Комплексно решение за защита на база микропроцесорна технология за големи генератори

1. Общ преглед

С развитието на електроенергийните системи към по-високи параметри, по-голяма капацитет и по-сложни мрежови структури, безопасната и стабилна работа на генериращите агрегати е от ключово значение за общата надеждност на мрежата. Традиционните релейни защитни устройства срещат предизвикателства като слепи зони и недостатъчна чувствителност при справяне със сложни вътрешни генераторни дефекти. Това решение използва напредналата микропроцесорна защитна технология, интегрирайки многобройна информация и интелигентни алгоритми, за да предостави бърза, надеждна и цялостна защитна система за големи генератори (например, термални, ядрени и водни агрегати). Целта му е да елиминира напълно слепите зони на защитата и да гарантира сигурността на активите за производство на електроенергия.

2. Основни предизвикателства

Големите генератори се сблъскват с множество вътрешни угрози от дефекти по време на работа, включително:

• ​Дефекти на статорната обмотка: Междифазни късо-замкнати, междукатушни късо-замкнати и земни дефекти. По-специално, междукатушните късо-замкнати показват ниски първоначални токове на дефект, което прави трудно техното откриване с традиционната трансверсална диференциална защита поради вродените слепи зони.
• ​Дефекти на роторната обмотка: Еднопунктови земни дефекти, двупунктови земни дефекти и отворени или късо-замкнати във възбудителния контур. Въпреки че единичен земен дефект може да позволи продължаване на работата, неговото развитие до двупунктов земен дефекти може да причини магнитна асиметрия и сериозна вибрация на агрегата.
• ​Аномалии при експлоатацията: Обратен мощностен поток, загуба на възбудителния ток, свръхвъзбудване, свръхнапрежение и аномалии на честотата. Въпреки че не са моментни дефекти, тези условия могат сериозно да повредят генератора или да заплашат стабилността на мрежата.

3. Подробно решение

Нашият микропроцесорен защитен модул използва иерархична разпределена архитектура. Основният защитен реле интегрира силна хардуерна платформа за обработка с напреднали защитни алгоритми, както е детайлно описано по-долу:

3.1 За междукатушните късо-замкнати: Композитна защита с много критерии

За да се справи с недостатъчната чувствителност на традиционната трансверсална диференциална защита към междукатушните късо-замкнати в една и съща фаза, това решение използва алгоритъм за фузионно решение с много критерии, което значително подобрява надеждността и чувствителността на откриването.

• ​Технически принципи:
• Критерий на насочеността на отрицателно-секвенциалната мощност: Мониторира отрицателно-секвенциалния ток и напрежение на генераторните крайни точки, за да изчисли насочеността на отрицателно-секвенциалната мощност. Вътрешните асиметрични дефекти (например, междукатушни късо-замкнати) генерират отрицателно-секвенциален източник, с мощността, която протича от генератора към системата, позволявайки точното откриване на вътрешните дефекти.
• Критерий на вариацията на третата гармоника на напрежението: Следи отношението на амплитудите и фазовата разлика между нейтралната и крайната трета гармоника на напрежението. Междукатушните късо-замкнати разрушават вродената разпределителна картина на третата гармоника на напрежението, към която този критерий е много чувствителен.
• Критерий на разместването на напрежението на нейтралната точка: Функционира като допълнително подобрение, за да се увеличи надеждността.
• ​Преимущества по производителност:
• Висока чувствителност: Способен да открива междукатушни късо-замкнати до 0.5%.
• Бързо действие: Пълно време на действие под 20 ms, което значително ограничава повредата от дефекта.
• Висока надеждност: Много критерии работят взаимно или паралелно, за да се предотврати неправилно действие и да се избегне невъзможност за действие.
• ​Илюстративен случай: След имплементацията в 500MW въгленосгорящ генератор, решението постигна 98% чувствителност при откриването на междукатушни късо-замкнати, успешно предотвратявайки сериозни аварии, причинени от малки изолационни дефекти.

3.2 За 100% защита от земен дефект на статора: Фузионно позициониране с две технологии

Традиционната основна нулева секвенциална защита на напрежението показва слепи зони близо до нейтралната точка. Това решение комбинира две напреднали технологии, за да постигне 100% покритие на защитата от крайните точки до нейтралната точка.

• ​Технически принципи:
• Традиционна зона (85–95%): Използва метода на отношението на третата гармоника на напрежението, за да защити повечето от статорната обмотка от нейтралната точка към крайните точки.
• Компенсация на слепата зона (близо до нейтралната точка, 5–15%): Използва инжекционна защита от земен дефект на статора. Ниско-честотен (20Hz или 12.5Hz) сигнал на напрежение се инжектира в роторния контур, а промените в инжекционния ток се мониторират, за да се изчисли точно изолационното съпротивление и местоположението на дефекта, напълно елиминирайки слепите зони близо до нейтралната точка.
• ​Преимущества по производителност:
• 100% покритие: Без слепи зони, гарантирайки пълна защита на статорната обмотка.
• Точна локализация: Точно определя местоположението на земния дефект за целенасочено поддръжка.
• ​Илюстративен случай: В ядрена електроцентрала, решението успешно локализира земен дефект само на 3% от нейтралната точка, с грешка под 1%, позволявайки планована поддръжка и избягване на непланувани прекъсвания.

3.3 За здравето на роторния контур: Динамично мониториране и ранно предупреждение

Дефектите в роторния контур, особено отворени ротационни диоди, са чести скрити опасности. Това решение преминава от „защита след дефект“ към „предупреждение преди дефект“ чрез реално-временна наблюдателност.

• ​Технически принципи:
• Високо-честотни токови трансформатори (CTs) или специализирани модули за мониторинг, инсталирани върху плъзгащите се пръстени, събират реално-временни вълнообразни данни на възбудителния ток.
• Вградени алгоритми извършват хармоничен анализ на тока чрез Бързо Фурие Преобразуване (FFT).
• Отворените ротационни диоди причиняват сериозна деформация на възбудителния ток, значително увеличавайки характерните хармоники (например, петата хармоника).
• ​Преимущества по производителност:
• Ранно предупреждение: Издадените предупреждения се основават на надвишаване на праговете на хармоничното съдържание (например, петата хармоника над 8%), насърчавайки проверка на ротационния диоден мост преди възникването на дефект.
• Предотвратяване на усложняване: Времевите предупреждения предотвратяват злонамерени аварии, като повреда на изолацията от загуба на възбудителния ток и прегряване на ротора.
• Поддръжка според състоянието: Предоставя важни данни за предиктивна поддръжка.

4. Обобщение и стойност

Това микропроцесорно защитно решение интегрира напреднала сензорна технология, алгоритми за обработка на сигнали и многокритериално интелигентно вземане на решения, за да се справи с традиционните проблеми в защитата на генераторите:

• Елиминира слепите зони, постигайки 100% покритие за междукатушните късо-замкнати и земните дефекти на статора.
• Преобразува защитата след дефект в предупреждение преди дефект, ефективно предотвратявайки дефектите чрез динамично мониториране на ротора.
• Потвърдено от реални случаи, решението предлага висока чувствителност, бързина и надеждност, отговарящи на безопасността на големи и свръхголеми генератори (500MW и повече).