Защита от потери возбуждения генератора (ANSI 40) — распознавание утраты возбуждения реле сопротивления со смещённой характеристикой (offset-mho)

Руководство о защите минимального и максимального напряжения (ANSI 27/59) и руководство о защите обратной мощности (ANSI 32) рассматривают защиты генератора, реагирующие соответственно на напряжение на зажимах и на направление активной мощности. Эта статья рассматривает третью защитную функцию, направленную непосредственно на возбуждение: защиту от потери возбуждения (англ. loss of excitation, LOE), обозначаемую кодом ANSI 40.

Что происходит при (частичной) потере возбуждения

Синхронный генератор, работающий параллельно с сетью, отдаёт активную мощность благодаря тому, что ротор вращается синхронно с сетью, в то время как ток возбуждения в обмотке ротора создаёт магнитное поле, необходимое также для выдачи или потребления реактивной мощности. Если возбуждение полностью или частично теряется — из-за неисправности автоматического регулятора напряжения (АРВ), обрыва в цепи возбуждения или короткого замыкания в обмотке возбуждения — то генератор может потерять синхронизм с сетью: ротор начинает "проскальзывать" относительно вращающегося поля, а машина начинает вести себя как асинхронный генератор, потребляющий значительное количество реактивной мощности из сети вместо того, чтобы её отдавать. Это несёт два риска: потребляемый реактивный ток может термически перегрузить обмотку статора, а при цилиндрическом роторе (без явно выраженных полюсов) связанные со скольжением токи, наводимые в роторе и демпферной обмотке, вызывают быстрый, концентрированный нагрев, способный повредить ротор в течение десятков секунд — нескольких минут.

Принцип реле сопротивления со смещённой характеристикой (offset-mho)

Потерю возбуждения нельзя надёжно распознать только по напряжению или току на зажимах: в зависимости от оставшейся нагрузки и мощности сети напряжение на зажимах может первоначально оставаться относительно нормальным, в то время как генератор уже потребляет реактивную мощность. Поэтому защита от потери возбуждения контролирует сопротивление на зажимах (напряжение, делённое на ток, как комплексную величину) с помощью так называемого реле offset-mho: характеристику сопротивления в форме окружности, которая не проходит через начало координат R-X диаграммы, а смещена от него на постоянную величину смещения. Когда генератор теряет возбуждение, измеренное сопротивление на зажимах перемещается в область внутри этой окружности offset-mho, и реле срабатывает. Смещение обычно выводится из переходного реактивного сопротивления по продольной оси генератора (X'd): типичное практическое значение смещения составляет порядка половины X'd, чтобы характеристика была достаточно чувствительна к реальной потере возбуждения, не срабатывая ложно при нормальной работе или при внешнем коротком замыкании.

Согласование с кривой предельных возможностей и ограничителем недовозбуждения

Точное расположение окружности mho представляет собой компромисс. Если окружность настроена так, чтобы охватывать только третий и четвёртый квадранты диаграммы сопротивлений (то есть не проходит через начало координат), реле реагирует только на явную, значительную потерю возбуждения и остаётся нечувствительным к нормальным рабочим точкам. Однако если защита от потери возбуждения должна также согласовываться с кривой предельных возможностей генератора и с ограничителем недовозбуждения (underexcitation limiter, UEL) регулятора возбуждения — который уже до реальной потери возбуждения защищает генератор от слишком глубокого недовозбуждённого режима, — характеристику иногда настраивают так, чтобы она проходила через начало координат. Это повышает чувствительность реле к постепенной потере возбуждения вблизи нормальной рабочей границы, но также увеличивает риск ложного срабатывания при качаниях мощности (power swing) или внешнем сетевом повреждении, и поэтому требует тщательного системного исследования.

Внимание: точное значение смещения, радиус окружности mho и выдержка времени определяются данными генератора (в частности, X'd и кривой предельных возможностей) и системным исследованием конкретной электростанции; данная статья рассматривает принцип, а не готовую таблицу уставок для каждого генератора.

Практическая значимость

При вводе в эксплуатацию генератора, который будет работать параллельно с сетью, важно проверить, что защита от потери возбуждения действительно настроена и испытана, а не оставлена на общей заводской уставке — уставка offset-mho, не согласованная с реальным X'd и кривой предельных возможностей машины, может либо сработать слишком поздно при реальной потере возбуждения, либо ложно сработать при нормальном недовозбуждённом режиме работы.

Типичные ошибки

1. Полагаться только на реле минимального напряжения (27) как на защиту от потери возбуждения — при частичной потере возбуждения напряжение на зажимах может первоначально оставаться достаточно нормальным, чтобы реле 27 не сработало.
2. Не согласовывать уставку offset-mho с реальным X'd генератора — типовая уставка может быть либо слишком нечувствительной, либо, наоборот, слишком чувствительной для конкретной машины.
3. Не согласовывать защиту от потери возбуждения с ограничителем недовозбуждения (UEL) регулятора возбуждения — это может привести к ненужному отключению, пока UEL уже корректировал ситуацию, либо, наоборот, к пропуску реального повреждения.
4. Не учитывать качания мощности при характеристике mho, проходящей через начало координат — без дополнительных мер (например, выдержки времени или дополнительного критерия блокировки) временное качание после внешнего сетевого повреждения может вызвать ложное срабатывание.

Связанные материалы

• Защита минимального и максимального напряжения (ANSI 27/59)
• Защита обратной мощности (ANSI 32)
• Частотная защита (ANSI 81, ROCOF)
• Контроль синхронизации (ANSI 25)