Защита от выпадения из синхронизма (ANSI 78) — асинхронный режим генератора

Гид о защите от потери возбуждения генератора (40) рассматривает, что происходит, когда генератор теряет возбуждение. Эта статья рассматривает связанный, но принципиально иной механизм отказа: генератор, который ещё сохраняет возбуждение, но теряет синхронизм с сетью из-за тяжёлого, продолжительного повреждения или слишком медленного восстановления напряжения — это называется выпадением из синхронизма (asynchronous operation, pole slip), обозначаемым кодом ANSI 78.

Что такое выпадение из синхронизма?

Чтобы отдавать мощность в сеть, синхронный генератор должен вращаться с той же электрической угловой скоростью, что и сеть, к которой он подключён — угол ротора относительно сети (угол мощности δ) при этом остаётся в устойчивом диапазоне. При тяжёлом, продолжительном повреждении вблизи генератора, или при недостаточном демпфировании / слишком медленном возврате к равновесию после возмущения, угол мощности может увеличиться настолько, что генератор теряет синхронизм: ротор «проскальзывает» на полный оборот полюса относительно поля сети вместо возврата к новому равновесию. Это вызывает большую механическую ударную нагрузку на вал и муфту, значительные всплески тока и напряжения, а если это остаётся незамеченным — может повлиять на устойчивость большей части сети из-за того, что генератор многократно выходит из фазы.

Отличие от устойчивого качания мощности

Не каждое возмущение угла мощности является выпадением из синхронизма: после повреждения угол ротора может временно отклониться, а затем, с затуханием, вернуться к новому устойчивому равновесию — это называется устойчивым качанием мощности (power swing). Важно, чтобы реле защиты отличало это от настоящего выпадения из синхронизма:

• При устойчивом качании угол мощности возвращается в нормальный диапазон после одного или нескольких колебаний — отключение не требуется, и нежелательное отключение в этом случае само по себе подорвало бы устойчивость вместо того, чтобы защитить её.
• При неустойчивом выпадении из синхронизма угол мощности проходит полный цикл 360° (или кратное ему значение) — генератор должен быть быстро и контролируемо отключён, предпочтительно как можно ближе к моменту прохождения сопротивления через электрический центр системы, чтобы ограничить механический удар и провал напряжения для других потребителей сети.

Распознавание через диаграмму сопротивления R-X

Реле с кодом ANSI 78 обнаруживает выпадение из синхронизма не по току или напряжению по отдельности, а по траектории измеренного сопротивления на диаграмме R-X по мере того, как генератор выходит из фазы с сетью:

• При нормальной работе измеренное сопротивление остаётся в ограниченной области вокруг рабочего сопротивления.
• При выпадении из синхронизма измеренное сопротивление движется по характерной траектории, пересекающей диаграмму от одного квадранта к другому, по мере того как угол мощности δ увеличивается от 0° до 360°.

Реле использует две или более настроенные характеристики (часто линзообразную зону плюс одну или две прямые линии-«шторки» через неё), чтобы определить: если сопротивление пересекает обе шторки в течение определённого времени (что указывает на быструю, неустойчивую траекторию), это распознаётся как выпадение из синхронизма и следует отключение; если сопротивление остаётся внутри линзы, не пересекая обе шторки, это рассматривается как устойчивое качание, и реле не вмешивается.

Внимание: наряду с ANSI 78 (реле, которое действительно отключает при выпадении из синхронизма) на практике также используется ANSI 68 (блокировка при качании мощности) — функция, которая, наоборот, блокирует другие, более быстрые защиты (например, дистанционную защиту 21) во время устойчивого качания мощности, чтобы эти быстрее реагирующие реле не интерпретировали качание как повреждение и не отключались без необходимости.

Практическая значимость

При оценке защиты крупного синхронного генератора (промышленная когенерационная установка, аварийный генератор, работающий параллельно с сетью, или децентрализованная генерирующая установка) важно проверить, присутствует ли защита от выпадения из синхронизма (78) и правильно ли она настроена наряду с обычными функциями, такими как защита от потери возбуждения (40) и защита обратной последовательности (46) — генератор, единожды выпавший из синхронизма без своевременного, контролируемого отключения, подвергается реальному риску механического повреждения вала, даже если электрические величины сами по себе не сразу активируют классическую максимальную токовую или земляную защиту.

Типичные ошибки

1. Путать защиту от выпадения из синхронизма (78) с блокировкой при качании мощности (68) — первая действительно отключает при неустойчивом состоянии, вторая, наоборот, предотвращает ненужное отключение других реле при устойчивом состоянии.
2. Не различать устойчивое качание и настоящее выпадение из синхронизма при настройке характеристик шторки/линзы, что приводит к ненужным отключениям при нормальных, затухающих возмущениях сети.
3. Отключение в произвольный момент во время выпадения из синхронизма вместо как можно более близкого к моменту прохождения через электрический центр — это без необходимости увеличивает механический удар и возмущение напряжения для других потребителей сети.
4. Считать защиту от выпадения из синхронизма излишней для меньшего децентрализованного генератора, тогда как и меньшая машина может получить значительное повреждение вала при незамеченном выпадении из синхронизма, даже если общесетевое воздействие меньше, чем у крупной централизованной установки.

См. также

• Защита от потери возбуждения генератора (40)
• Защита обратной последовательности (46) — фазовый дисбаланс у двигателя/генератора
• Контроль синхронизации (25) — реле синхронизации при параллельном включении
• Защита от обратной мощности (32) — генератор, режим анти-двигателя