Разработка системы релейной защиты блока генератор-трансформатор электрической станции

В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) для защиты блоков генератор-трансформатор при мощности генератора более 10 Мвт должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и анормальных режимов:
от замыканий на землю в цепи генераторного напряжения;
от многофазных коротких замыканий в обмотке статора генератора и на его выводах;
от межвитковых коротких замыканий в обмотке статора генератора при наличии двух параллельных ветвей;
от многофазных коротких замыканий в обмотках блочного трансформатора и на его выводах;
от межвитковых коротких замыканий в обмотках блочного трансформатора;
от внешних коротких замыканий;
от перегрузки генератора токами обратной последовательности (при мощности генератора более 30 Мвт);
от симметричной перегрузки генератора и трансформатора;
от перегрузки ротора генератора током возбуждения;
от повышения напряжения (для генераторов мощностью 100 Мвт и более);
от замыканий на землю в одной точке обмотки возбуждения;
от замыканий на землю во второй точке обмотки возбуждения (при мощности генераторов менее 160 Мвт);
от перехода в асинхронный режим при потере возбуждения;
от понижения уровня масла в баке трансформатора;
от повреждения изоляции вводов высокого напряжения блочного трансформатора (при напряжении 500 кВ и выше).
Для защиты от различных видов повреждений и анормальных режимов блоков генератор-трансформатор при мощности генератора 160 - 1000 Мвт должны быть предусмотрены следующие устройства релейной защиты:
продольная дифференциальная защита генератора от многофазных коротких замыканий в обмотке статора и на его выводах;
поперечная дифференциальная защита генератора от межвитковых коротких замыканий в обмотке статора при наличии двух параллельных ветвей;
от перехода в асинхронный режим при потере возбуждения;
дифференциальная защита блочного трансформатора от всех видов коротких замыканий;
дифференциальная защита ошиновки напряжением 330 - 750 кВ;
защита от внешних симметричных коротких замыканий;
защита от несимметричных коротких замыканий с интегральной зависимой характеристикой выдержки времени срабатывания;
защита от повышения напряжения;
защита от внешних однофазных коротких замыканий с большим током замыкания;
защита от перегрузки обмотки статора;
защита от перегрузки ротора генератора током возбуждения с интегральной зависимой характеристикой выдержки времени срабатывания;
газовая защита блочного трансформатора;
защита от замыканий на землю в одной точке обмотки возбуждения;
защита от замыканий на землю в цепи генераторного напряжения;
защита от повреждения изоляции вводов высокого напряжения блочного трансформатора (при напряжении 500 кВ и выше). 
Расчет уставок срабатывания и разработка схемы подключения выбранных устройств релейной защиты блока генератор-трансформатор
Исходные данные для расчета:
Трансформатор ЭБ 2 * ТЦ- 1250 000/347:
Генератор энергоблока ТВВ-800-2:
S_"ном" =1250" " МВ⋅А Р_ном=800" " МВт 〖х^'〗_d=0,313 о.е.
U_"ВН" =347" " кВ Cosϕ_"ном" =0,9 〖х^'〗_d=0,313о.е.
U_"НН" =24,0" " кВ U_"ном" =24,0" " кВ х_d=2,333о.е.
u_"к" %=10,5 I_"ном" =21400" " А

Трансформатор СН ТРДНС 63000/35: Мощность энергосистемы 330 кВ:
Sном=63000 МВ·А;
Sкзmax=34000 МВ·А;
U_("\В\Н" "\н\о\м" )="2\4",0 "\к\В" ; Sкзmin=14000 МВ·А.
U_"\Н\Н" =6,3-6,3 "\к\В" ;
"\Р\П\Н" ±8х1,5"\%" ;
Uвнmin=21,12 кВ; uк%=12,43;
U_("\В\Н" "\с\р" )="2\4",0 "\к\В",u_к "\%"="\1\2",7;
Uвнmax=26,88 кВ; uк%=13,18;.
 
Расчёт параметров схемы замещения
Принимаем за базисное напряжениеноминальное напряжение на сборных шинах электрической станции:
U_б=347кВ
Индуктивная составляющая сопротивления сети в максимальном режиме, приведённая к стороне высшего напряжения:
х_(с.max)=(U_ВН^2)/(S_(КЗ" " mа"х" )^((3)) ) (1)
где: , мощность КЗ в максимальном режиме:
х_(с.max)=(347" " 000^2)/(34" " 000⋅10^6 )=3,541" " Ом
Индуктивная составляющая сопротивления сети в минимальном режиме, приведённая к стороне высшего напряжения:
(2)
где: мощность КЗ в минимальном режиме:
х_(с.min)=(347" " 000^2)/(14" " 000⋅10^6 )=8,601" " Ом
Значение индуктивной составляющей сопротивления трансформатора энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:
(3)
напряжение КЗ трансформатора энергоблока, мощность трансформатора энергоблока так как он состоит из 2 параллельных трансформаторов, то сопротивление эквивалентное блочного трансформатора будет в 2 раза меньше
х_GT=10,5/100⋅(347" " 000^2)/(2⋅1250⋅10^6 )=5,06" " Ом
Значение индуктивной составляющей сопротивления трансформатора собственных нужд энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:
(4)
S_тснмощность трансформатора собственных нужд
х_ТСН=12,7/100⋅(347" " 000^2)/(63⋅10^6 )=242,73" " Ом
Значение индуктивной составляющей сопротивления генератора энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:
(5)
сверхпереходная ЭДС генератора, мощность генератора
х_G=0,223⋅(347" " 000^2)/((800⋅10^6)⁄0,9)=30,3" " Ом
Номинальное значение первичного тока на стороне высокого напряжения энергоблока 330 кВ:
(6)
Ι_(ном.ВН)=(1250⋅10^6)/(√3⋅347⋅10^3 )=2080" " А
Номинальное значение первичного тока на стороне низкого напряжения энергоблока 24 кВ:
(7)
Ι_(ном.НН)=(1250⋅10^6)/(√3⋅24⋅10^3 )=30070,0" " А
Номинальное значение первичного тока в ответвлении на трансформатор собственных нужд 24 кВ:
(8)
Ι_(ном.ТСН)=(40⋅10^6)/(√3⋅24⋅10^3 )=962,25" " А
В соответствии с величинами номинальных значений токов трансформатора со сторон ВН, НН и ТСН на стороне ВН используется встроенный трансформатор тока с коэффициентом трансформации КI ВН = 2000/1 А, на стороне НН - трансформатор тока с коэффициентом трансформации КI НН = 28000/5 А, а на стороне ответвления на ТСН - трансформатор тока с коэффициентом трансформации КI ТСН = 2800/5 А.
Вторичный ток в плече защиты на стороне высшего напряжения, соответствующий номинальной мощности защищаемого трансформатора, составляет:
(9)
коэффициент, зависящий от схемы соединения ТТ, коэффициент трансформации ТТ(2000/1)
Ι_(ном." " в." " ВН)=(2080⋅√3)/(2000⁄1)=1,801" " А
Вторичный ток в плече защиты на стороне низшего напряжения, соответствующий номинальной мощности защищаемого трансформатора, составляет:

(10)
коэффициент, зависящий от схемы соединения ТТ, коэффициент трансформации ТТ(28000/5)
Ι_(ном." " в." " НН)=(30070⋅1)/(28000⁄5)=5,37" " А
Вторичный ток в плече защиты в ответвлении на трансформатор собственных нужд, соответствующий номинальной мощности ТСН, составляет:
(11)

Максимальное значение первичного тока, приведённое к стороне ВН энергоблока, проходящего через защищаемый трансформатор при трёхфазном металлическом коротком замыкании на выводах одной из расщеплённых обмоток трансформатора собственных нужд, составляет:
(12)
Ι_(к." " max" ВН" )^((3))=((347" " 000)⁄√3)/(((3.54+5.06)⋅30.3)/(3.54+5.06+30.3)+2⋅242.73)=407,015" " А
Минимальное значение тока двухфазного короткого замыкания на выводах ВН трансформатора при работе энергоблока на холостом ходу составляет:

(13)
Ι_(к.min" " ВН)^((2))=√3/2⋅((347" " 000)⁄√3)/(30.3+5.06)=4070" " А
Минимальное значение тока двухфазного короткого замыкания на выводах НН трансформатора в минимальном режиме работы энергосистемы и при отключённом генераторе составляет:
(14)
Ι_(к.min" " НН)^((2))=√3/2⋅((347" " 000)⁄√3)/(8.601+5.06)=12700" " А
Продольная дифференциальная токовая защита генератора
Защита выполняется на реле с тормозным действием и быстронасыщающимся трансформатором типа ДЗТ-11/5. Реле имеет рабочую обмотку с ответвлением посередине и тормозную обмотку. Тормозную обмотку наиболее целесообразно присоединить к трансформаторам тока со стороны линейных выводов. Наличие торможения позволяет повысить чувствительность защиты за счёт отстройки от внешних коротких замыканий и асинхронного режима. Выбор уставок защиты сводится к определению числа витков тормозной обмотки при принятом числе витков рабочей обмотки. МДС срабатывания реле при отсутствии торможения Fср=100 А. При этом минимальный ток срабатывания реле составляет:
А (15)
При этом для всех типов генераторов первичный ток срабатывания защиты составляет . Число витков рабочей обмотки принимается в зависимости от соотношения токов в плечах защиты в условиях номинального режима. При соотношении токов 1:1 (обмотка статора имеет одну параллельную ветвь) используются 144 витка рабочей обмотки. При соотношении токов 1:2 (обмотка статора имеет две параллельных ветви) используется ответвление в средней части рабочей обмотки, к которому подключается плечо с большим током. Необходимое торможение определяется по условию отстройки защиты от наибольшего тока небаланса при внешнем коротком замыкании или асинхронном ходе генератора:
I_(нб.расч.)=ε⋅k_одн⋅k_апер⋅I_max^((3) )=0,1⋅1⋅1⋅407,015=40.407 А (16)
I_(нб.расч.)=I_нбрасч⋅U_ВН/U_НН =40.407⋅347/24=584.218 А (17)
где: - относительная погрешность трансформаторов тока, принимается равной 0,1;
- коэффициент однотипности, для однотипных трансформаторов принимается равным 0,5, а для разнотипных - 1,0;
- коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока, для реле серии ДЗТ с насыщающимся трансформатором принимается равным 1,0;
- периодическая составляющая тока короткого замыкания или наибольшее значение тока асинхронного хода, А.
На блоках с выключателем в цепи генератора ток определяется при коротком замыкании на выводах генератора, а при его отсутствии - при коротком замыкании за трансформатором блока.
Наибольшее значение тока асинхронного хода определяется по выражению:
(18)
I_(асин" " max)=(2⋅347000⁄√3)/(0.23+5.06+3.54)=45380 А

где: - фазное напряжение сети высшего напряжения блока;
- переходный реактанс генератора;
- сопротивление трансформатора;
- сопротивление сети в максимальном режиме.
Переходный реактанс генератора:
х'_d=x'_d (U_б^2)/S_н =0,"\4\5\8"⋅("\2\4" 〖"\0\0\0"〗^2)/("\1\1\1\1"⋅〖"\1\0"〗^6 )=0,"\2\3" "\О\м" (18.1)
Намагничивающая сила рабочей обмотки реле вычисляется по значению тока в рабочей обмотке, равного току небаланса, и числу витков рабочей обмотки насыщающегося трансформатора реле:
(19)
F_р=1,6/(28000⁄5)⋅584.218⋅144=24.036 Ав
где: - число витков рабочей обмотки, 144 или72 витка;
- коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,6;
- коэффициент трансформации трансформатора тока;
- определяется по выражению (1.2) и принимается большим из двух условий (короткое замыкание и асинхронный ход). Для выбора числа витков тормозной обмотки определяется МДС по тормозной характеристике реле серии ДЗТ-11 из условия минимального торможения Fт=410Ав.
Расчётное число витков тормозной обмотки определяется по выражению:
(20)

w_(т.расч.)=F_т/(I_т⁄n_ТА )=410/(656100⁄((28000/5)))=3,5 в
где: , а I_max^3=I_max⋅U_ВН/U_НН =45380⋅347/24=656100 А
Принимается ближайшее большее число витков по справочным данным W_трасч=10
Чувствительность защиты при отсутствии торможения определяется при двухфазном коротком замыкании на выводах генератора и его работе на холостом ходу:
(21)
k_ч=(4070⋅347/24)/((28000/5)⋅3,541)=3,0
где: - полный ток в месте короткого замыкания;
- определяется по формуле (1);
При наличии торможения коэффициент чувствительности определяется соотношением:
(22)
k_ч=6235/110=56,7
(23)

Для нахождения предварительно для случая двухфазного короткого замыкания на выводах генератора определяется рабочая и тормозная МДС:
(24)
F_р=(4070⋅347/24)/((28000/5))⋅144=1513 Ав
где: - число витков рабочей обмотки (144 витка);
(25)
F_т=(4070⋅347/24)/((28000/5))⋅10=105.081 Ав
где: - ток короткого замыкания со стороны системы;
- принятое число витков тормозной обмотки.