Устройство защиты синхронного генератора с частотно-тиристорным пуском от замыкания на землю обмотки статора Советский патент 1993 года по МПК H02H7/08 

Изобретение относится к области электроэнергетики и предназначено для релейной защиты синхронных генераторов, а также электродвигателей и компенсаторов,

имеющих тиристорные пусковые устройства (ТПУ), от замыкания на землю как в режиме частотно-тиристорного пуска (ЧТП), так и при работе в сети.

Цель изобретения - обеспечение 100%- ной защиты от замыкания на землю обмотки статора генератора при пуске от ТПУ и работе в сети. Защита синхронного генератора в общем случае должна обеспечиваться в диапазоне частот:

fb

где ft 1,, Гц -частота выбега генератора, с которой начинается синхронизация с сетью.

Кроме того, по технологическим условиям работы энергоустановки в целом алгоритмы пуска могут различаться. Например, при ЧТП генератора газотурбинной установки его разгон с питанием от ТПУ осуществляют до частоты 33,3 Гц или несколько выше (по условиям работы газовой турбины). Если же генератор работает в режиме синхронного компенсатора, то отключение ТПУ производят на засинхронных частотах (53-55 Гц), после чего генератор на выбеге синхронизируют с сетью.

Обеспечение 100%-ной защиты от замыкания на землю обмотки статора генератора в вышеуказанных режимах достигается тем, что в устройстве защиты, содержащем фильтр третьей гармоники сети (частоты 150 Гц), первый и второй реагирующий органы, входы которых соответственно через фильтр частоты 150 Гц и фильтр субгармонической частоты подключены к выходу сумматора напряжений нулевой последовательности на линейных выводах и нейтрали генератора, а их выходы соответственно через элементы НЕ и И-НЕ, последний из которых своим вторым входом соединен с выходом органа частоты, включенного на линейное напряжение генератора/подключены ко входам элемента И, выход которого подключен к первому входу двухханального коммутатора, второй вход которого через схему ИЛИ подключен к выходу органа сравнения частот, включенного на линейное напряжение и напряжение нулевой последовательности на линейных выводах генератора, и к выходу органа минимального напряжения, включенного на напряжение нейтрали генератора, вход управления двухканальным коммутатором подключен к выходу органа направления мощности, включенного на фазный ток и линейное напряжение генератора, причем выход двухканального коммутатора подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу органа напряжения, соединенного своим входом с выходом трехфазного выпрямителя, включенного на фазные напряжения генератора, а выход второго элемента И под- ключен ко входу выходного органа устройства.

На фиг.1,2,5-7 приведены осциллограммы напряжений при пуске турбогенератора от ТПУ, в различных режимах работы. На фиг.З приведена структурная схема описываемого устройства. Принятые обрзначе0 ния: 1 - сумматор напряжений; 2 - фильтр частоты 150 Гц; 3 - фильтр субгармониче ской частоты; 4 - первый реагирующий орган; 5 - второй реагирующий орган; 6 - элемент НЕ; 7-элемент И-НЕ; 8-элемент

5 И; 9-орган частоты; 10-орган сравнения частот; 11-элемент ИЛИ; 12 -орган минимального напряжения; 13 - двухканальный коммутатор; 14 - орган направления мощности; 15 - второй элемент И; 16 - орган

0 напряжения; 17 - трехфазный выпрямитель; 18 - выходной орган; 19 - трансформатор напряжения на линейных выводах турбогенератора; 20 - трансформатор напряжения на нейтрали турбогенератора; 21

5 - турбогенератор; 22 - трансформатор тока; 23 - тиристорное пусковое устройство, На фиг.4 приведена схема подключения описываемого устройства к датчикам информации. :..

0 Устройство состоит из следующих функциональных элементов; сумматора напряжений 1, к выходу которого подключены фильтры частоты 150 Гц 2 и субгармонической частоты (3). Выход фильтра частоты 150

5 Гц (2) подключен ко входу первого реагирующего органа (4), который срабатывает при превышении его уставки напряжением, пропускаемым фильтром (2). Выход фильтра субгармонической частоты (3) подключен ко

0 входу второго реагирующего органа (5), срабатывающего при превышении его уставки срабатывания напряжением субгармонической частоты с выхода (3).

Выход первого реагирующего органа (4)

5 подключен ко входу элемента НЕ (6), а выход второго реагирующего органа (5) подключен к первому входу элемента И-НЕ (7). Выходы элементов НЕ (6) и И-НЕ (7) подключены ко входам элемента И (8). Второй вход элемен0 та И-НЕ (7) подключен к выходу органа частоты (9). Выход органа сравнения частот (10) подключён к первому входу схемы ИЛИ (11), второй вход которой подключен к выходу органа минимального напряжения (12), сра5 батывающего при снижении его входного напряжения ниже уставки срабатывания. Выход схемы ИЛИ (11) подключен к первому входу двухканального коммутатора (13), ко второму входу которого подключен выход элемента И (8), Вход управления двухканальным коммутатором (13) подключен к выходу органа направления мощности (14), а выход двухканального коммутатора (13) подключен к первому входу второго элемента И (15). Ко второму входу элемента И (15) подключен выход органа напряжения (16), срабатывающего при превышении его ус- тавки срабатывания входным напряжением, которое подается с выхода трехфазного выпрямителя (17). Выход элемента И (15) подключен к выходному органу (18) устройства.

Входы сумматора напряжений (1) подключены к вторичной обмотке, соединенной в разомкнутый треугольник, трансформато- ра напряжения (19) на линейных выводах генератора (на напряжение l/д) и к вторичной обмотке (на напряжение UN( трансформатора напряжения (20) на,нейтрали защищаемого генератора (21). Орган мини- мального напряжения (12) включен на напряжение нейтрали генератора UN. снимаемое с вторичной обмотки трансформатора напряжения (20). Орган частоты (9) включен на линейное напряжение Ул гене- ратора, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора напряжения (19). Орган сравнения частот (10) включен на напряжения Цд, и U/1, снимаемые с трансформатора напряжения (19). Орган направления мощ- ности (14) включен на фазный токЗф генератора (от трансформатора тока (21) и линейное напряжение ил (от трансформатора напряжения (19). Трехфазный выпрямитель (17) включен на фазные напряжения А,В,С, снимаемые со вторичных обмоток трансформатора (19).

Орган частоты (9) срабатывает при превышении его уставки частотой линейного напряжения 1)л. т.е. при f fy. Орган срав- нения частот (10) срабатывает при равенстве частот линейного напряжения (Jn и напряжения нулевой последовательности на выводах генератора U/s (fun иД). Орган направления мощности (14) срабатывает в режиме частотно-тиристорного пуска и возвращается в исходное (нулевое) состояние при переводе тиристорного пускового устройства (23) в инверторный режим, при работе генератора в сети (т.к.меняется направление мощности) и в режиме холостого хода генератора (в последнем случае фазный ток ).

Необходимо также отметить, что орган направления мощности (14) может быть подключен к трансформаторам тока и напряжения со стороны питания ТПУ при наличии последних. Кроме того, вместо органа направления мощности в устройстве может

быть использован датчик полярности напряжения на звене постоянного тока ТПУ (см.фиг.4).

Устройство условно можно разделить на два канала:

- первый включает в себя элементы (1-8) и предназначен для защиты генератора от замыкания на землю обмотки статора в режиме нормального ЧТП на частотах 55 Гц;

- второй канал состоит из элементов (10-12) и защищает генератор при переводе ТПУ в инверторный режим, на холостом ходу генератора в диапазоне частот 0 f 55Гц, а также при работе генератора в сети на частоте Гц.

Элементы (9,13-17) являются общими для устройства и обеспечивают подключение первого и второго канала устройства к выходному органу (18).

Рассмотрим работу устройства в различных режимах.

При нормальном ЧТП питание генератора (21) осуществляется от ТПУ (23). Орган направления мощности (14) срабатывает, также срабатывает орган напряжения (16), и первый канал устройства подключается к выходному органу (18). На выходе органа частоты (9) в диапазоне частот (где Гц - уставка по частоте) - уровень логического нуля, а при f fy - логической единицы.

В режиме нормального ЧТП в диапазоне частот 55 Гц на вторичных обмотках трансформаторов напряжения (19,20) имеются синфазные напряжения нулевой последовательности третьей гармонической выпрямителя (ивз) постоянной частоты 150 Гц и третьей гармонической текущей частоты инвертора (ииз) образующие наложенное напряжение ТПУ, а также находящиеся в противофазе напряжения нулевой последовательности третьей гармонической синхронного генератора ( Угз ) (см.фиг.5). Фильтром (2) выделяется удвоенное сумматором (1) наложенное напряжение частоты 150 Гц, первый реагирующий орган (4) срабатывает, на выходе элемента НЕ (6)-логический нуль, устройство не работает независимо от сигнала на втором входе элемента И (8).

Уставка срабатывания первого реагирующего органа (4) должна быть выбрана большей, чем 2Пгз (по условию срабатывания при замыкании на землю на частоте Гц в режиме ЧТП), что легко осуществимо, т.к. уровень наложенного напряжения ТПУ частоты 150 Гц в среднем на порядок выше, чем игз (сравнить фиг.7 - параллельная работа генератора с другими генераторами и фиг.5).

В зоне биений напряжений нулевой последовательности третьих гармонических выпрямителя (ЦвзУи инвертора (1)из) на частотах близких к 50 Гц (см.фиг,2) срабатывает орган частоты (§) и на один их входов элемента И-НЕ (7) подает сигнал уровня логической единицы. Второй реагирующий орган (5) срабатывает от напряжения субгармонической/частоты (огибающая биений на фиг.2), в результате чего на выходе элемент Й-НЕ (7) (втором входе элемента И (8) появляется сигнал кулевого уровня, который блокирует работу устройства при периодических снижениях напряждёнйя частоты

150Гц. : .. ;.;... :--

В случае возникновения замыкания на землю в любой точке обмотки статора в вы-. шеуказань х режимах наложенное напряжение ТПУ (Овз- ииз) исчезает, и основную роль играют естественные гармоники нулевой последовательности ЗДС генератора (первая Urt и третья Ur (ем.фиг.6). Первый реагирующий орган (4) возвращается в нулевое состояние, на выходе элемента НЕ (6) - уровень логиодской единицы, блокирующий сигнал с выхода (7) отсутствует, устройство срабатывает.

При переводе ТПУ (23) в инверторный режим орган направления/мощности (14) возвращается в исходное состояние (нулевое); {соммутатрр (13) переключается, и защита генератора обеспечивается вторым каналам устройства. .

. : Характерным признаком этого режима является наличие в наложенном напряже- нми нулевой, .последовательности ТПУ только одной составляющей - третьей гармонической инвертора Низ (см.фиг.1}. На входе органа сравнения частот (tO) подаются линейное напряжение Уд с основной частотой йЯ и напряжение Уд 3 гз- Орган сравнения частот при этом не cpa6V тйвает, t.X частоты входных сигналов раз- личньг(тиД .SfHfl)-. Возникновение замыкания в зоне быводое генератора в этом режи- ivie сопровождаетсяг исчезновением нало- женнрй сойтавляющей Уиз и появлением первой гармоники нулевой;поеледователь- ности ЭДС генератора Un- Частить входных сигйавоб органа (10) равны (ИД W. он срабатывает и поврежденный генератор от- ключаетЬйi устройством. ,;. ПрИ:замыканий обмотки cfafopa в Збне нейтрали е инвёрторном режиме работы ТГ1У срабатУбаёт орган минимального напряжения (12), реагирующий на снижение

0

5

0

5

0

.5

0

S

0

5

напряжения на нейтрали генератора UN, и генератор отключается.

Защита генератора в режиме холостого хода, а также при параллельной работе с Другими генераторами осуществляется аналогично описанному выше инверторному режиму работы ТПУ с тем лишь.отличием, что при отсутствии замыкания напряжения ОАИ UN содержат только третью гармоническую генератора Urs (см,фиг.7).

. Примечание: осциллограммы, приведенные на фиг. 1,2,5,7,получены при частот- но тиристорном пуске турбогенератора 200 МВт номинальным напряжением 15,75 кВ. Масштабы по напряжениям: ...72 В/мм;

.,; МиД MUN - МиД + ,385 В/мм.

. Осциллограммы на фиг.6 получены при физическом моделировании ЧТП на генераторе 12 кВт а лаборатории Энергетика

.НПИ/ ;.

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется расширением области применения заявляемого устройства по; сравнению с известным.; .Экономический эффект от внедрения изобретения обеспечивается за счет сокращения ремонтных расходов и недоотпуска электроэнергии потребителям,

формула изобретения Устройство защиты синхронного генератора, с.частотно-тиристорным пуском от

.замыкания на землю обмотки статора, содержащее фильтр третьей гармонической частоты 150 Гц, первый и второй реагирую1- щие органы, от ли чающееся тем, что, с целые обеспечения защиты обмотки статора во всем диапазоне, рабочих частот при различных режимах работы генератора и ти- ристорного пускового устройстйа, входы первого и. второго реагирующих органов со ответственно через фильтр частоты 150 Гц и введенный фильтр субгармойической частоты подключены к выходу введенного сумматора напряжений нулевой последовательности линейных выводов и нейтрали генератора, а выходы реагирующих органов соот/ ветственнб через введенные элементы НЕ и Й-НЕ, последний из которых своим вторым входом соединен с выходом введенного органа частоты линейного напряжения генератора, подключены к входам введенного Первого элемента И, выход которого подключён к первому входу ввеДейного двухка- нёльного коммутатора, бторой вход которого через введенный элемент ИЛИ подключен к выходу введенного органа сравнения частот, линейного напряжения и напряжения нулевой последовательности

на линейных выводах генератора, второй вход элемента ИЛИ подключен к выходу ввё1 денного органа минимального напряжения нейтрали генератора, вход управления двухканальным коммутатором подключен к выходу введенного органа направления мощности, подключенного к клеммам для соединения с фазным током и линейным напряжением генератора, а выход двухка- нального коммутатора подключен к первому входу введенного второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу введенного органа напряжения, соединенного своим входом с выходом введенного

трехфазного выпрямителя, подключенного к клеммам для соединения с фазными выводами генератора, а выход второго элемента И подключен к входу выходного органа устройства.

. .: . .

Использование; устройство предназначено для релейной защиты синхронных генераторов, а также электродвигателей и компенсаторов, имеющих тиристорные пусковые устройства от замыканий на землю как в режиме частотно-тиристорного пуска, так и при работе в сети. Сущность изобретения: обеспечение 100%-ной защиты от замыкания на землю обмотки статора генератора достигается тем, что в устройстве защиты к выходу сумматора напряжений нулевой последовательности на выводах и на нейтрали генератора подключены фильтры третьей гармоники частоты сети (частоты 150 Гц) и субгармонической частоты, к выходам которых соответственно подключены первый и второй реагирующий органы, выход первого реагирующего органа через элемент НЕ подключен к первому входу элемента И, к второму входу которого подключен выход элемента И-НЕ, первый вход которого подключен к выходу второго реагирующего органа. В случае возникновения замыкания на землю в любой точке обмотки статора в вышеуказанных режимах наложенное напряжение исчезает, и основную роль играют естественные гармоники нулевой последовательности ЭДС-генератора. Первый реагирующий орган возвращается в нулевое состояние, на выходе элемента НЕ - уровень логической единицы, блокирую- . щий сигнал с выхода отсутствует, устройство срабатывает. При переводетиристорного нулевого устройства в инверторный режим орган направления мощности возвращается в исходное состояние (нулевое), коммутатор переключается, и защита генератора обеспечивается вторым каналом устройства. При замыкании обмотки статора в зоне нейтрали в инверторком режиме работы срабатывает орган минимального напряжения, реагирующий на снижение напряжения на нейтрали генератора, и генератор отключается. 7 ил. 00 ш-й ю ч N3

Ш

8 С

И

Ј#

23

20

out

)7

На откл. 21

ч F

П

Физ.З

Момент замыкания на землю

У

ЗДО ч/ ллЛкк/-1

Ц

н

оме

ЛЛ ЛЛ/ЧЛЛЛЛ/ / / ллЛ« л - х « /

№

20«С

Фиг