О классе точности ТТ и ТН для защиты обратной мощности генераторов

Лисицын А. А., Машенков В.М.

В мировой практике широкое применение нашли защиты (реле) обратной мощности (РОМ), предназначенные для контроля отключения турбогенератора от сети при посадке стопорных клапанов турбины с целью предотвращения возникновения режима разгона турбоагрегата при их неплотной посадке и сокращения времени нахождения генератора в двигательном режиме.

Имеется значительное число отечественных разработок РОМ, которые по тем или иным причинам не вышли за рамки опытных образцов и не выпускаются серийно. Тем не менее, в эксплуатацию “проникают” как отечественные, так и зарубежные образцы РОМ. Так, в состав микропроцессорного терминала REM 543 фирмы ABB, микропроцессорных шкафов защит генераторов и блоков генератор-трансформатор ШЭ 1111-1113, выпускаемых НПП “Экра”, г. Чебоксары, входит защита обратной мощности. Закупаются образцы РОМ MWTU 14 фирмы Alstom.

Поэтому актуальными становятся вопросы подключения РОМ к трансформаторам тока (ТТ) и напряжения (ТН) генератора с точки зрения обоснования необходимого класса точности ТТ и ТН.

Современные защиты обратной мощности предназначены для выполнения следующих основных функций.

1. По терминологии ОРГРЭС “чувствительная защита обратной мощности” вводится в работу от действия технологических защит после посадки стопорных клапанов турбины, вспомогательные контакты которых воздействуют на отключение и гашение поля генератора. С целью контроля знака активной мощности в цепь отключения и гашения поля генератора включается контакт реле обратной мощности, замыкающийся при изменении направления активной мощности генератора, когда она начинает поступать из сети в генератор (обратная мощность) при плотном закрытии стопорных клапанов для покрытия механических потерь блока турбина - генератор в режиме синхронного электродвигателя. Тем самым ограничивается продолжительность работы генератора в двигательном режиме, которая по условиям работы турбины не должна превышать 4 мин.
   При неплотном закрытии стопорных клапанов турбины и активной мощности генератора, направленной в сеть, РОМ не должно срабатывать, чем предотвращаются возможный разгон генератора и повреждение турбины. С контролем прекращения подачи пара в турбину производятся и все отключения генератора при оперативных плановых остановах блока [1].
   Значение обратной мощности определяется потерями турбоагрегата в двигательном режиме и по данным многочисленных экспериментов [2, 3] для выбора чувствительности РОМ может быть принята равной 2-3% номинальной активной мощности Рн. Это, в свою очередь, диктует требование к максимальному порогу срабатывания РОМ - 1-2% Рн.
2. По терминологии ОРГРЭС “грубая ступень защиты обратной мощности” предназначена для действия в случае несанкционированной подачи напряжения на стоящий или находящийся в режиме выбега турбогенератор. Она действует с выдержкой времени на отключение ближайшего к генератору выключателя и при необходимости на схему УРОВ. Этим предотвращается возможное повреждение турбогенератора, которое может сопровождаться выбросом водорода и пожаром в машинном зале (Самовичев В. Г., Титовец В. В., доклад на XIV научно-технической конференции “Релейная защита и автоматика энергосистем 2000”, Москва). По данным ОРГРЭС уставки срабатывания этой ступени защиты обратной мощности могут составлять 2,5 - 10% Рн.

Для РОМ, предназначенных для защиты турбоагрегата при переходе генератора в двигательный режим и обладающих высокой чувствительностью к обратной мощности, актуальным является рассмотрение требований к метрологическим характеристикам трансформаторов тока и напряжения генераторов, к которым подключаются входные цепи переменного тока и напряжения РОМ.
Реле обратной мощности работают в широком диапазоне изменения реактивной мощности индуктивного и емкостного квадрантов, что при высокой чувствительности РОМ означает малые углы отклонения от 90-градусного сдвига между током и напряжением генератора, соизмеримые с угловыми погрешностями трансформаторов тока и напряжения генератора. Так, отклонение от 90градусного сдвига при срабатывании фср и диапазон изменения реактивной мощности Q составляют: для РОМ MWTU 14 [4] фср = ± 30' и Q = ± 100% номинальной активной мощности генератора Рн (при пороге чувствительности к обратной активной мощности Рср=1,0%Рн); для РОМ НПП “Экра“ [5] фср = ± 60' и Q =114% Рн (при Рср = 2,0%РН), для РОМ Е734 [6] фср = 56' и Q = 80%РН         индуктивного квадранта (при Рср = 1,3%РН), в емкостном квадранте Q < 20%РН.
При высокой чувствительности РОМ и значительных реактивных мощностях генератора наличие угловых погрешностей ТТ и ТН может приводить либо к ложному срабатыванию РОМ при отсутствии обратной мощности генератора, если угловые погрешности ТТ и ТН приводят к появлению обратной мощности на входе РОМ, достаточной для его срабатывания, либо к отказу РОМ, когда при наличии обратной мощности генератора угловые погрешности ТТ и ТН вызывают уменьшение мощности на входе РОМ до уровня, недостаточного для срабатывания РОМ.
Рассмотрим механизм образования активной мощности того или другого знака на входе РОМ за счет угловых погрешностей ТТ и ТН генератора.
Пусть первичная активная мощность генератора равна нулю. При отсутствии угловых погрешностей ТТ и ТН угол между напряжением и током, подводимыми к РОМ, будет равен 90° при Q > 0 и активная мощность на входе РОМ будет равна нулю.
Для Q, заданной в процентах Рн, суммарная угловая погрешность ТТ и ТН приведет к образованию на входе РОМ активной мощности Р2г

знак которой определяется знаком угловых погрешностей.
В табл. 1 приведены метрологические характеристики ТН и вторичных обмоток ТТ, предназначенных для измерения, на основе данных [7, 8].
По приведенной формуле на основании метрологических характеристик ТТ и ТН (данные табл. 1) для различных значений Q и классов точности ТТ и ТН 0,2, 0,5 и 1,0 рассчитаны значения Р2г (табл. 2).

Коэффициент мощности генератора принят равным 0,85, в этом случае номинальной активной мощности соответствует ток I1, равный 85% I1н.

Таблица 1

При расчете для каждого значения Q (I1) определяется сумма пределов допустимых угловых погрешностей. При этом угловые погрешности ТТ для токов I1, отличных от указанных в табл. 1, находятся методом интерполяции, основываясь на указании [7]: “Погрешности не должны выходить за пределы ломаных линий, состоящих из отрезков, проведенных через точки допустимых погрешностей”.
Для анализа влияния угловых погрешностей ТТ и ТН генератора на правильность работы РОМ используем графические зависимости Р2г = f(Q) для различных сочетаний классов точности ТТ и ТН, полученные на основании данных табл. 2, и графические зависимости Рср = f (Q) для упомянутых типов РОМ в номинальных условиях (по данным техдокументации на эти РОМ).
Для случая образования за счет угловых погрешностей ТТ и ТН на входе РОМ обратной мощности Р2г в индуктивном квадранте эти зависимости изображены на рис. 1. При другом знаке угловых погрешностей эти зависимости соответствуют емкостному квадранту.
Критерием правильной работы РОМ, т.е. отстройки от ложного срабатывания, является выполнение условия Рср > Р2г во всем рабочем диапазоне изменения Q (0 - 100%PH для РОМ MWTU 14 и НПП “Экра”[4, 5] и 0 - 80%PH для РОМ Е734 [6]).
Из приведенных зависимостей видно, что это условие не выполняется для всех РОМ при классе точности ТТ 1,0 и любом классе точности ТН. Для ТТ и ТН класса точности 0,5 это условие не выполняется для РОМ MWTU 14 [4] при Q > 20%PH, для РОМ НПП “Экра” и Е734 [5, 6] Р2г и Рср близки друг другу при Q > 60%PH. Для ТТ и ТН класса точности 0,2 это условие выполняется для всех РОМ во всем рабочем диапазоне изменения Q. Поскольку РОМ MWTU 14 [4] реагирует на активную составляющую тока, а не на активную мощность, характеристика срабатывания при понижении напряжения генератора до допустимого уровня 0,8 U1H смещается на 20% в сторону повышения чувствительности. Как видно из рис. 1, и при этом условие Рср > Р2г выполняется.
Для случая образования за счет угловых погрешностей ТТ и ТН на входе РОМ активной мощности Р2г, направленной в сеть в индуктивном квадранте, зависимости Р2г = f(Q) и Рср = f(Q) изображены на рис. 2. При другом знаке угловых погрешностей эти зависимости соответствуют емкостному квадранту.
Критерием правильной работы РОМ, т.е. срабатывания при наличии на генераторе Робр = = 2 -г 3% Рн, является выполнение условия Робр - Р2г > Рср во всем рабочем диапазоне изменения Q.

Таблица 2

Из приведенных зависимостей видно, что при обратной мощности генератора Ро6р = 2%PH правильная работа всех типов РОМ, в том числе РОМ MWTU 14 [4], и при напряжении генератора, равном 1,2 U1H, во всем рабочем диапазоне изменения Q обеспечивается только для ТТ и ТН генератора класса точности 0,2. При Робр = 3%PH правильная работа всех типов РОМ обеспечивается для ТТ и ТН класса точности 0,5 и выше.

Рис. 1. График зависимости Р2г = f(Q) (сплошные линии) и Рср = f (Q) (пунктирные линии) при образовании на входе РОМ за счет угловых погрешностей ТТ и ТН обратной мощности:
1 - ТТ и ТН класса точности 0,2; 2 - ТТ и ТН класса точности 0,5; 3 - ТТ класса точности 1,0, ТН класса точности 0,2; 4 - ТТ и ТН класса точности 1,0; 5 -РОМ MWTU 14 (U1 = 0,8U1н); 6 - РОМ MWTU 14 (U = U1h); 7 - РОМ ΗПП “Экра”; 8 - РОМ Е734

Рис. 2. График зависимости Р2г = f (Q) (сплошные линии) и Рер = f (Q) (пунктирные линии) при образовании на входе РОМ за счет угловых погрешностей ТТ и ТН активной мощности, направленной в сеть:
1 - ТТ и ТН класса точности 0,2; 2 - ТТ и ТН класса точности 0,5. 3 - ТТ класса точности 1,0, ТН класса точности 0,2; 4 - ТТ и ТН класса точности 1,0; 5 - РОМ MWTU 14 (U1 = 1,2 U1н); 6 - РОМ MWTU 14 (U1 = U1н); 7 - РОМ НПП “Экра”; 8 - РОМ Е734

При этом значение максимальной реактивной мощности для РОМ НПП “Экра” [5] должно быть ограничено величиной 80% Рн (как и в документации на РОМ Е734).
Трансформаторы ТТ и ТН класса точности 0,2 установлены, например, на турбогенераторах Псковской ГРЭС и Северо-Западной ТЭЦ (ТШ 20-0,2/10Р и 3НОЛ-0,2, изготовитель Свердловский завод трансформаторов тока - ОАО СЗТТ).
При отсутствии ТТ и ТН класса точности 0,2 (0,5) исключить влияние угловых погрешностей ТТ и ТН генератора на работу РОМ можно путем принудительного регулирования Q в сторону уменьшения после закрытия стопорных клапанов турбины, воздействуя на систему возбуждения генератора через контакты реле реактивной мощности (РРМ) индуктивного или емкостного квадранта, входящих в этом случае в состав РОМ. Такие реле были разработаны и успешно проходили натурные испытания: РОМ-М (ОРГРЭС), Е730 (ВНИИЭП, г. Санкт-Петербург, по заданию ОРГРЭС).
Главным недостатком этих РОМ, помимо усложнения за счет наличия РРМ, является наличие связи с системой возбуждения генератора, что снижает надежность его работы.

Выводы

1. Правильная работа реле обратной мощности (РОМ) высокой чувствительности, предназначенных для защиты генератора при переходе в двигательный режим, может быть обеспечена только при подключении РОМ к ТТ и ТН генератора класса точности 0,2.

2. Приведенные в документации на РОМ требования к ТТ и ТН генератора, к которым подключается РОМ, а именно, ТТ класса точности 1,0 для реле MWTU 14 [4], ТТ и ТН для защиты НПП “Экра” [5] и даже ТТ и ТН класса точности 0,5 для реле Е734 [6], не исключают возможности неправильной работы РОМ в широком диапазоне изменения реактивной мощности в индуктивном и емкостном квадрантах.

Список литературы

1. Вавин В. Н. Релейная защита блоков турбогенератор - трансформатор. М.: Энергоиздат, 1982.
2. Машенков В. М.Исследование и разработка устройств для определения направления активной мощности. Дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. Л.: ВНИИЭлектромаш, 1971.
3. Батанов В. А. Измерительный прибор малой активной мощности синхронных генераторов. - Электрические станции, 2001,№ 1.
4. Реле обратной мощности MWTU 14. Публикация R6122F. Представительство компании GEC ALSTOM. М., 1997.
5. Защита обратной мощности. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЭКРА. 6561116.013-01 ТО1. Чебоксары, НПП “Экра”, 2001.
6. Реле обратной мощности Е734. Картотека новых приборов. - Приборы и системы управления, 1969, № 5.
7. ГОСТ 7746-89. Трансформаторы тока. Общие технические условия.
8. ГОСТ 1983-89. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия.