................................................126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................141

введение

(

Значительный рост производства электрической энергии стал возможным благодаря освоению и широкому внедрению в эксплуатацию мощных генераторов. Большая часть таких генераторов работает по схеме блока с трансформатором. Надежность работы такого блока определяет надежность работы энергосистемы в целом.

Генераторы чаще всего повреждаются из-за нарушения изоляции обмоток относительно земли. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации изоляция подвергается различным воздействиям, приводящим к ее необратимому ухудшению. Разрушающее воздействие оказывают тепловые, электрические и механические процессы, а так же окружающая среда. Ухудшение изоляции генератора является предвестником возникновения повреждений, в том числе, однофазных замыканий на землю, которые могут привести к катастрофическим последствиям с большим экономическим и экологическим ущербом (особенно в случае повреждения генератора на атомных станциях). Обычно электрическому пробою предшествует длительный процесс старения изоляции и только в завершающей стадии пробой развивается сравнительно быстро. Таким образом, непрерывный контроль состояния изоляции практически исключает возможность внезапного повреждения изоляции из-за ее износа и обеспечивает возможность предотвращения развития более тяжелых аварий. Поэтому разработка защиты от однофазных замыканий на землю, включающая в себя функцию контроля состояния изоляции, весьма актуальна.

Известно много способов построения защит, контролирующих сопротивление изоляции. Но все они имеют определенные недостатки. Так для защиты, реагирующей на напряжение нулевой последовательности, характерна зона нечувствительности, расположенная вблизи нейтрали. Также к числу недостатков известных методов можно отнести необходимость применения специального источника питания, который приводит к дополнительному подмагничиванию сердечников измерительных трансформаторов напряжения, недостаточная точность и чувствительность, слабый контролируемый сигнал. Видно, что задача защиты блока и контроля изоляции решена не полностью.

Использование новых алгоритмов контроля изоляции блока генератор-трансформатор позволяет существенно расширить функциональные возможности средств защиты сети от однофазных замыканий на землю и повысить надежность работы энергетической системы в целом.

Теоретические и практические разработки в данном направлении проводятся коллективами ведущих в области релейной защиты научных школ России и ближнего зарубежья: Московском энергетическом институте (техническом университете), ЮжноРоссийском государственном техническом университете, Чувашском государственном техническом университете, Белорусской государственной политехнической академии, Южно-Уральском государственном университете, Рижском политехническом институте, Ростовском государственном университете путей сообщений, Ивановском энергетическом университете, Вологодском

политехническом институте (техническом университете) и ряде других вузов и научно-исследовательских организаций (ВНИИР ВНИИЭ, ВНИИ Электромашиностроения, и др.).

Целью работы являлось создание улучшенной системы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю блоков генератор-трансформатор, зона действия которой охватывает всю цепь генераторного напряжения, осуществляющей непрерывный контроль сопротивления изоляции, обладающей повышенной чувствительностью, селективностью и расширенными функциональными возможностями, в первую очередь в части определения места повреждения.

Для осуществления этой цели в диссертации решены следующие задачи:

1) разработка новых методов и алгоритмов "системы контроля изоляции и защиты блока от однофазных замыканий на землю, обладающих свойствами предупредительного действия и возможностями определения места повреждения;

2) исследование поведения системы в стационарных и переходных режимах с помощью математического и физйческого моделирования;

3) разработка лабораторного образца устройства и проведение его натурных испытаний.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу проблемы, существующим способам ее решения и формулированию требований к современным устройствам релейной защиты.

Во второй главе рассмотрены методы построения защит блоков генератор-трансформатор от однофазных замыканий на землю,

обладающих свойствами предупредительного действия и предназначенных для работы в составе АСУ. Предложенные методы обладают возможностью непрерывного контроля изменения сопротивления изоляции в нормальных режимах работы цепей статора генератора и определения места возникновения повреждения изоляции в аварийных ситуациях.

В третьей главе с целью проверки теоретических положений работы проводится математическое и физическое моделирование системы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю. Исследуется работа системы в стационарных и переходных режимах.

В четвертой главе описаны алгоритмы и структурные схемы устройств, реализующих новые методы контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю. Приводятся результаты расчета основных элементов схем. Представлены результаты разработки лабораторного образца системы контроля и защиты и его натурных испытаний.

1. РАБОТА ГЕНЕРАТОРА В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

I

1.1. Воздействия на изоляцию при работе генератора

Надежность снабжения потребителей электрической энергией и безопасность эксплуатации электрооборудования являются основными требованиями, предъявляемыми к электротехническим установкам всех отраслей промышленности [1].

Условия безопасности эксплуатации применительно к генератору, как основному элементу энергосистемы, тесно связаны с состоянием его изоляции, так как повреждение изоляции является одной из наиболее частых причин повреждения генератора. Объясняется это спецификой условий работы изоляции и недостаточностью средств определения состояния изоляции, особенно средств своевременного выявления развивающихся дефектов [2, 3]. Надежность работы энергосистемы определяется, в первую очередь, бесперебойностью энергоснабжения. Дефекты изоляции нарушают бесперебойную работу генератора и снижают надежность работы энергосистемы в целом. Таким образом, во всех случаях, как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения надежности, необходимо поддерживать изоляцию генератора на высоком уровне. Очевидно, что это требование не может быть выполнено без систематического контроля за состоянием изоляции. Непрерывный контроль изоляции является наиболее важным средством повышения надежности и уровня обеспечения электробезопасности при эксплуатации генератора [4]. При

непрерывном контроле состояние изоляции генератора фиксируется в течение всего срока службы и поэтому представляется возможным отыскать и устранить место повреждения изоляции, прежде чем ее сопротивление снизится до аварийной величины. Таким образом, совершенствование методов выявления нарушений изоляции -важное средство повышения надежности работы блока генератор-трансформатор.

Во время эксплуатации изоляция генератора подвергается различным воздействиям, под влиянием которых происходит ее старение, т.е. необратимое ухудшение ее свойств. Для изоляции генератора при этом характерным является образование местных дефектов, т.е. существенное ухудшение ее электрических свойств на отдельных участках.

При оценке состояния изоляции должны учитываться тепловые, электрические воздействия на изоляцию, воздействия окружающей среды и механические [3]. Во время работы* генератора его изоляция испытывает эти воздействия одновременно; при этом возможно взаимодействие, т.е.' одновременно приложенные воздействия могут вызвать старение изоляции с иной скоростью, чем приложенные поочередно. Каждый из видов воздействия может оказаться в определенных условиях основным, определяющим процесс старения изоляции или ее части. В этом случае данному виду воздействия будет соответствовать определенный характер старения изоляции и вызываемые этим старением дефекты.

Наиболее универсальным методом выявления повреждений изоляции в условиях эксплуатации является контроль сопротивления

изоляции [5, 6]. Поскольку сопротивление изоляции зависит от ее размеров, изоляционных свойств материалов, мощности машины и многих других факторов, затрудняющих точный расчет, то по одному измеренному значению трудно судить о состоянии изоляции в целом. Поэтому для оценки состояния изоляции необходимо проводить сравнение полученных значений с предыдущими результатами. Снижение сопротивления свидетельствует об ухудшении общего ее состояния или появления каких-то дефектов. В процессе эксплуатации сопротивление изоляции периодически измеряется мегаомметром, но в промежутках между замерами оно может значительно изменяться. При наличии постоянного контроля можно с большей достоверностью судить о состоянии изоляции. Непрерывный контроль сопротивления изоляции может быть совмещен с защитой от замыканий на землю и осуществляться одним устройством.

Методы контроля существенно зависят от схемы подключения генератора к энергосистеме.

1.2. Особенности схем включения генератора

Синхронные генераторы могут работать непосредственно на шины генераторного напряжения, в блоках с трансформаторами, в блоках с трансформаторами и с ответвлениями, питающими потребителей на генераторном напряжении, например, собственные нужды или местную нагрузку и по некоторым другим главным схемам электрических соединений станций (рис. 1.1).

На всех энергоблоках на стороне генераторного напряжения,

*

как правило, имеются ответвления для питания собственных нужд блока через реактор или через рабочий трансформатор собственных нужд, подключаемые к блоку без выключателя.

При наличии генераторного выключателя ответвление подключается между этим выключателем и трансформатором блока.

Ответвление выполняется, так же как и вся ошиновка на генераторном напряжении, пофазно-экранированным токопроводом. Отсутствие выключателя в ответвлении вполне допустимо из-за малой повреждаемости реакторов и трансформаторов собственных нужд.

Рис. 1.1.

В процессе эксплуатации генератора возможны опасные повреждения обмотки статора и цепей возбуждения, а также ненормальные режимы работы. Несвоевременное отключение

повреждений в генераторе может нарушить бесперебойную работу

1

всей электрической системы.

К электрическим повреждениям, учитываемым при выполнении защиты синхронных генераторов, относятся многофазные и однофазные замыкания в обмотке статора и замыкания на землю в цепях возбуждения. Однофазные замыкания в обмотке статора возможны двух видов: между витками одной фазы и на землю - заземленный корпус статора. Необходимо учитывать, что в общем случае (в особенности у современных мощных генераторов с непосредственным охлаждением проводников обмоток) возможно возникновение повреждений в любой части обмоток, а также то, что один вид повреждения, например, однофазное замыкание на землю, может перейти в другой, например, в витковое КЗ, прежде чем возникшая авария окажется ликвидированной..

Однофазные замыкания на землю (033) являются одним из основных видов повреждений в блоках. Они* составляют до 40 % всех повреждений генераторов (см. Приложение 2).

Защиты от 033 выполняются по-разному для генераторов, работающих в блоке с трансформатором, и для генераторов, работающих непосредственно на шины генераторного напряжения. Защиты от 033 блочных генераторов часто можно осуществлять более простыми и технически совершенными. Для этого используется, например, напряжение нулевой последовательности и о в системе генераторного напряжения. Это напряжение появляется только при замыканиях на землю в этой системе, так как в схеме замещения нулевой последовательности генератор отделен от

остальной электрической системы своим трансформатором и

, 1

указанное и0 при повреждениях за трансформатором блока очень

мало. Для действия защит генераторов, работающих на шины, нельзя использовать напряжение^, так как практически одинаковые и0 могут появляться при 033 в любой точке системы генераторного напряжения (например, защищаемом генераторе, в сети или в других генераторах). Поэтому в последнем случае часто приходится ориентироваться на токи 10 на выводах генератора, которые при повреждении в нем оказываются большими, чем при повреждении в элементах системы. Однако такие защитные устройства получаются менее совершенными. Их применение оказывается возможным на машинах небольшой и средней мощности (<100 МВт), когда емкостные токи 10 генератора значительно меньше токов 10 остальной части сети [7].

Учитывая, что на электрических станциях, наиболее распространены блоки генератор-трансформатор с выключателем или без него в цепи генератора, то в дальнейшем ограничимся рассмотрением именно таких блоков.

1.3. Электрические величины, контро�