Задачи эксплуатации в области электроавтоматики и релейной защиты (1949 год)

Защита.

Изучение опыта эксплуатации показывает, что назрела необходимость в проведении ряда радикальных мероприятий в области релейной защиты. Эти меры диктуются, с одной стороны, неудовлетворительными показателями работы ряда защит, с другой стороны, следует учесть общее повышение технической культуры и широкое внедрение новых методов эксплуатации, так, например, массовое испытание повышенным напряжением электрооборудования, внедрение дугогасящих устройств и др.

Дифференциальная защита трансформаторов и генераторов.

До самого последнего времени не было простой и надежной дифференциальной защиты трансформаторов. Основное затруднение заключалось в отстройке от бросков намагничивающего тока при включениях на холостой ход. Применяемые реле для дифференциальной защиты не удовлетворяли предъявляемым к ним требованиям. Особенно нужно отметить реле HDD фирмы GE, которое является примером весьма дорогого, сложного и плохого решения этого вопроса.
В результате большой работы, проведенной в Советском Союзе, удалось найти простое решение вопроса отстройки дифференциальной защиты трансформаторов от бросков тока намагничивания, применив вспомогательные быстронасыщающиеся трансформаторы тока.
Быстронасыщающиеся трансформаторы тока были впервые предложены еще в 1938 г. В 1945— 1946 гг. проводилась работа по применению этих трансформаторов И. Д. Кутявиным в Томском индустриальном институте, но она не была доведена до конца. В ЦНИЭЛ МЭС в результате большой работы удалось показать и обосновать действительно высокую эффективность применения быстронасыщающихся трансформаторов в дифференциальной защите и не только трансформаторов, но и генераторов. Институт выпустил серию реле с быстронасыщающимся трансформатором и дал метод их расчета.
Возможно применение для защиты трансформаторов реле с тормозными катушками в сочетании с быстронасыщающимися трансформаторами в виде раздельных органов или совмещенными (в случае простого решения). Следует указать, что нет никакой необходимости в выполнении чувствительной, но сложной дифференциальной защиты.
Необходимо также пересмотреть мощность трансформаторов, на которых устанавливается газовая защита. Во всяком случае для трансформатора до 1000 КВА она не должна устанавливаться. Для трансформаторов средней мощности в целом ряде случаев она должна действовать на сигнал, например, на подстанциях, имеющих дежурный персонал.
Дифференциальная продольная и поперечная защита генераторов должка выполняться только при помощи мгновенных токовых реле с быстронасыщающимся трансформатором (без торможения). Реле с тормозными катушками применять не следует, так как установившийся ток небаланса мал. Реле с торможением целесообразно применять только там, где при установившемся коротком замыкании токи небаланса могут быть сравнительно большими, например, на трансформаторах. На генераторах токи небаланса при установившемся режиме короткого замыкания составляют всего лишь несколько миллиампер.
Надо отметить, что не следует усложнять защиту для получения высокой чувствительности. Ток Трогания дифференциальных защит может быть больше номинального и должен лимитироваться лишь надежной работой защиты при коротких замыканиях.
Поперечная дифференциальная защита должна применяться только на генераторах, имеющих выведенные заводом параллельные ветви.

Защита двигателей.

Наблюдаются сравнительно многочисленные отключения асинхронных и синхронных двигателей при понижениях напряжения, вызванных короткими замыканиями е сети, а также отключение асинхронных двигателей при кратковременных перерывах в питании электроэнергии, обусловленных действием АПВ и АВР.
В большинстве случаев эти отключения совершенно излишни и вызваны защитой минимального напряжения с мгновенной или с небольшой выдержкой времени и неправильно настроенной максимальной защитой, установленной на двигателях. Основная ошибка заключается в том, что в одной максимальной защите совмещается защита от коротких замыканий и защита от перегрузки. В результате чего защита с током трогания, близким к номинальному току двигателя, имеет малую выдержку времени. Все это приводит к тому, что короткие замыкания отключаются не мгновенно, а с выдержкой времени. Вследствие того, что скорость двигателей за время короткого замыкания значительно снижается, то и после восстановления напряжения двигатели отключаются защитой от токов самозапуска. Кроме того, двигатели, имеющие мгновенную защиту минимального напряжения или с малой выдержкой времени, отключаются во время короткого замыкания.
Внимательное изучение явлений, происходящих в двигателях при нормальных режимах и неизбежно имеющих место в эксплуатации ненормальных режимов, весьма убедительно показало, что защита минимального напряжения совершенно не нужна для защиты самого двигателя. Ее назначением является отключение неответственных двигателей при коротких замыканиях для обеспечения самозапуска ответственных двигателей. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Во время работы двигатель неизбежно работает в различных ненормальных режимах, от которых его не предохраняет ни одна из существующих защит, в том числе и защита минимального напряжения, а в то же время опыт эксплуатации показывает, что двигатели вполне надежно работают при этих режимах. Перечислим эти режимы.
1. При любом коротком замыкании в сети каждый двигатель посылает к месту короткой замыкания переходной ток, по величине практически равный переходному току при включена двигателя на полное напряжение и выведенной пусковом устройстве.
2. Двигатель при технологической перегрузи может перейти за максимальный момент, и если перегрузка не будет устранена, а такие случаи, безусловно, могут иметь место,—двигатель остановится и будет потреблять полный пусковой ток.
3. Каждый двигатель обязан выдерживай кратковременные перегрузки при работе с моментом, близким к максимальному. Для асинхронных двигателей ток будет при этом равен примерно 70% от тока при неподвижном роторе.
4. Все двигатели в эксплуатации неизбежно подвергаются перегрузке не только по технологическим причинам, что было рассмотрено выше, а также вследствие потребления повышенных токов при восстановлении напряжения после отключения неполного или удаленного короткого замыкания, когда напряжение было несколько больше уставки защиты минимального напряжения.              
5. Синхронный двигатель при выпадении из синхронизма обязан выдерживать токи, протекающие при наличии возбуждения. Эти токи значительно превосходят токи при пуске двигателя на полное напряжение с выведенным пусковые устройством.
Ни в одном из рассмотренных выше примеров защита минимального напряжения не может предотвратить протекания по обмоткам двигателя повышенных токов. Таким образом, следует, что все двигатели, в том числе и асинхронные с фазным ротором и синхронные, обязаны выдерживать пусковые токи при включении на полное напряжение сети с выведенными пусковыми устройствами. Допустимая длительность протекания этих токов определяется не соображениями динамической устойчивости обмоток, а предельно допустимым нагревом.
Каковы же могут быть токи, которых так опасаются сторонники защиты минимального напряжения при самозапусках двигателя и при восстановлении напряжения после отключения короткого замыкания в реальных условиях?
При рассмотрении явлений, происходящих при самозапуске, оказывается, что восстанавливающееся напряжение практически никогда не может быть выше номинального напряжения двигателей. В самом деле, асинхронные двигатели, снизившие скорость за время короткого замыкания, при восстановлении напряжения имеют весьма небольшое значение сопротивления и полому будет иметь место потеря напряжения в сопротивлениях, включенных между источником витания и двигателями, и ток при самозапуске всегда будет меньше, чем пусковой ток при номинальном напряжении.
Не нужно забывать характерную особенность асинхронных двигателей, заключающуюся в том, что уже при небольшом снижении скорости сопротивление их резко падает. Например, при скольжениях порядка 0,1—0,2 сопротивление двигателя почти равно сопротивлению при неподвижном роторе. Вследствие весьма малой величины восстанавливающего напряжения приходится отключать ряд менее ответственных двигателей с тем, чтобы можно было обеспечить самозапуск ответственных двигателей.
Вопросы определения мощности неотключаемых двигателей по условию самозапуска достаточно хорошо разработаны в Советском Союзе как в случае питания их от сети, так и при питании от генераторов. Допустимость самозапуска проверена долголетней эксплуатацией на электростанциях Министерства электростанций. И нужно удивляться тому, что до сих пор многие специалисты считают самозапуск опасным явлением. Теперь есть основания к широкому внедрению самозапуска для ответственных двигателей промышленных предприятий.
Трудно учесть все случаи, которые встречаются в практике. Целесообразно поступить следующим образом. Все двигатели разбить на три группы: группа наиболее ответственных двигателей имеет защиту от перегрузки, действующую на сигнал или с выдержкой времени 10—15—20 сек вторая группа двигателей, менее ответственных, имеет выдержку времени 2—5 сек. или 5—10 сек, в зависимости от характера привода. На неответственных двигателях устанавливается защита минимального напряжения с выдержкой времени около 0,5 сек. Тогда при коротких замыканиях, которые будут отключены быстродействующей защитой, например, отсечкой, все двигатели — ответственные и неответственные — остаются в работе, так как действие отсечки вместе с выключателем составляет около 1,25 сек. Если же будет иметь место отключение короткого замыкания с выдержкой времени, то все неответственные двигатели отключаются защитой минимального напряжения с выдержкой 0,5 сек., а все оставшиеся могут быть обеспечены самозапуском. Таким образом, в зависимости от длительности короткого замыкания будут оставаться в работе или все двигатели или только наиболее ответственные.
Для двигателей первой группы — наиболее ответственных и имеющих обслуживающий квалифицированный персонал, можно ограничиться только защитой от коротких замыканий, отстроенной от пусковых токов. Такая схема принята на многих электростанциях министерства для двигателей собственных нужд электростанции.
Для примера можно привести опыт работы двигателей после реконструкции защиты.
На одной ТЭЦ на циркуляционных насосах были установлены синхронные двигатели на напряжение 3 кВ. После пуска ТЭЦ она два раза останавливалась полностью даже при коротких замыканиях за реактированными фидерами 10 кВ вследствие отключения этих двигателей защитой минимального напряжения. После того как защита минимального напряжения была переведена на сигнал, прекратились отключения двигателей. На той же ТЭЦ была впоследствии выполнена форсировка возбуждения. Испытания, которые были проведены с этими двигателями, показали, что форсировка возбуждения значительно повышает устойчивость их работы.
На одном химическом заводе также имели место массовые отключения двигателей (6—7 в год) при понижениях напряжения, вызванных короткими замыканиями в сети. После того как установили выдержку времени 4 сек. на защите минимального напряжения и ввели устройство форсировки возбуждения, случаи отключения стали единичными — одно, два за несколько лет.
После реконструкции защиты на Кузнецком металлургическом комбинате устойчивость работы двигателей значительно повысилась. К сожалению, реконструкция защиты не была доведена до конца вследствие необоснованных опасений некоторых работников комбината.
Число предприятий, на которых проведена реконструкция защиты двигателей, совершенно недостаточно. Надо добиться того, чтобы все ответственные двигатели как асинхронные, так и синхронные имели бы такую защиту, которая обеспечила бы их надежную работу при коротких замыканиях.

Защиты от замыкания на землю.

В защиту от замыканий на землю следует внести целый ряд изменений. Существующая практика создания искусственного тока замыкания на землю в целом ряде случаев является неправильной.
Массовое внедрение профилактических испытаний изоляции генераторов и другого электрооборудования позволяет ставить вопрос об отказе от защиты от замыкания на землю для генераторов, действующей на отключение, в тех случаях, когда ток замыкания на землю не превышает 5 А. При токах замыкания на землю, превосходящих 5 А, защита от замыкания на землю для генераторов должна работать на отключение. Рекомендуется использовать для защиты емкостные токи при их значениях до 20 - 30 А. При больших токах необходимо устанавливать компенсирующие катушки.
Ток замыкания на землю не должен превосходить 50 А потому, что тогда возможно будет избежать междуфазных замыканий при заземлениях в кабелях. В качестве защиты от замыкания на землю должна применяться только токовая защита при помощи чувствительных реле завода МЭП или ЦНИЭЛ. От установки сложных ваттметровых защит следует отказаться.
Для мощных генераторов, работающих блоком с трансформатором, у которых в ряде случаев емкостной ток превосходит 5 А, следует рассмотреть возможность установки компенсирующих катушек. Это позволит отказаться от защиты от замыкания на землю и в этих случаях.
Имеется перспектива более широкого использования реле ЦНИЭЛ. Оно обладает весьма высокой чувствительностью, которая позволяет осуществить простую защиту от замыкания на землю генераторов, работающих на шины, и фидеров с использованием сравнительно небольших емкостных токов порядка 10 А для генераторов и 2 - 3 А для фидеров. Защита выполняется с помощью специальных трансформаторов, устанавливаемых на каждом кабеле, к вторичным обмоткам которых, соединенным параллельно, подключается реле ЦНИЭЛ.
Чувствительность защиты при применении трансформаторов из обычной стали и с обычным реле получается порядка 10 А, а при применении пермаллоя и реле ЦНИЭЛ от 2 до 3 А.
Разработанное реле без подвижных элементов представляет собой магнитный усилитель с обратной связью, поставленный в релейный режим. Теоретическая возможность использования указанного принципа известна из литературы. Попытка применения указанного принципа к максимальной токовой защите фидеров с приводом КАМ была сделана ранее в ЭНИН АН СССР. Разработка реле в ЭНИН АН СССР начиналась в 1944 г. но, к сожалению, не была доведена до конца. ЦНИЭЛ впервые решила применить указанный принцип к защите генератора от замыканий на землю. Работа увенчалась успехом, и к началу 1948 г. была закончена.
Вопросы защиты от замыкания на землю в сетях 35 кВ и ниже следует рассмотреть несколько подробнее.
В Советском Союзе практически все эти сети работают с изолированной нейтралью. Это дает возможность работать с землей в сети с тем, чтобы можно было найти поврежденный фидер, обеспечить потребителя по возможности резервным питанием или, по крайней мере, подготовить и затем отключить фидер для ремонта.
Опыт эксплуатации показывает, что в сетях, где регулярно и качественно проводятся профилактические испытания и ремонты, работа с землей не сопровождается пробоями на землю в других фазах. Несмотря на явную целесообразность допускать на некоторое время работу с землей многие энергосистемы идут по линии наименьшего сопротивления, устанавливая защиту от замыканий на землю, действующую на отключение. Такая практика является вредной. Поэтому сети с незаземленной нейтралью не должны иметь защиту от замыкания на землю, действующую на отключение. Защита от замыкания на землю может действовать и на отключение только в тех случаях, когда это не вызывает обесточения потребителей.