Komplet løsning baseret på mikroprocessor til beskyttelse af store generatore

1. Oversigt

Med strømsystemer, der udvikler sig mod højere parametre, større kapaciteter og mere komplekse netstrukturer, er sikker og stabil drift af generatorer afgørende for den samlede nets pålidelighed. Traditionelle relæbeskyttelsesenheder står over for udfordringer som blinde zoner og utilstrækkelig følsomhed, når de håndterer komplekse interne generatorfejl. Denne løsning benytter avanceret mikroprocessorbaseret beskyttelsesteknologi, integrerer information fra flere kilder og intelligente algoritmer for at give et hurtigt, pålideligt og omfattende beskyttelsessystem til store generatorer (fx termiske, nukleare og vandkraftgeneratorer). Målet er at fuldstændig eliminere beskyttelsesblinde zoner og sikre sikkerheden for strømproduktionsaktiver.

2. Kerneproblemer

Store generatorer står over for flere interne fejltrusler under drift, herunder:

• ​Statorvindingfejl: Fase til fase kortslutninger, spole til spole kortslutninger og jordfejl. Spole til spole kortslutninger viser især lav initiel fejlstrøm, hvilket gør dem vanskelige at opdage med traditionel transversal differentialbeskyttelse pga indbyggede blinde zoner.
• ​Rotorcirkuitsfejl: Enkelt-punkt jordfejl, dobbelt-punkt jordfejl og åbne eller kortsluttede opspændingscirkuit. Selvom en enkelt-punkt jordfejl kan tillade fortsat drift, kan dens udvikling til en dobbelt-punkt jordfejl forårsage magnetisk asymmetri og alvorlig enheds vibration.
• ​Anormale driftforhold: Omvendt effekt, tab af opspænding, overopspænding, overfrekvens og frekvensanormaliteter. Selvom disse ikke er øjeblikkelige fejl, kan de alvorligt skade generatoren eller truede nettets stabilitet.

3. Detaljeret Løsning

Vores mikroprocessorbaserede beskyttelsesløsning anvender en hierarkisk fordelt arkitektur. Kernen i beskyttelsesrelæet integrerer en robust hardwarebehandlingsplatform med modne beskyttelsesalgoritmer, som detaljeret nedenunder:

3.1 For spole til spole kortslutninger i stator: Flere-kriterier kombineret beskyttelse

For at imødegå traditionel transversal differentialbeskyttelses manglende følsomhed over for spole til spole kortslutninger i samme fase, anvender denne løsning en flerkriterie fusionsbeslutningsalgoritme, der betydeligt forbedrer detektionspålidelighed og følsomhed.

• ​Tekniske principper:
• Negativ-sekvens effektretningskriterium: Overvåger negativ-sekvens strøm og spænding ved generatorudgangene for at beregne retningen af negativ-sekvens effekt. Interne asymmetriske fejl (fx spole til spole kortslutninger) genererer en negativ-sekvens kilde, med effektretning, der går fra generator til system, hvilket muliggør præcis intern fejlregistrering.
• Tredje harmoniske spændingsvariationkriterium: Følger amplitudforhold og fasen mellem neutral- og terminal-tredje harmoniske spændinger. Spole til spole kortslutninger forstyrrer den indbyggede fordelingsmønster af tredje harmoniske spændinger, hvortil dette kriterium er højst følsomt.
• Neutralpunkt forskydningsvoltageskriterium: Tjener som en hjælpende forbedring for at forhøje pålidelighed.
• ​Ydelsesfordele:
• Høj følsomhed: Kan registrere mindre spole til spole kortslutninger så lav som 0,5%.
• Hurtig handling: Fuld handlings tid under 20 ms, hvilket betydeligt begrænser fejl skader.
• Høj pålidelighed: Flere kriterier låses sammen eller fungerer parallel for at undgå forkert handling og undgå manglende handling.
• ​Sagsstudie: Efter implementering i en 500MW kulbrændsel-generator, opnåede løsningen 98% følsomhed i registrering af spole til spole kortslutninger, og forebyggede succesfuldt store brændulykker forårsaget af mindre isolationsdefekter.

3.2 For 100% stator jordfejlbeskyttelse: To-teknologi fusion placering

Traditionel grundlæggende null-sekvens spændingsbeskyttelse viser blinde zoner nær neutralpunktet. Denne løsning kombinerer to modne teknologier for at opnå 100% beskyttelsesdækning fra terminalerne til neutralpunktet.

• ​Tekniske principper:
• Konventionel zone (85–95%): Bruger tredje harmoniske spændingsforholdsmetode til at beskytte de fleste af statorvindingen fra neutralpunktet mod terminalerne.
• Blindzone kompensation (Nær neutralpunkt, 5–15%): Anvender injektion-baseret stator jordfejlbeskyttelse. Et lavfrekvent (20Hz eller 12,5Hz) spændingssignal bliver injiceret i rotorcirkuitet, og ændringer i injektionstrømmen overvåges for at præcist beregne isolationsmodstand og fejlplacering, der fuldstændigt eliminerer blinde zoner nær neutralpunktet.
• ​Ydelsesfordele:
• 100% dækning: Ingen blinde zoner, der sikrer fuld statorvindingbeskyttelse.
• Precis lokalisation: Præcist fastlægger jordfejlplacering for målrettet vedligeholdelse.
• ​Sagsstudie: På en kernekraftværk, lykkedes løsningen at lokalisere en jordfejl kun 3% fra neutralpunktet, med mindre end 1% fejl, hvilket muliggjorde planlagt vedligeholdelse og undgik uplanlagte nedbrud.

3.3 For rotor cirkuits sundhed: Dynamisk overvågning og tidlig advarsel

Rotorcirkuitsfejl, specielt åbne roterende dioder, er almindelige skjulte farer. Denne løsning skifter fra "efter fejl beskyttelse" til "før fejl advarsel" gennem realtidsovervågning.

• ​Tekniske principper:
• Højfrekvente strømtransformatorer (CT'er) eller dedikerede overvågningsmoduler installeret ved slipringe indsamler reelle tid opspændingsstrøm bølgemønstre.
• Indbyggede algoritmer udfører hurtig Fourier transform (FFT) harmonisk analyse af strømmen.
• Åbne roterende dioder forårsager alvorlig forvrængning af opspændingsstrøm bølgemønster, der betydeligt øger karakteristiske harmoniske (fx femte harmoniske).
• ​Ydelsesfordele:
• Tidlig advarsel: Udsender advarsler baseret på harmonisk indhold, der overstiger grænser (fx femte harmoniske overstiger 8%), der anbefaler vedligeholdelseskontroller af roterende rettiferingsbro før fejl opstår.
• Forebyggelse af eskalering: Tidlige advarsler forhindrer alvorlige ulykker som isoleringsbeskadigelse pga opspændingsstrøm tab og rotor overophedning.
• Tilstandsbaseret vedligeholdelse: Leverer vigtige data for prediktiv vedligeholdelse.

4. Sammenfatning og værdi

Denne mikroprocessorbaserede beskyttelsesløsning integrerer avanceret sensor teknologi, signalbehandlingsalgoritmer og flerkriterie intelligente beslutningsprocesser for at adressere traditionelle smertepunkter i generatorbeskyttelse:

• Eliminerer beskyttelsesblinde zoner, opnår 100% dækning for spole til spole kortslutninger og jordfejl.
• Transformerer efter fejl beskyttelse til før fejl advarsel, effektivt forebygger fejl gennem dynamisk rotorovervågning.
• Valideret af virkelige sagsstudier, leverer løsningen høj følsomhed, hastighed og pålidelighed, der opfylder sikkerheds kravene for store og mega generatorer (500MW og over).