Разработка системы релейной защиты блока генератор-трансформатор электрической станции и анализ ее технического обслуживания

Разработка системы релейной защиты блока генератор-трансформатор электрической станции и анализ ее технического обслуживания

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра ЭЭС

Курсовой проект

по дисциплине: «Эксплуатация релейной защиты»

«Разработка системы релейной защиты блока генератор-трансформатор электрической станции и анализ её технического обслуживания»

Выполнил: Шапаренко И.М

Проверил: зав. кафедры

Углов А.В.

Севастополь

2005 г.

ЗАДАНИЕ

на выполнения курсового проекта по дисциплине “Эксплуатация релейной защиты”

Тема: Разработка системы релейной защиты блока генератор- трансформатор электрической станции и анализ её технического обслуживания

Исходные данные:

1.       Тип генератора энергоблока ТВВ-800-2

2.       Номинальное напряжение на сборных шинах электрической станции 500 кВ.

3.       Максимальная мощность энергосистемы в режиме короткого замыкания

24 000 MB·A.

4.       Минимальная мощность энергосистемы в режиме короткого замыкания

12000 MB·A.

5.       Тип блочного трансформатора 2 ´ ТЦ-630 000/525.

6.       Тип трансформатора собственных нужд энергоблока ТРДНС-63 000/35.

7.       Номинальное напряжение на секциях нормальной эксплуатации энергоблока 6,3 кВ.

Введение

Основной задачей построения релейной защиты блока генератор-трансформатор электрической станции является обеспечение ее эффективного функционирования по возможности при любых видах повреждений, предотвращение развития повреждений и значительных разрушений защищаемого оборудования, в также предотвращение нарушений устойчивости в энергосистеме.

Для этого устройства релейной защиты должны обладать необходимыми для них свойствами, соответствующими известным основным требованиям: быстродействию, чувствительности, селективности и надёжности.

Для достижения требуемой эффективности функционирования защиты энергоблоков необходимо выполнение следующих условий:

·          основные защиты от внутренних КЗ должны обеспечивать быстрое отключение повреждений любого элемента блока. При этом не должно оставаться ни одного незащищённого (не входящего в зону действия защит) участка первичной схемы. Однако в ряде случаев приходится вынужденно допускать применение защит, неполностью охватывающих защищаемое оборудование (например, при витковых замыканиях);

·          резервные защиты энергоблока также должны охватывать все его элементы и должны обеспечивать ближнее и дальнее резервирование соответственно основных защит блока и защит прилежащей сети (на АЭС ближнее резервирование должно быть быстродействующим);

·          повреждения, не сопровождающиеся КЗ и не отражающиеся на работе энергоблока, также должны по возможности быстро отключаться, если их развитие может привести к значительным разрушениям оборудования;

·          анормальные режимы (например, перегрузки, потеря возбуждения и др.) должны автоматически ликвидироваться защитой, если они недопустимы для оборудования или для энергосистемы. В случаях, когда не требуется немедленная ликвидация анормального режима, допускается только сигнализация о его возникновении;

·          действие устройств релейной защиты должно быть увязано с технологическим;

·          действие устройств релейной защиты должно быть увязано с технологическими защитами и автоматикой энергоблока.

Основные требования к выполнению релейной защиты, обязательные при проектировании и в эксплуатации, устанавливают Правила устройства электроустановок, Правила технической эксплуатации и другие директивные материалы на основе многолетнего опыта научно-исследовательских разработок, производства, проектирования и эксплуатации устройств релейной защиты.

1. Выбор необходимого состава системы релейной защиты блока генератор-трансформатор электрической станции, обеспечивающего полноту его защищенности

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).

2. Расчет уставок срабатывания и разработка схемы подключения выбранных устройств релейной защиты блока генератор-трансформатор

2.1Исходные данные для расчета

Трансформатор ЭБ 2 ´ ТЦ-630000/525: Генератор энергоблока ТВВ-800-2:

; Рном=800 МВт, xd'=0,313 о.е.;

;  , xd"=0,223 о.е.;

;  , x2=0,372 о.е.;

.  Iном=21400 А хd=2,333 о.е.

Трансформатор СН ТРДНС 63000/35: Мощность энергосистемы 500 кВ:

Sном=63000 МВ·А;  Sкзmax=24000 МВ·А;

; Sкзmin=12000 МВ·А.

;

;

Uвнmin=21,12 кВ; uк%=12,43;

;

Uвнmax=26,88 кВ; uк%=13,18;.

2.2  Расчёт параметров схемы замещения

Расчёт параметров схемы замещения и токов короткого замыкания для рассматриваемого примера Индуктивная составляющая сопротивления сети в максимальном режиме, приведённая к стороне высшего напряжения:

 (2.1)

Индуктивная составляющая сопротивления сети в минимальном режиме, приведённая к стороне высшего напряжения:

  (2.2)

Значение индуктивной составляющей сопротивления трансформатора энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:

 (2.3)

Значение индуктивной составляющей сопротивления трансформатора собственных нужд энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:

  (2.4)

Значение индуктивной составляющей сопротивления генератора энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:

 (2.5)

Номинальное значение первичного тока на стороне высокого напряжения энергоблока 330 кВ:

  (2.6)

Номинальное значение первичного тока на стороне низкого напряжения энергоблока 24 кВ:

 (2.7)

Номинальное значение первичного тока в ответвлении на трансформатор собственных нужд 24 кВ:

 (2.8)

Для компенсации фазового сдвига за счёт схемы соединения трансформатора  схема соединения трансформаторов тока на стороне ВН выбирается - “треугольник”, а на стороне НН и в ответвлении на ТСН - “звезда”.

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 = 1000/1 А, на стороне НН - трансформатор тока с коэффициентом трансформации КI НН = 30000/5 А, а на стороне ответвления на ТСН - трансформатор тока с коэффициентом трансформации КI ТСН = 1500/5 А.

Вторичный ток в плече защиты на стороне высшего напряжения, соответствующий номинальной мощности защищаемого трансформатора, составляет:

 (2.9)

Вторичный ток в плече защиты на стороне низшего напряжения, соответствующий номинальной мощности защищаемого трансформатора, составляет:

 (2.10)

Вторичный ток в плече защиты в ответвлении на трансформатор собственных нужд, соответствующий номинальной мощности ТСН, составляет:

 (2.11)

Максимальное значение первичного тока, приведённое к стороне ВН энергоблока, проходящего через защищаемый трансформатор при коротком трехфазном металлическом замыкании на выводах одной из расщеплённых обмоток трансформатора собственных нужд, составляет:

 (2.12)

Так как в цепи генераторного напряжения установлен выключатель нагрузки, то в качестве расчётного принимается короткое трехфазное металлическое замыкание на выводах ВН трансформатора блока. Максимальный первичный ток, проходящий через защищаемый трансформатор в этом режиме и приведённый к стороне ВН блока, составляет:

 (2.13)

Максимальный первичный ток, проходящий через защищаемый трансформатор в этом режиме и приведённый к стороне НН блока, составляет:

 (2.14)

Минимальное значение тока короткого двухфазного замыкания на выводах ВН трансформатора при работе энергоблока на холостом ходе составляет:

 (2.15)

Минимальное значение тока короткого двухфазного замыкания на выводах НН трансформатора в минимальном режиме работы энергосистемы и при отключённом генераторе составляет:

 (2.16)

2.3  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 коротких внешних 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  (3.1)

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 коротком внешнем замыкании или асинхронном ходе генератора:

А (3.2)

где  - относительная погрешность трансформаторов тока, принимается равной 0,1;

 - коэффициент однотипности, для однотипных трансформаторов принимается равным 0,5;

 - 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:

 А       (3.3) 

где:  - фазное напряжение сети высшего напряжения блока;

 - переходный реактанс генератора;

 - сопротивление трансформатора;

 - сопротивление сети в максимальном режиме.

Переходный реактанс генератора:

  (3.4)

Намагничивающая сила рабочей обмотки реле вычисляется по значению тока в рабочей обмотке, равного току небаланса, и числу витков рабочей обмотки насыщающегося трансформатора реле:

   (3.5)

где:  - число витков рабочей обмотки, 144 или72 витка;

 - коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,6;

 - коэффициент трансформации трансформатора тока;

 - определяется по выражению (3.2) 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=130.

Расчётное число витков тормозной обмотки определяется по выражению:

            (3.6)

где:  

Принимается большее ближайшее число витков по справочным данным Wт расч = 24

Чувствительность защиты при отсутствии торможения определяется при двухфазном коротком замыкании на выводах генератора и его работе на холостом ходу:

 (3.7)

где:  - полный ток в месте короткого замыкания;

 - определяется по формуле (3.1);

При наличии торможения коэффициент чувствительности определяется соотношением:

                                 (3.8)

Для нахождения  предварительно для случая двухфазного короткого замыкания на выводах генератора определяется рабочая и тормозная МДС:

                                  (3.9)

где:  - число витков рабочей обмотки (144 витка);

                                              (3.10)

где:  - ток короткого замыкания со стороны системы;

 - принятое число витков тормозной обмотки.

Далее по тормозной характеристике при максимальном торможении определяется точка с координатами  и , которая соединяется с точкой начала координат. Находится  по пересечению прямой с тормозной характеристикой при максимальном торможении (верхняя характеристика) и определяется по (1.7) коэффициент чувствительности.

2.4  Поперечная дифференциальная защита генератора от межвитковых коротких замыканий в обмотке статора

Защита выполняется на токовом реле типа РТ-40/Ф с фильтром высших гармоник и включается на трансформатор тока, установленный в перемычке между двумя нейтралями параллельных ветвей обмотки статора. Реле имеет четыре диапазона уставок от 1,75 до 17,5 А.

При проектировании можно принять А. Как правило,  и значение тока срабатывания защиты определяется при наладке по условию отстройки от токов небаланса при коротком внешнем замыкании. С этой целью измеряется ток небаланса в катушке исполнительного органа в режиме холостого хода генератора при максимальном напряжении и в режиме короткого замыкания при номинальном токе. Измерения выполняют на минимальном диапазоне уставки реле (1,75... 3,5 А).

Первичный ток срабатывания защиты:

 А               (4.1)        

где:  - коэффициент трансформации трансформатора тока поперечной дифференциальной защиты.

2.5  Защита от замыканий на землю в обмотке статора генератора

2.5.1    Общие положения

Защита от замыканий на землю в обмотке статора генератора выполняется действующей по напряжению и содержит два органа: максимальное реле напряжения первой гармоники, защищающее до 90% обмотки статора со стороны линейных выводов, и реле напряжения третьей гармоники с торможением, защищающее до 35% обмотки статора генератора со стороны нулевых выводов.

Расчёт уставок защиты сводится к определению параметров срабатывания указанных органов.

2.5.2    Определение уставки органа максимального напряжения

Уставку органа напряжения  выбирают по условию отстройки от напряжения нулевой последовательности основной частоты при однофазном коротком замыкании на стороне высокого напряжения за трансформатором блока:

                      (5.1)

где:  -утроенное напряжение нулевой последовательности со стороны линейных выводов генератора;

 - коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,3;

 - коэффициент трансформации трансформатора напряжения обмотки, соединённой в разомкнутый треугольник:

  (5.2)

Напряжение нулевой последовательности на выводах генератора:

  (5.3)

где:  - коэффициент, учитывающий режим нейтрали генератора (при заземлённой нейтрали ; при изолированной – );

 - максимальное значение напряжения нулевой последовательности на стороне высокого напряжения трансформатора блока при однофазном коротком замыкании (определяется расчётом);

 - ёмкость между обмотками высокого и низкого напряжения одной фазы трансформатора блока;

 - ёмкость одной фазы обмотки статора генератора на землю;

 - ёмкость одной фазы обмотки низкого напряжения трансформатора блока на землю.

В связи со сложностью определения ёмкостей  и  целесообразно при наладке измерять напряжения на фазных выводах генератора при подаче напряжения от постороннего источника  на разземлённую нейтраль трансформатора блока относительно земли.

Напряжение  на генераторе в реальных условиях будет больше измеренного в  раз (коэффициент  тот же, что и в выражении (5.3)).

В целях предотвращения излишних отключений энергоблоков из-за чрезмерной чувствительности рекомендуется принимать уставку реле напряжения 10 В. В любом случае уставка не должна превышать 15 В.

В защите ЗЗГ-1 с целью отстройки от внешних однофазных коротких замыканий применяется выдержка времени на срабатывание . В защитах более поздней разработки (ЗЗГ-11 и ЗЗГ-12) предусмотрена блокировка защиты по напряжению обратной последовательности и поэтому задержка на срабатывание не требуется.

2.5.3    Определение уставки третьей гармоники

На рабочую цепь подаётся сумма напряжений третьей гармоники со стороны нейтрали  и линейных выводов , а на тормозную цепь - напряжение третьей гармоники со стороны нейтрали .

Отношение  при снижении которого до заданного уровня срабатывания органа третьей гармоники, представляет собой сопротивление обмотки статора со стороны нейтрали на землю, отнесённое к удвоенному ёмкостному сопротивлению генератора:

                          (5.4)        

Срабатывание органа третьей гармоники определяется уставкой коэффициента торможения, равного отношению напряжения рабочей цепи к напряжению тормозной цепи:

         (5.5)         

где  - коэффициент отстройки;

 - относительное сопротивление срабатывания.

Уставку  выбирают по условию надёжного действия () органа торможения третьей гармоники в конце зоны, охватываемой органом первой гармоники.

При оптимальной уставке реле  напряжение в конце зоны его надёжного действия с  составит . При этом орган напряжения нулевой последовательности охватывает 0,7 числа витков со стороны линейных выводов. Следовательно, зона надёжного действия органа третьей гармоники со стороны нейтрали должна быть .

В случае металлического замыкания в конце этой зоны:

  (5.6)

где:  - ЭДС третьей гармоники генератора.

Принимая  и подставляя его вместо  в выражение (5.5), получаем:

 или:  (5.7)

Такую подстановку следует принимать для всех турбогенераторов независимо от уставки органа напряжения первой гармоники.

Зону действия органа третьей гармоники при металлическом замыкании со стороны нейтрали определяют по выражению (5.5), принимая .

Если принять , то

 и , то .

Отсюда . При  зона действия органа торможения третьей гармоники со стороны нейтрали () составит: .

При замыкании со стороны линейных выводов ():

 и  (5.8)

При этом зона со стороны линейных выводов будет:

 (5.9)

При , зона действия органа торможения третьей гармоники со стороны линейных выводов составит:

 (5.10)

Наличие зоны действия органа третьей гармоники со стороны линейных выводов генератора резервирует реле напряжения нулевой последовательности.

В защите ЗЗГ-1 отстройка от напряжения основной частоты органа третьей гармоники выполнена в недостаточной степени, поэтому при наладке требуется выполнить проверку отстройки органа третьей гармоники от частоты 50 Гц. При необходимости вводится блокировка по напряжению обратной последовательности. Для защиты ЗЗГ-11 такая проверка не требуется. На блокирующем реле напряжения обратной последовательности рекомендуется уставка .

Реле по производной в защите ЗЗГ-12 не имеет регулируемых уставок и расчётная проверка надёжности его действия не требуется. На короткие однофазные замыкания на стороне высокого напряжения реле по производной не реагирует.

Страницы: 1, 2, 3