100%-ная защита статора генератора от замыканий на землю — схема третьей гармоники и низкочастотной инжекции (ANSI 64S)

Гид о дифференциальной защите статора (87G) и гид о зависимой от напряжения токовой защите (51V) прямо указывают, что повреждение вблизи нейтральной точки обмотки статора выходит за пределы их чувствительности и требует отдельной, специальной функции. Эта статья описывает именно эту функцию: 100%-ную защиту статора от замыканий на землю (ANSI 64S).

Почему у обычных схем есть слепая зона у нейтральной точки

И 87G, и большинство схем защиты от замыканий на землю на основной частоте зависят от измеримого напряжения или тока, создаваемого повреждением. У генератора, работающего в системе с высокоомным заземлением (обычная практика для синхронных генераторов, чтобы ограничить ток при первом замыкании на землю), напряжение на обмотке линейно снижается по мере приближения места повреждения к нейтральной точке. Повреждение, возникающее буквально в самой нейтральной точке, практически не вызывает изменения напряжения и фактически невидимо для схемы, работающей на основной частоте. На практике обычные схемы покрывают примерно последние 90-95% обмотки от выводов, оставляя оставшиеся 5-10% вблизи нейтральной точки незащищёнными — отсюда название «100%-ная защита статора от замыканий на землю» для дополнительной функции, закрывающей этот последний участок.

Схема 1: напряжение третьей гармоники — покрытие во время работы

Вращающийся синхронный генератор естественным образом создаёт небольшую составляющую напряжения третьей гармоники, вызванную несинусоидальным распределением потока в воздушном зазоре. Это напряжение третьей гармоники распределено по обмотке с минимумом у выводов и максимумом у нейтральной точки (или наоборот, в зависимости от конфигурации обмотки) — профиль, прямо противоположный распределению напряжения при замыкании на землю на основной частоте. Два варианта используют это свойство:

• Схема пониженного напряжения третьей гармоники у нейтрали: реле контролирует напряжение третьей гармоники, измеренное между нейтральной точкой и землёй. Повреждение вблизи нейтрали подавляет эту составляющую локально, создавая состояние пониженного напряжения, отличимое от нормальной работы.
• Дифференциальная/относительная схема третьей гармоники: сравнивает напряжение третьей гармоники, измеренное у нейтрали, с измеренным у выводов (или производной от них); соотношение между ними характерно меняется при повреждении вблизи нейтрали, независимо от рабочей нагрузки, которая сама по себе уже вызывает некоторые колебания абсолютного напряжения третьей гармоники.

Оба варианта зависят от достаточно большого, стабильного напряжения третьей гармоники, которое присутствует только когда генератор работает с достаточной скоростью и возбуждением.

Схема 2: низкочастотная инжекция — покрытие в состоянии покоя

Схема третьей гармоники структурно не работает, когда генератор неподвижен или ещё не достиг номинальной скорости — например, во время пуска, остывания или обслуживания с ещё подключённой обмоткой — потому что в этом состоянии напряжение третьей гармоники вообще не создаётся. Для этих режимов работы применяется вторая, дополняющая схема: внешний источник непрерывно инжектирует низкочастотный сигнал (как правило, порядка 15-20 Гц, явно вне частоты сети и её гармоник) через согласующий трансформатор в цепь заземления нейтрали. Этот сигнал непрерывно контролирует сопротивление изоляции обмотки статора относительно земли, независимо от того, вращается машина или нет: падающее сопротивление изоляции или фактическое замыкание на землю характерным образом изменяет измеряемый ток инжекции, и реле обнаруживает это независимо от какого-либо напряжения генератора.

Почему обе схемы нужны вместе для полного покрытия

Ни одна из схем сама по себе не покрывает всю обмотку во всех режимах работы:

Поэтому полный пакет 100%-ной защиты статора от замыканий на землю обычно объединяет обе функции с логикой, определяющей, какая схема в данный момент предоставляет достоверный сигнал защиты — часто привязанной к порогу скорости или напряжения, который определяет переход. Машины, которые часто останавливаются и запускаются (например, гидроаккумулирующие агрегаты или резервные генераторы, проходящие регулярные тестовые циклы), получают наиболее заметную пользу от покрытия низкочастотной инжекцией, поскольку проводят большую долю рабочего времени в состоянии, где схема третьей гармоники слепа.

Практическая значимость

При оценке покрытия защиты синхронного генератора необходимо установить, присутствует ли, помимо 87G (или другой схемы дифференциальной или земляной защиты на основной частоте), отдельная функция 100%-ной защиты статора от замыканий на землю, и покрывает ли она оба режима работы — вращение и покой — вместо установки только схемы третьей гармоники с предположением, что покрытие уже полное. Для машин с частыми циклами пуска/останова функция низкочастотной инжекции — не избыточная опция, а реально используемый уровень защиты.

Частые ошибки

1. Предположение, что одной 87G или схемы третьей гармоники достаточно для 100%-ного покрытия — обе оставляют часть обмотки незащищённой: соответственно у нейтральной точки и в состоянии покоя.
2. Отсутствие функции низкочастотной инжекции на машине, которая регулярно останавливается и запускается — именно такие машины проводят значительную долю времени в состоянии, где схема третьей гармоники не имеет пригодного сигнала.
3. Выбор частоты инжекции без учёта существующих гармоник системы — неудачно выбранная частота инжекции может интерферировать с уже присутствующими на системе гармоническими искажениями или маскироваться ими.
4. Забыть, что трансформатор заземления нейтрали должен обеспечивать вторичный импеданс, необходимый для сигнала инжекции — конструкция заземления, рассчитанная исключительно на ограничение тока повреждения без учёта цепи инжекции, может ослабить сигнал до непригодного уровня.

Связанные материалы

• Дифференциальная защита генератора (87G) — статорный дифференциал
• Зависимая от напряжения токовая защита (51V) генератора
• Защита от замыканий на землю (REF, 64N/87N) — высокоомная
• Резистивное заземление (NGR) — низкоомная/высокоомная нейтраль