Блоки генератор-трансформатор электрических станций (ТЭС, АЭС) являются основными элементами электрических систем. Поэтому вопросам их релейной защиты уделяется большое внимание [1-3]. Согласно [1] на этих элементах должны предусматриваться основные и резервные защиты, обеспечивающие отключение коротких замыканий в режимах ближнего и дальнего резервирования. В зарубежной практике (США, Франция и др.) для таких объектов, как правило, предусматривается не менее двух комплектов каждого типа защит, выходные реле которых воздействуют на отдельные катушки отключения коммутационных аппаратов, для питания которых предусматривается два независимых источника оперативного тока [2].
     На блочных электростанциях стран СНГ уровень резервирования существенно ниже, хотя также предусматриваются два независимых источника оперативного тока (один на ОРУ - общий и второй в машзале - на 1-2 блока). Однако для питания разных защит одного элемента эта возможность не используется, и, как правило, ограничиваются подачей питания на основные и резервные защиты от разных автоматических выключателей, подключенных к одной аккумуляторной батарее. Как показывает опыт эксплуатации, при таком подходе при выходе из строя одного из источников оперативного тока и возникновении к.з. в питающей системе или системе собственных нужд (с.н.) возможна системная или общестанционная авария с тяжелыми последствиями. Так, например, на одной из ТЭС Украины с блоками 300 МВт при к.з. на двигателе с.н. 6 кВ произошла потеря оперативного постоянного тока. В результате продолжительного к.з. произошло повреждение шести ячеек КРУ с.н. 6 кВ, рабочего трансформатора собственных нужд (ТСН) 20/6 кВ, главного блочного трансформатора с возникновением пожара, были также отключены еще два блока 300 МВт, все линии 110 кВ ТЭС, а также несколько линий прилегающей сети. Подобные аварии периодически происходят и на других электрических станциях. Таким образом, опыт эксплуатации блочных ТЭС и АЭС указывает на необходимость совершенствования принятого подхода к осуществлению релейной защиты энергоблоков с целью предотвращения развития аварий и возможности их перехода в системные, а также для уменьшения объема повреждения оборудования при к.з
     В настоящее время согласно [1] на всех блоках генератор-трансформатор ТЭС и АЭС в качестве основных защит от внутренних повреждений основного оборудования блока установлены дифференциальные защиты генератора, блочного трансформатора и рабочего трансформатора с.н., ошиновки на стороне высшего напряжения ВН, а в качестве резервной – дифференциальная защита блока, охватывающая все указанное оборудование, в том числе и частично рабочий ТСН, если трансформаторы тока (ТТ) на ответвлении к нему не используются для резервной дифференциальной защиты блока. Кроме указанных защит установлены также резервные защиты от внутренних и внешних симметричных и несимметричных к.з. в оборудовании блока и в сети ВН и с.н. 6 кВ [1,3]. Поставим задачу усовершенствования существующих защит блоков таким образом, чтобы при выходе из строя одного из источников оперативного тока и возникновении к.з. на генераторном напряжении, на ошиновке блока ВН и сети ВН или в системе с.н. 6 кВ осуществлялось отключение блока основными или резервными защитами, чтобы предотвратить повреждение его оборудования и развитие аварии.
     Отметим, что в сложившейся практике дифференциальная защита ошиновки ВН и цепи управления выключателя ВН блока, подключаются к аккумуляторной батарее (АБ) на ОРУ (источник оперативного тока ИОТ2), а остальные защиты и цепи управления выключателя между генератором и блочным трансформатором (при его наличии) – к АБ блока (ИОТ1). Управление автоматом гашения поля (АГП) в цепи ротора осуществляется от ИОТ1, но также имеется возможность гашения поля ротора непосредственно от контактов выходных реле защит блока по цепям возбуждения.
     С учетом изложенного авторами разработан способ резервирования защит блока, состоящего из генератора, блочного трансформатора, трансформаторов собственных нужд и секций с.н. 6 кВ. Он предназначен для применения на блоках ТЭС и АЭС, в первичной схеме которых отсутствует или установлен предназначенный для отключения тока к.з. выключатель между генератором и блочным трансформатором. Способ основан на использовании резервной дифференциальной защиты блока повышенной чувствительности (ЧДЗБ). Оперативные цепи этой защиты подключаются к другому независимому источнику оперативного тока по отношению к тому, который используется для питания основных защит блока, например, подключается к аккумуляторной батарее, установленной на ОРУ (ИОТ2). ЧДЗБ позволяет надежно защитить оборудование блока при потере оперативного тока на основных защитах блока, а также при всех возможных распространениях повреждения из-за возникновения к.з.: в системе с.н. 6 кВ, в рабочих трансформаторах системы с.н., трансформаторах возбуждения, в генераторе и блочном трансформаторе. Это достигается за счет того, что цепи переменного тока ЧДЗБ подключаются со стороны высокого напряжения (ВН) блока к встроенным в ввода блочного трансформатора трансформаторам тока и к ТТ, установленным со стороны нулевых выводов генератора. При этом к защите не подключаются ТТ, установленные на генераторном напряжении со стороны ответвлений к трансформаторам собственных нужд. В дифференциальную цепь защиты включается чувствительный токовый орган, выполненный на токовом реле с торможением, например типа ДЗТ-11. Тормозная обмотка этого реле подключается к ТТ со стороны генератора и предотвращает срабатывание реле при внешних к.з. на стороне ВН блока. В основу разработанной защиты ЧДЗБ положен дифференциально-токовый принцип. На рисунках 1 и 2 приведена принципиальная схема ЧДЗБ. Для защиты ЧДЗБ используются отдельные обмотки соответствующих ТТ, а при их отсутствии может быть рассмотрен вопрос использования токовых цепей существующей дифзащиты блока, в которой дополнительно устанавливаемые токовые реле типа ДЗТ, включаются последовательно с реле основной дифференциальной защиты блока (на рис.1 показана пунктиром). Защита ЧДЗБ имеет значительно большую чувствительность, чем основная защита. ЧДЗБ отстроена по времени на ступень селективности от защиты питающих вводов секций 6 кВ с.н. Она действует на отключение выключателей ВН блока Q1, гашение поля генератора и на выходные реле защит блока.
     С учетом изложенного авторами разработан способ резервирования защит блока, состоящего из генератора, блочного трансформатора, трансформаторов собственных нужд и секций с.н. 6 кВ. Он предназначен для применения на блоках ТЭС и АЭС, в первичной схеме которых отсутствует или установлен предназначенный для отключения тока к.з. выключатель между генератором и блочным трансформатором. Способ основан на использовании резервной дифференциальной защиты блока повышенной чувствительности (ЧДЗБ). Оперативные цепи этой защиты подключаются к другому независимому источнику оперативного тока по отношению к тому, который используется для питания основных защит блока, например, подключается к аккумуляторной батарее, установленной на ОРУ (ИОТ2). ЧДЗБ позволяет надежно защитить оборудование блока при потере оперативного тока на основных защитах блока, а также при всех возможных распространениях повреждения из-за возникновения к.з.: в системе с.н. 6 кВ, в рабочих трансформаторах системы с.н., трансформаторах возбуждения, в генераторе и блочном трансформаторе. Это достигается за счет того, что цепи переменного тока ЧДЗБ подключаются со стороны высокого напряжения (ВН) блока к встроенным в ввода блочного трансформатора трансформаторам тока и к ТТ, установленным со стороны нулевых выводов генератора. При этом к защите не подключаются ТТ, установленные на генераторном напряжении со стороны ответвлений к трансформаторам собственных нужд. В дифференциальную цепь защиты включается чувствительный токовый орган, выполненный на токовом реле с торможением, например типа ДЗТ-11. Тормозная обмотка этого реле подключается к ТТ со стороны генератора и предотвращает срабатывание реле при внешних к.з. на стороне ВН блока. В основу разработанной защиты ЧДЗБ положен дифференциально-токовый принцип. На рисунках 1 и 2 приведена принципиальная схема ЧДЗБ. Для защиты ЧДЗБ используются отдельные обмотки соответствующих ТТ, а при их отсутствии может быть рассмотрен вопрос использования токовых цепей существующей дифзащиты блока, в которой дополнительно устанавливаемые токовые реле типа ДЗТ, включаются последовательно с реле основной дифференциальной защиты блока (на рис.1 показана пунктиром). Защита ЧДЗБ имеет значительно большую чувствительность, чем основная защита. ЧДЗБ отстроена по времени на ступень селективности от защиты питающих вводов секций 6 кВ с.н. Она действует на отключение выключателей ВН блока Q1, гашение поля генератора и на выходные реле защит блока.
     Для схем без выключателей в цепи генератора (см. рис. 1,2) при к.з. на генераторном напряжении, в блочном трансформаторе или на его стороне ВН защита ЧДЗБ действует на отключение всего блока и гашение поля генератора без выдержки времени, а при к.з. в системе с.н. 6 кВ – с выдержкой времени порядка 0,7 сек, которая принимается такой же, как у дистанционной защиты или МТЗ на стороне ВН рабочего ТСН. Последнее достигается за счет того, что защита ЧДЗБ содержит два пусковых органа минимального напряжения. Один из них подключен к трансформатору напряжения, установленному со стороны выводов низшего напряжения блочного трансформатора. Уставка срабатывания этого органа принимается равной порядка 0,75UНОМ и выбирается из условия отстройки от напряжения на выводах НН блочного трансформатора при трехфазном к.з. на выводах НН ТСН, с коэффициентом надежности 1,3. При таком подходе обеспечивается надежное срабатывание защиты ЧДЗБ при к.з. на стороне ВН блочного трансформатора. Второй орган минимального напряжения, с целью отстройки от режимов самозапуска двигателей с.н. секций 6 кВ, подключается к трансформаторам напряжения, установленным со стороны выводов каждой из обмоток 6 кВ одного (двух) рабочих ТСН. Уставка реле минимального напряжения этого органа принимается порядка 0,5 UНОМ.
     Для предотвращения срабатывания ЧДЗБ от токов включения блочного трансформатора в качестве выходных в ЧДЗБ применяются промежуточные реле со временем срабатывания порядка 0,06-0,08 с.Ток срабатывания защиты ЧДЗБ (реле KAW1- KAW3) выбирается исходя из величины тока трехфазного к.з. на шинах одной из секций собственных нужд 6 кВ в минимальном режиме системы путем деления последнего на коэффициент чувствительности порядка 1,5. При этом ток срабатывания ЧДЗБ должен на 8-10 % превышать ток срабатывания максимальной токовой защиты или ток, соответствующий срабатыванию дистанционной защиты ВН ТСН. Для выравнивания м.д.с. в плечах защиты токовые реле ЧДЗБ могут быть подключены через повышающие или понижающие автотрансформаторы тока TL1-TL3.
     Для схем блоков с выключателем в цепи генератора в оперативных цепях защиты (рисунок 3) имеют место следующие особенности. Действие защиты ЧДЗБ при к.з. в системе с.н. 6 кВ остается таким же, как указано выше. При к.з. в генераторе или в блочном трансформаторе на его сторонах ВН и НН защита действует без выдержки времени только на отключение выключателя Q и гашение поля G. Если при этом к.з. было в генераторе, то напряжение на выводах НН блочного трансформатора восстанавливается и обеспечивается питание с.н. от рабочих ТСН, а действие защиты ЧДЗБ прекращается. Если к.з. было в блочном трансформаторе, то действием защиты с выдержкой времени порядка 0,25 сек, отстроенной от времени отключения выключателя Q и восстановления напряжения, отключается весь блок.
     Для действующих электрических станций может быть рассмотрен вопрос о подключении токовых цепей разработанной ЧДЗБ к токовым цепям существующих дифференциальных защит блоков (рис.1), которые выполнены с использованием ТТ со стороны нулевых выводов генератора (ТА2) и со стороны ВН блока ТТ, на стороне ВН. Пусковые органы минимального напряжения на реле напряжения KV1-KV6 предотвращают работу защиты при самозапуске двигателей.

     Ниже в качестве примера приведем расчет уставок ЧДЗБ для блока 300 МВт, подключенного к шинам ОРУ-330 кВ с ТТ с коэффициентами трансформации kTA=2000/1 со стороны 330 кВ и kTA=12000/5 со стороны нулевых выводов генератора. Для выравнивания токов в плечах дифференциальной защиты ЧДЗБ устанавливаются со стороны трансформаторов тока на 330 кВ повышающие автотрансформаторы тока типа АТ-31 с коэффициентом трансформации:

     Расчет тока срабатывания ЧДЗБ выполним исходя из минимального значения тока к.з. в сети 6 кВ и обеспечения коэффициента чувствительности защиты по току срабатывания не ниже 1,5, например Кч=1,57. Тогда при минимальном токе трехфазного к.з. на шинах собственных нужд 6 кВ, равном 9,39 кА по данным Донбассэнерго, ток срабатывания защиты при отсутствии торможения составит со стороны 6, 20, 330 кВ:

                              Рисунок 4 – Схема включения токового реле фазы А защиты ЧДЗБ

     Таким образом, в предложенной схеме дифференциальная защита блока выполняется двухступенчатой: с грубой (существующей) и чувствительной (дополнительной) ступенями. При этом грубая ступень защищает генератор G и блочный трансформатор T и не чувствительна к к.з. за трансформатором собственных нужд. Для нее используется источник оперативного тока №1. Чувствительная ступень (ЧДЗБ) защищает те же элементы и рабочий трансформатор с.н. полностью, сборные шины 6кВ и частично кабели, двигатели 6кВ, трансформаторы 6/0,4кВ, трансформатор системы возбуждения. Для нее используется источник оперативного тока №2.

     Применение ЧДЗБ позволяет надежно защитить оборудование блока при отсутствии оперативного тока блока при всех возможных распространениях повреждения из-за возникновения следующих к.з.:

• на стороне 6кВ любой из секций с.н. и его развитии, вызывающем понижение напряжения до уровня уставок пусковых органов минимального напряжения 6 кВ;
• в трансформаторе системы возбуждения и его развитии, вызвавшем понижение напряжения до уровня уставки пускового органа минимального напряжения 20 кВ;
• в генераторе или блочном трансформаторе.

     Защита ЧДЗБ выполнена на трех реле типа ДЗТ-11/3. Выполнен монтаж, проведены наладка и испытания и одного из вариантов защиты ЧДЗБ на блоке 300 МВт. В 1998 году защита ЧДЗБ введена в опытную эксплуатацию. Оперативный ток на защиту подается от аккумуляторной батареи открытого распределительного устройства 330 кВ.

                Выводы

1. Для предотвращения повреждения основного электрооборудования и с.н. мощных блоков ТЭС и АЭС при развитиях аварий необходимо установить резервные защиты блоков генератор-трансформатор, в зону действия которых должны входить также рабочие трансформаторы и сборные шины секций 6 кВ собственных нужд.
2. Предложенный вариант защиты ЧДЗБ, основанный на использовании дифференциальных реле с малым током срабатывания и с блокировкой минимального напряжения, не требует значительных затрат для его реализации в условиях эксплуатации и может быть выполнен персоналом электролабараторий.
3. Предложенная схема защиты ЧДЗБ пригодна для блоков ТЭС и АЭС независимо от наличия выключателя в цепи между генератором и блочным трансформатором.

               Список литературы

1. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1986.
2. Зильберман В.А., Шейнкман А.Г. О выполнении ближнего резервирования на блоках генератор-трансформатор с выключателями в цепи генераторов // Электрические станции. – 1990. - № 2. – С. 57-59.
3. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор-трансформатор. – М.: Энергоиздат, 1982.- 256 с.
4. Реле защиты / В.С. Алексеев, Г.П. Варганов, Б.И. Панфилов, Р.З. Розенблюм .-М.: Энергия, 1976. – 464 с.