Защиты генераторов от замыканий на землю выполняются наиболее простым образом на основе контроля значения напряжения нулевой последовательности 3U0, при изолированной нейтрали генератора или тока 3I0 протекающего через трансформатор, заземляющий нейтраль генератора. Замыкания на землю обмотки статора генератора, работающего в режиме изолированной нейтрали опасны, так как даже небольшие по величине ёмкостные токи короткого замыкания повреждают изоляцию и оплавляют активную сталь статора.
Реле напряжения, включенное в цепь разомкнутого треугольника трансформатора напряжения генератора, отключает выключатель с меньшей выдержкой времени, с контролем отсутствия тока короткого замыкания на землю на стороне высокого напряжения блочного трансформатора. В зоне действия защиты остаются обмотка статора генератора, токопроводы до блочного (отпаечного) трансформатора, она действует в пределах своей чувствительности при замыкании и одной фазы на землю. Соответствующей накладкой защита может быть переведена на сигнал, тогда она предназначается для сигнализации замыкания на землю на стороне генераторного напряжения трансформатора блока в режиме с отключенным генератором. Применяют и чувствительный контроль изоляции обмотки статора генератора при помощи вольтметра с двумя шкалами: 100В или 10В, переключение шкалы измерения – кнопкой (тумблером). В эксплуатации значение напряжении 3U0 находится в пределах 2,0 -2,5В.
Защита от замыканий на землю генераторов с использованием электромеханических реле напряжения охватывает порядка 95% обмотки статора, т.е. имеет мертвую зону вблизи нейтрали генератора. В качестве быстродействующей, не имеющей зоны нечувствительности, защиты от замыканий на землю обмотки статора генераторов применяют блок-реле типа ЗЗГ-1. Данная защита содержит два измерительных органа:
Первый – реле напряжения, реагирующее на повышение напряжения нулевой последовательности первой гармоники, включенное в цепь 3U0 разомкнутого треугольника трансформатора напряжения генератора.
Второй – реле с торможением, реагирующее на отношение сопротивлений цени между нейтралью обмотки статора и землей к емкостному сопротивлению цепи генераторного напряжения на частоте третьей гармоники. При этом измерение напряжения нулевой последовательности в нейтрале генератора осуществляется от, специально установленного для этой цели, трансформатора напряжения 3ОM-1/20.
Селективная высокочувствительная защита типа БРЭ 1301-03 относительно новое устройство защиты от однофазных замыканий на землю реагирующее на высшие гармоники токов фаз.
Направленная защита нулевой последовательности генераторов, присоединяемых к сборным шинам. В данном случае напряжение нулевой последовательности практически одинаково при замыкании на землю на выводах генераторах, или в близлежащей сети. Для обеспечения селективности защиты в этом случае возможно принятие таких же решений, как и для защиты объектов сетей с малым током замыкания на землю.
В случае, если суммарная ёмкость внешней, по отношению к рассматриваемому генератору сети, значительно больше ёмкости генератора, то возможно использование только устройств контроля значения тока нулевой последовательности
Когда генератор мощный и его ёмкость по отношению к земле соизмеряется ёмкостью сети, необходимо применение направленной защиты нулевой последовательности.
Защита на основе контроля третьей гармонической составляющей напряжения.
Несинусоидальность индукции в воздушном зазоре электрической машины определяет постоянное присутствие в фазных напряжениях третьей гармонической составляющей U3. Сдвиг на 120° первых гармонических составляющих фазного напряжения приводит к сдвигу на 360° имеющихся в фазных напряжениях составляющих третьей гармоники. Это означает, что составляющие U3 во всех фазных напряжениях статора совпадают по фазе в нормальном режиме и суммируются в результирующем напряжении открытого треугольника. Поэтому для их схем контроля можно использовать любую из схем контроля по цепям напряжения.
При относительно симметричном распределении емкости на землю обмотки статора напряжение U3 распределяется равномерно вдоль обмотки, что приводит к равным и сдвинутым между собой по фазе на 180° напряжениям третьей гармоники 0,5U3 в нейтрали генератора и на его выводах
При замыкании на землю в нейтрали генератора потенциал этой точки становится равным нулю, что приводит к смещению на 0.5U3, всех потенциалов составляющих третьей гармоники вдоль обмотки статора и к увеличению (удвоению) напряжения третьей гармоники на выводах до 1,0 U3. Таким образом, контроль напряжений третьей гармоники на выводах генератора позволяет с высоким коэффициентом чувствительности выявить замыкания на землю близи нейтрали генератора.
Зашиты на основе использования наложенного напряжения Полный охват обмотки статора при замыканиях на землю при использовании напряжений и токов основной частоты, источником которых является сам генератор, практически затруднен, прежде всего потому, что возможны повреждения статора (вблизи нейтрали), при которых сигналы основной частоты не изменяются. Наличие «мертвых зон» возможно и при реагировании на третью гармонику напряжения, создаваемую защищаемым генератором. Принципиально картина меняется, если создать искусственную цепь с внешним заземленным источником, в которую входит статор генератора и которая замыкается при соединении статора с землей через переходное сопротивление. В этом случае, учитывая относительно малое сопротивление обмотки статора, результирующий ток, создаваемый внешним источником, мало зависит от места замыкания обмотки статора на землю, и определяется, прежде всего, параметрами цепи источника сигнала и значением результирующего переходного сопротивления замыкания на землю. Принципиально важным при этом является использование сигнала наложенной частоты, существенно отличающейся от основной частоты, для исключения влияния режима работы генератора на токи и напряжения в искусственной цепи наложенного сигнала.