Теоретические сведения

Защита от витковых замыканий имеет ограниченное применение вследствие отсутствия простых способов её осуществления.

Только для мощных генераторов, каждая из фаз которых выполнена в виде двух или более параллельных ветвей, выведенных наружу, разработаны относительно простые и надёжные схемы защиты.

В нормальных условиях и при внешних к.з. в параллельных ветвях  и  каждой фазы генератора наводятся одинаковые по величине и фазе э.д.с.  и . Сопротивления параллельных ветвей равны, поэтому токи ветвей  и  в нормальном режиме при внешних к.з. также равны по величине и совпадают по фазе.

Рис.3 Схема и принцип действия поперечной дифференциальной защиты генератора

В случае замыкания части витков  ветви одной фазы в закороченных витках под действием их э.д.с.  возникает большой ток к.з. , циркулирующий по закороченным виткам.

Электродвижущая сила и сопротивление повреждённой ветви (на рис.2 ветвь 2) уменьшается за счёт повредившихся витков  замкнутых накоротко. В результате этого нарушается баланс э.д.с.  и , а также токов  и  в параллельных ветвях повреждённой фазы. Появляется э.д.с. , под действием которой в контуре повреждённой фазы возникает уравнительный ток

,

где  и  – индуктивные сопротивления ветвей  и  (активные сопротивления не учитываются, так как они очень малы);  и  – э.д.с. неповреждённой и повреждённой ветвей.

Чем меньше число замкнувшихся витков  тем меньше будет различие между  и . Следовательно с уменьшением  будет уменьшатся и ток повреждения  из-за уменьшения .

Нарушение равенства токов в параллельных ветвях статора генератора, происходящее при витковых замыканиях, и появление уравнительного тока  используется для выполнения защиты от этого вида повреждения.

Для защиты от витковых замыканий применяется поперечная дифференциальная защита, основанная на сравнении токов двух параллельных ветвей фаз генератора. Такое сравнение можно осуществить с помощью трёхсистемной или односистемной схемы защиты.

Трёхсистемная схема предусматривает сравнение токов ветвей отдельно для каждой фазы. Каждое реле включается на разность токов параллельных ветвей фазы ,  и  соответственно.

Односистемная выполняется с помощью одного дифференциального реле, сравнивающего сумму токов параллельных ветвей  трёх фаз  с такой же сумой токов  другой группы параллельных ветвей .

Односистемная схема получила преимущественное распространение в Украине.

При такой схеме три параллельных ветви  фаз статора ,  и  и три параллельных ветви  тех же фаз (рис.2) соединяются раздельно в две звезды с двумя выведенными наружу нейтралями  и . Эти нейтрали соединяются друг с другом нулевым проводом . В цепи нулевого провода устанавливается трансформатор тока . К его вторичной обмотке через фильтр  подключается токовое реле . Фильтр  пропускает ток основной частоты 50 Гц и запирает ток высших гармоник, в том числе третей гармоники.

Из схемы видно, что ток  в нулевом проводе , питающий реле , равен разности токов нулевой последовательности звезды двух групп параллельных ветвей  и :

,

где  и  – ток нулевой последовательности параллельных ветвей  и .

В нормальном режиме геометрическая сума токов фаз каждой звезды равна нулю, т.е.

 и .

При трехфазных и двухфазных внешних к.з. сума токов к.з в каждой звезде также равна нулю. Токи нагрузки, проходящие при этих повреждениях в ветвях статора, балансируются, так как нейтраль нагрузки не связана нейтралью генераторов и токи нулевой последовательности в нагрузке и генераторе отсутствуют.

Таким образом, в обоих случаях ток в нулевом проводе равен нулю и реле не работает. В действительности ток . В следствии некоторого искажения формы кривой фазных э.д.с. генератора в каждой группе параллельных ветвей возникают гармонические токи, в особенности токи третей гармоники  и . Эти токи совпадают по фазе и суммируются в нулевом проводе , образуя результирующий ток:

.

Вследствие неточного равенства э.д.с. параллельных ветвей  и ,  и ,  и в контуре каждой фазы появляется уравнительный ток основной частоты ,  и . Уравнительный ток и ток третей гармоники замыкаются в контуре параллельных ветвей каждой фазы, протекая по нулевому проводу :

.

Токи третьих гармоник запираются фильтром  и не попадают в реле. Уравнительные токи  имеют частоту 50 Гц и поэтому беспрепятственно проходят в реле, обусловливая появления в нём тока небаланса:

.

Для исключения ложного действия защиты необходимо выполнить условие

.

При замыкании витков в ветви одной из фаз равенство токов в ветвях повреждённой фазы нарушается, возникает уравнительный ток .

Этот ток замыкается по нулевому проводу  и вызывает появление тока в реле:

.

Защита приходит в действие при .

Поскольку величина тока  уменьшается с уменьшением числа замкнувшихся витков , защита имеет мёртвую зону. Она не действует при . Защита реагирует не только витковые замыкания, она может сработать при междуфазных к.з. и при замыканиях между ветвями одной фазы, так как этом обычно нарушается равенство э.д.с. и токов в параллельных ветвях повреждённых фаз. В этом можно убедится, рассмотрев токораспределения в обмотках статора для каждого из указанных напряжений. В обоих случаях защита имеет значительные мёртвые зоны.

Трансформатор  пытающий защиту, выбирается без учёта тока нагрузки, поскольку ток появляется в нём только при повреждениях, но он должен проходить по условиям термической и динамической устойчивости при максимальном значении тока повреждения.

Этим требованиям отвечает трансформатор тока с первичным номинальным током порядка . Исходя из этого, коэффициент трансформатора тока  выбирается по выражению

,

при этом вторичный ток  должен соответствовать шкале установок на дифференциальном реле. В отличии от всех остальных схем дифференциальных защит в данной схеме, погрешность трансформатора тока  не вызывает тока небаланса, поэтому к его точности (характеристикам намагничивания) не предъявляют особых требований.

В связи с образованием двух нейтралей ( и ) у нулевых выводов обмоток статора трансформаторы тока для продольной дифференциальной защиты генератора должны иметь по две первичные обмотки, состоящие из двух изолированных друг от друга пакетов шин первой и второй параллельной ветви фазы статора генератора.

Ток срабатывания защиты должен быть больше чем ток небаланса, появляющегося в реле при внешних к.з.: .

Для выполнения защиты применяются реле РТ-40/Ф, схема которого показана на рис.2, б. Сопротивление обмоток реле и конденсатора  подобраны так, что токи третей гармоники циркулируют по проводу, соединяющему нейтрали  и , замыкаются главным образом через конденсатор; благодаря этому  при частоте 150 Гц получается в 10 раз больше чем при токе с частотой 50 Гц. Ток срабатывания реле регулируется отпайками на трансформаторе  и пружиной на реле в пределах 1,75-8,8 А.

В процессе эксплуатации выяснилось, что поперечная дифференциальная может неправильно работать при двойных замыканиях на землю в обмотке ротора.

Это объясняется тем, что витки параллельных ветвей статора располагаются в разных пазах; при двойном замыкании в роторе магнитное поле ротора становится неравномерным; ветви одной фазы попадают в поле с разной магнитной индукцией, в результате чего равенство э.д.с. ветвей нарушается и в реле дифференциальной защиты появляется ток.

Двойное замыкание на землю иногда бывают неустойчивыми (носят кратковременный характер). Чтобы исключить в этом случае работу поперечной дифференциальной защиты, можно замедлить её действие. Однако при этом защита теряет своё быстродействие, что приводит к увеличению повреждения при витковых замыканиях. Поэтому от замедления отказались, допуская срабатывание защиты при двойных замыканиях на землю в обмотке ротора.

Достоинством рассмотренной защиты от витковых замыканий является её простота и быстродействие, а недостатком – наличие мёртвой зоны и непригодность для защиты генераторов, не имеющих параллельных ветвей.

Выбор уставок

Первичный ток срабатывания защиты из условия отстройки от тока небаланса:

(А).

Вторичный ток срабатывания защиты:

(А).

Принимаем реле типа РТ-40/Ф.