Исследование и совершенствование устройств релейной защиты энергоблока «генератор — трансформатор» Атырауской ТЭЦ



В работе был произведен анализ существующей релейной защиты энергоблока генератор-трансформатор Атырауской ТЭЦ. Для совершенствования релейной защиты блока генератор-трансформатор были выбраны более чувствительные, совершенные, отвечающие современным требованиям микропроцессорные блоки защит REG670 и RET650 фирмы АВВ.

Ключевые слова: релейная защита, энергоблок генератор-трансформатор, микропроцессор, дифференциальная защита, правила устройств электроустановок.

The work analyzed the existing relay protection of the generator-transformer power unit of the Atyrau CHPP. To improve the relay protection of the generator-transformer unit, more sensitive, advanced, microprocessor protection units REG670 and RET650 from ABB were selected that meet modern requirements.

Keywords: relay protection, generator-transformer power unit, microprocessor, differential protection, rules for arrangement of electrical installations.

Трансформаторы и генераторы являются одними из важнейших элементов энергетической системы, следовательно, к системам их защит выдвигаются строгие требования по быстродействию, избирательности, эксплуатационной надежности и чувствительности в условиях динамических переходных процессов, возникающих при различных коммутациях в энергетических системах.

Особенно тяжелые повреждения генераторов и трансформаторов образуются при междуфазных коротких замыканиях (КЗ). В качестве основной релейной защиты (РЗ) от междуфазных КЗ в генераторах и трансформаторах применяется быстродействующая продольная дифференциальная защита.

Дифференциальная защита является одним из наиболее широко используемых методов защиты силового трансформатора и генератора от внутренних повреждений. Метод основан на измерении и сравнении токов на обеих сторонах трансформатора: первичной и вторичной линиях. Дифференциальное реле срабатывает всякий раз, когда разница токов с обеих сторон превышает заданный порог (рисунок 1).

Рис. 1. Принципиальная схема дифференциальной защиты трансформатора

На рисунке 1 показан принцип действия продольной дифференциальной защиты. Если замыкание происходит вне защищаемой зоны, то левые и правые токи имеют одинаковое направление и приблизительную величину, т. е. их разница незначительна, и защита не срабатывает. Если повреждение происходит внутри защищаемой зоны, ток правого конца меняет свое направление, создавая значительный ток через дифференциальное реле A, вызывая его срабатывание. Дифференциальный то — это разность токов, которая имеет тенденцию инициировать работу, а ток торможения — это ток, пропорциональный току нагрузки, который имеет тенденцию запрещать работу дифференциальной защиты [1].

Принцип построения продольной дифференциальной защиты трансформатора идентичен дифференциальной защите генератора. Но имеются некоторые нюансы.

В отличие от дифзащиты генератора токи в плечах дифзащиты трансформатора не могут быть равными, так как ток трансформируется через силовой трансформатор (на высокой стороне трансформатора ВН ток меньше чем на низкой стороне НН). Поэтому, для их выравнивания, нужно устанавливать трансформаторы тока с разными Ктт (коэффициент трансформации), для того чтобы выровнять вторичные токи в реле. Значение должно быть таким:

(1)

При соединении обмоток трансформаторов тока по схеме «Звезда-треугольник (Y/Δ)» ток в линейном проводе, где схема собрана в «треугольник», отличается от тока проходящем по трансформатору тока на величину √3. Тогда формулу 1 можно записать в виде:

(2)

Для более точного выравнивания токов во вторичных цепях можно использовать уравнительные обмотки специальных реле, выпускаемых для дифференциальных защит. Это реле серии РНТ, ДЗТ. Отличительной особенностью таких реле можно назвать применение быстронасыщающихся трансформаторов (БНТ). На сердечник намотано несколько витков обмотки, закороченной накоротко, которая при появлении апериодической составляющей насыщает сердечник и ухудшает трансформацию тока. Также на сердечник реле намотаны обмотки: уравнительные, дифференциальная и рабочая, подключенная к токовому реле типа РТ-40.

Когда ненагруженный трансформатор включают в сеть возникают броски тока намагничивания, величина которого в несколько раз превышает значение номинального тока (рисунок 2) [2]

Рис. 2. Бросок тока намагничивания силового трансформатора

Из за того, что большую часть этих токов составляют апериодически затухающие токи, быстронасыщающийся трансформатор не пропускает их.

Силовые трансформаторы имеют определенную группу соединения обмоток. В основном это 11-я группа. Схема соединения обмоток трансформаторов: «Звезда-треугольник». В следствие чего вторичные токи в реле не совпадают по фазе (рисунок3).

Рис. 3. Векторные диаграммы трансформатора

Для компенсации сдвига по фазе, по причине существования группы соединения обмоток трансформаторов, трансформаторы тока на стороне ВН, где обмотки силового трансформатора соединены со схемой «звезда», подключаем по схеме «треугольник». Трансформаторы тока на стороне НН, где обмотки силового трансформатора соединены со схемой «треугольник», подключаем по схеме «звезда» (рисунок 4) [3].

Рис. 4. Схема защиты

Продольная дифференциальная защита генератора Атырауской ТЭЦ выполнена с использованием реле РНТ-565 (рисунок 5) в трехфазном исполнении (с трансформаторами тока в трех фазах).

Рис. 5. Схема продольной дифференциальной защиты генератора серии ТВФ-63 с использованием реле РНТ-565

Данная защита предусматривается для генераторов серии ТВФ. Применяется в трехфазном трехсистемном исполнении. Для защиты используется реле типа РНТ-565 с насыщающимся трансформатором усиленного действия, позволяющим отстроиться от бросков тока намагничивания [3]. Как показал опыт эксплуатации надежность функционирования данных реле является недостаточной. Для повышения надежности функционирования основной защиты блока генератор-трансформатор предлагаю заменить устаревшие электромеханические реле на современные терминалы защиты REG670 и RET650 фирмы АВВ.

За последние годы наблюдается значительный интерес к области цифровой защиты силового оборудования. Основные особенности, которые побудили многих исследователей исследовать осуществимость при разработке цифровых реле для защиты энергосистем — это их экономичность, надежность, гибкость, повышенная производительность по сравнению с обычными реле и возможность интеграции цифрового реле в иерархическую компьютерную систему внутри подстанции. Внедрение микропроцессоров открыло новые и недорогие возможности для разработки устройства защиты энергосистем и силовой аппаратуры.

«Существенным преимуществом цифровых дифференциальных защит является возможность практически полной корректировки коэффициентов передачи при измерении токов на отдельных сторонах программным путем — умножением рассчитанных векторов входных токов отдельных сторон на соответствующие комплексные коэффициенты» [4]. Данные коэффициенты вычисляются автоматически самим устройством защиты на основе введенных параметрах силового трансформатора (Sном, Uном и группа соединения обмоток силового трансформатора) и коэффициентах трансформации трансформаторов.

Современные устройства микропроцессорной релейной защиты производят согласование и обработку измеряемых величин в цифровом виде. Это, в свою очередь, обеспечивает преимущество по сравнению с системами аналогового измерения. Цифровые фильтры и интеллектуальные алгоритмы обеспечивают высокую точность измерений и гибкость в настройке параметров. Применение адаптивных алгоритмов измерения дает возможность сократить время срабатывания устройств релейных защит при внутренних повреждениях, исключить ложные срабатывания при коротких замыканиях за зоной при насыщении трансформаторов тока, а также исключить излишние срабатывания при включении объекта под напряжение (например, при БНТ).

Для совершенствования устройств релейной защиты энергоблока генератор-трансформатор Атырауской ТЭЦ мною были выбраны микропроцессорные терминалы защит REG670 и RET650 фирмы АВВ (рисунок 6).

Рис. 6. Интеллектуальное электронное устройство REG670

REG670 IED (интеллектуальное электронное устройство) обеспечивает защиту и мониторинг генераторов, электродвигателей и повышающих трансформаторов на гидроэлектростанциях, гидроаккумулирующих, газовых, парогазовых, паровых и когенерационных станциях. Благодаря превосходной производительности, гибкости и масштабируемости он отвечает самым строгим требованиям в любом уголке мира как для новых установок, так и для модернизации.

Интеллектуальное электронное устройство REG670 выводит защиту генератора на новый уровень производительности. До 24 аналоговых входов позволяют объединить основную и резервную защиту в одном ИЭУ. В качестве альтернативы в область защиты генератора можно включить дополнительные объекты, например, трансформаторы. Это позволяет полностью дублировать защиту в первом и втором основных устройствах. Эти функции позволяют сократить количество IED, необходимых для защиты всей электростанции, одновременно повышая доступность. Это, в свою очередь, упрощает установку и снижает стоимость жизненного цикла, связанную с вводом в эксплуатацию, техническим обслуживанием и запасными частями. Функциональность REG670 также включает интеллектуальные критерии неисправностей, обеспечивающие непревзойденную селективность и чувствительность.

Используя передовую и инновационную технику фильтрации, REG670 также может обеспечить интегрированную защиту от субсинхронного резонанса турбогенераторов.

Короткое замыкание между фазами обмоток статора приводит к очень серьезному повреждению. Короткое замыкание создает риск повреждения изоляции, обмоток и статора. Большие токи короткого замыкания вызывают большие силы тока, которые могут повредить другие компоненты электростанции, такие как турбина и вал турбогенератора. Короткое замыкание также может спровоцировать взрыв и пожар. При возникновении короткого замыкания в генераторе его необходимо устранить за очень короткое время. Дифференциальная защита генератора устройства REG670 имеет чрезвычайно быстрый критерий обнаружения с типичным временем срабатывания 0.015 с, сохраняя при этом высокий уровень безопасности. Также большое значение имеет то, что защита генератора от короткого замыкания не срабатывает при внешних коротких замыканиях. Защита GENPDIF (87G), как правило, является лучшим выбором для генераторов.

Среди множества доступных функций REG670 может включать 100 % защиту статора и ротора от замыканий на землю, а также 100 % защиту статора от замыканий на землю на основе 3-й гармоники (рисунок 7).

Эти решения позволяют по-новому оптимизировать соотношение стоимости и производительности системы защиты в зависимости от важности или размера электростанции. 100 % защита статора от замыканий на землю на основе 3-й гармоники использует дифференциальный принцип, который обеспечивает высокую чувствительность и безопасность. Это обеспечивает правильную работу даже в условиях низкой нагрузки.

Рис. 7. Принцип выполнения защиты статора и ротора от замыканий на землю

Готовый шкаф защиты блока генератор-трансформатор содержит две системы защиты. Первая система защиты имеет в своем составе шкафы с интеллектуальными электронными устройствами REG670 и RET650. Гидрогенератор и выпрямительный трансформатор входит в зону защиты устройства REG670. А силовой трансформатор и трансформатор собственных нужд входит в зону защиты устройства REТ650.

«Дублирующая система защиты 2 содержит такие же шкафы, что и первая система защиты. Каждая из дублирующих автономных систем защиты, содержащая по два унифицированных шкафа, подключается к отдельным трансформаторам и цепям оперативного тока. Входящие в состав шкафов устройства обеспечивают, кроме работы функций релейной защиты, так же самодиагностику устройства защиты, контроль за состоянием выключателя, местное управление из шкафа или дистанционное управление по локальной сети, регистрацию событий, получение осциллограмм аварийных процессов, измерение мгновенных значений электрических величин, передачу этой информации на верхний уровень управления» [5]. Схема размещения защит блока «генератор-трансформатор» представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Схема размещения защит блока «генератор-трансформатор» [6]

Заключение

Для модернизации релейной защиты блока генератор-трансформатор Атырауской ТЭЦ мною были выбраны терминалы защит REG670 и RET650 фирмы АВВ. Основные преимущества данных устройств по сравнению с другими аналогичными устройствами мировых производителей:

— быстродействующие и надежные алгоритмы защиты

— возможность переконфигурирования и изменения состава модулей при модернизации или расширении электростанции

— совместимость с АСУ и с различным коммуникационным оборудованием

Литература:

1. В. Н. Копьев. Релейная защита. Принципы выполнения и применения. Учебное пособие. — Томск; Издательство ТПУ, 2006. — 78 с.
2. Кривенков В. В., Новелла В. Н. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. — М., Энергоиздат, 1981. — стр. 204
3. В. А. Андреев. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. — Москва; Высшая школа, 2006. — 501 с.
4. Э. М. Шнеерсон. Цифровая релейная защита. — М.: Энергоатомиздат, 2007. — 256 с.
5. В. А. Лавриненко. Опыт применения устройств семейства RELION для релейной защиты блока «генератор-трансформатор».
6. Устройство защиты генератора REG670. Версия 2.1. Руководство по продукту. — АВВ, 2016. — 7 с.