Solució completa de protecció basada en microprocessador per a grans generadors

1. Visió general

A mesura que els sistemes elèctrics evolucionen cap a paràmetres més alts, capacitats més grans i estructures de xarxa més complexes, l'operació segura i estable de les unitats de generació és crucial per la fiabilitat global de la xarxa. Els dispositius tradicionals de protecció per relé s'enfronten a reptes com zones cegues i insuficient sensibilitat en tractar falles internes complexos del generador. Aquesta solució utilitza tecnologia avançada de protecció basada en microprocessadors, integrant informació de diverses fonts i algoritmes intel·ligents per proporcionar un sistema de protecció ràpid, fiable i complet per a grans generadors (per exemple, unitats tèrmiques, nuclears i hidràuliques). L'objectiu és eliminar completament les zones cegues de protecció i assegurar la seguretat dels actius de generació d'energia.

2. Reptes principals

Els grans generadors es troben amb múltiples amenaces de falles internes durant la seva operació, incloent:

• ​Falles de bobinat estator: Curtcircuits entre fases, curtcircuits entre espires i falles a terra. En particular, els curtcircuits entre espires presenten corrents inicials de falla baixes, fent-los difícils de detectar amb la protecció diferencial transversal tradicional degut a les zones cegues inherents.
• ​Falles del circuit rotor: Falles a terra en un punt, falles a terra en dos punts i circuits oberts o curtcircuïts en el circuit d'excitació. Si bé una falla a terra en un sol punt pot permetre la continuïtat de l'operació, la seva progressió a una falla a terra en dos punts pot causar asimetria magnètica i vibracions severes de la unitat.
• ​Condicions d'operació anòmals: Potència inversa, pèrdua d'excitació, sobre-excitació, sobretensió i irregularitats de freqüència. Encara que no són falles instantànies, aquestes condicions poden deteriorar gravement el generador o amenaçar la estabilitat de la xarxa.

3. Solució detallada

La nostra solució de protecció basada en microprocessadors adopta una arquitectura jeràrquica distribuïda. El relé de protecció central integra una plataforma de processament hardware robusta amb algoritmes de protecció madurs, com es detalla a continuació:

3.1 Per a curtcircuits entre espires del estator: Protecció composta multicritèri

Per abordar la insensibilitat de la protecció diferencial transversal tradicional als curtcircuits entre espires de la mateixa fase, aquesta solució utilitza un algoritme de decisió de fusió multicritèri, millorant significativament la fiabilitat i la sensibilitat de detecció.

• ​Principis tècnics:
• Criteri de direcció de potència de seqüència negativa: Monitoritza la corrent i la tensió de seqüència negativa a les bornes del generador per calcular la direcció de la potència de seqüència negativa. Les falles asimètriques internes (per exemple, curtcircuits entre espires) generen una font de seqüència negativa, amb la direcció de la potència fluixant des del generador al sistema, permetent una detecció precisa de falles internes.
• Criteri de variació de la tensió harmònica tercera: Segueix la raó d'amplituds i la diferència de fase entre la tensió harmònica tercera neutral i terminal. Els curtcircuits entre espires interrompen el patró inherent de distribució de la tensió harmònica tercera, al qual aquest criteri és molt sensible.
• Criteri de tensió de desplaçament del punt neutre: Serveix com a reforç auxiliar per millorar la fiabilitat.
• ​Vantatges de rendiment:
• Alta sensibilitat: Capable de detectar curtcircuits entre espires tan petits com el 0,5%.
• Operació ràpida: Temps total d'operació inferior a 20 ms, limitant significativament els danys de la falla.
• Alta fiabilitat: Múltiples criteris interlock o operen en paral·lel per prevenir malfuncionaments i evitar faltes d'operació.
• ​Estudi de cas: Després de la implementació en un generador tèrmic de 500MW, la solució va assolir una sensibilitat del 98% en detectar curtcircuits entre espires, prevenint amb èxit accidents majors de cremat causats per defectes menors d'aïllament.

3.2 Per a protecció contra falles a terra del 100% del estator: Fusió de posició de dues tecnologies

La protecció de tensió zero-seqüència fonamental tradicional presenta zones cegues properes al punt neutre. Aquesta solució combina dues tecnologies madures per aconseguir una cobertura de protecció del 100% des de les bornes fins al punt neutre.

• ​Principis tècnics:
• Zona convencional (85–95%): Utilitza el mètode de raó de tensió harmònica tercera per protegir la major part del bobinat del estator des del punt neutre cap a les bornes.
• Compensació de zona cega (proper al punt neutre, 5–15%): Utilitza la protecció de falles a terra del estator basada en injecció. S'injeta un senyal de tensió de baixa freqüència (20Hz o 12,5Hz) al circuit del rotor, i es monitoritzen els canvis en la corrent d'injecció per calcular amb precisió la resistència d'aïllament i la ubicació de la falla, eliminant completament les zones cegues properes al punt neutre.
• ​Vantatges de rendiment:
• Cobertura del 100%: Sense zones cegues, assegurant la protecció completa del bobinat del estator.
• Localització precisa: Localitza amb precisió les falles a terra per manteniments dirigits.
• ​Estudi de cas: En una central nuclear, la solució va localitzar correctament una falla a terra només a un 3% del punt neutre, amb un error inferior al 1%, permetent manteniments planificats i evitant indisponibilitats no planificades.

3.3 Per a la salut del circuit del rotor: Monitorització dinàmica i avís prèvi

Les falles del circuit del rotor, especialment els díodes rotants oberts, són perillos ocults comuns. Aquesta solució passa de la "protecció post-falla" a l'"avís prèvi de falla" mitjançant la monitorització en temps real.

• ​Principis tècnics:
• Transformadors de corrent de alta freqüència (CTs) o mòduls de monitorització dedicats instal·lats a les rodes de lliscament recullen formes d'ona de corrent d'excitació en temps real.
• Els algoritmes integrats realitzen l'anàlisi harmònica FFT (Transformada Ràpida de Fourier) de la corrent.
• Els díodes rotants oberts causen una distorsió severa de la forma d'ona de corrent d'excitació, augmentant significativament els harmònics característics (per exemple, el quinquè harmònic).
• ​Vantatges de rendiment:
• Avís prèvi: Emet alertes basades en el contingut harmònic que supera els límits (per exemple, el quinquè harmònic superior al 8%), incitant a realitzar comprovacions de manteniment al pont rectificador rotant abans que es produeixin falles.
• Prevenció de l'escalada: Avisos oportuns preven accidentals greus com danys d'aïllament deguts a la pèrdua de corrent d'excitació i el sobrecalentament del rotor.
• Manteniment basat en condicions: Proporciona dades crítiques per a la manutenció predictiva.

4. Resum i valor

Aquesta solució de protecció basada en microprocessadors integra tecnologia avançada de sensorització, algoritmes de processament de senyals i decisió intel·ligent multicritèri per abordar els punts dolorosos tradicionals de la protecció del generador:

• Elimina les zones cegues de protecció, aconseguint una cobertura del 100% per a curtcircuits entre espires del estator i falles a terra.
• Transforma la protecció post-falla en avís prèvi de falla, prevenint eficaçment les falles mitjançant la monitorització dinàmica del rotor.
• Validada per casos reals, la solució ofereix una alta sensibilitat, velocitat i fiabilitat, complint amb els requisits de seguretat de grans i mega generadors (500MW i més).