Solution de protection complète à base de microprocesseur pour les grands alternateurs

1. Vue d'ensemble

Avec l'évolution des systèmes électriques vers des paramètres plus élevés, des capacités plus importantes et des structures de réseau plus complexes, le fonctionnement sûr et stable des unités de production est crucial pour la fiabilité globale du réseau. Les dispositifs de protection par relais traditionnels font face à des défis tels que des zones aveugles et une sensibilité insuffisante lorsqu'ils traitent des pannes internes complexes des générateurs. Cette solution utilise une technologie de protection avancée basée sur microprocesseur, intégrant des informations multi-sources et des algorithmes intelligents pour fournir un système de protection rapide, fiable et complet pour les grands générateurs (par exemple, les unités thermiques, nucléaires et hydroélectriques). Elle vise à éliminer complètement les zones aveugles de protection et à assurer la sécurité des actifs de production d'énergie.

2. Défis majeurs

Les grands générateurs sont confrontés à de multiples menaces de pannes internes pendant leur exploitation, notamment :

• ​Pannes des enroulements statoriques : courts-circuits entre phases, courts-circuits intertour et pannes à la terre. Les courts-circuits intertour, en particulier, présentent des courants de panne initiaux faibles, ce qui rend difficile leur détection par la protection différentielle transversale traditionnelle en raison des zones aveugles inhérentes.
• ​Pannes du circuit rotorique : pannes à la terre en un point, pannes à la terre en deux points et ouvertures ou courts-circuits dans le circuit d'excitation. Bien qu'une panne à la terre en un point puisse permettre la poursuite de l'exploitation, son évolution en une panne à la terre en deux points peut causer une asymétrie magnétique et une vibration sévère de l'unité.
• ​Conditions de fonctionnement anormales : puissance inverse, perte d'excitation, sur-excitation, surtension et anomalies de fréquence. Bien que ces conditions ne soient pas des pannes instantanées, elles peuvent endommager gravement le générateur ou menacer la stabilité du réseau.

3. Solution détaillée

Notre solution de protection basée sur microprocesseur adopte une architecture hiérarchisée distribuée. Le relais de protection central intègre une plateforme matérielle robuste avec des algorithmes de protection matures, comme détaillé ci-dessous :

3.1 Pour les courts-circuits intertour du stator : Protection composite multicritères

Pour répondre à l'insensibilité de la protection différentielle transversale traditionnelle aux courts-circuits intertour au sein de la même phase, cette solution utilise un algorithme de décision fusionnant plusieurs critères, améliorant considérablement la fiabilité et la sensibilité de la détection.

• ​Principes techniques:
• Critère de direction de la puissance de séquence négative : surveille le courant et la tension de séquence négative aux bornes du générateur pour calculer la direction de la puissance de séquence négative. Les pannes asymétriques internes (par exemple, les courts-circuits intertour) génèrent une source de séquence négative, avec une direction de puissance allant du générateur vers le système, permettant une détection précise des pannes internes.
• Critère de variation de la tension harmonique tierce : suit le rapport d'amplitude et la différence de phase entre les tensions harmoniques tierces neutres et terminales. Les courts-circuits intertour perturbent le modèle de distribution intrinsèque des tensions harmoniques tierces, à quoi ce critère est très sensible.
• Critère de tension de déplacement du point neutre : sert d'amélioration auxiliaire pour augmenter la fiabilité.
• ​Avantages de performance:
• Haute sensibilité : capable de détecter des courts-circuits intertour mineurs aussi faibles que 0,5%.
• Opération rapide : temps total d'opération inférieur à 20 ms, limitant considérablement les dommages causés par la panne.
• Haute fiabilité : plusieurs critères s'interconnectent ou fonctionnent en parallèle pour prévenir les opérations incorrectes et éviter les manquements à l'opération.
• ​Étude de cas : après sa mise en œuvre sur un générateur thermique de 500 MW, la solution a atteint une sensibilité de 98% dans la détection des courts-circuits intertour, empêchant avec succès des accidents majeurs de brûlure dus à de petits défauts d'isolation.

3.2 Pour la protection contre les pannes à la terre du stator à 100% : Positionnement par fusion de technologies doubles

La protection de tension zéro-sequence fondamentale traditionnelle présente des zones aveugles près du point neutre. Cette solution combine deux technologies matures pour atteindre une couverture de protection de 100% depuis les bornes jusqu'au point neutre.

• ​Principes techniques:
• Zone conventionnelle (85-95%) : utilise la méthode du rapport de tension harmonique tierce pour protéger la majeure partie de l'enroulement statorique du point neutre vers les bornes.
• Compensation de la zone aveugle (près du point neutre, 5-15%) : utilise la protection contre les pannes à la terre du stator par injection. Un signal de tension de basse fréquence (20 Hz ou 12,5 Hz) est injecté dans le circuit rotorique, et les variations du courant d'injection sont surveillées pour calculer précisément la résistance d'isolation et l'emplacement de la panne, éliminant complètement les zones aveugles près du point neutre.
• ​Avantages de performance:
• Couverture de 100% : sans zones aveugles, garantissant une protection complète de l'enroulement statorique.
• Localisation précise : localise précisément les pannes à la terre pour une maintenance ciblée.
• ​Étude de cas : dans une centrale nucléaire, la solution a réussi à localiser une panne à la terre à seulement 3% du point neutre, avec une erreur inférieure à 1%, permettant une maintenance planifiée et évitant des arrêts non planifiés.

3.3 Pour la santé du circuit rotorique : Surveillance dynamique et alerte précoce

Les pannes du circuit rotorique, en particulier les diodes rotatives ouvertes, sont des dangers cachés courants. Cette solution passe de la "protection post-panne" à l'"alerte pré-panne" grâce à la surveillance en temps réel.

• ​Principes techniques:
• Des transformateurs de courant (TC) à haute fréquence ou des modules de surveillance dédiés installés sur les bagues collectrices recueillent les formes d'onde de courant d'excitation en temps réel.
• Des algorithmes intégrés effectuent une analyse harmonique par Transformée de Fourier Rapide (TFR) du courant.
• Les diodes rotatives ouvertes provoquent une distorsion sévère de la forme d'onde du courant d'excitation, augmentant considérablement les harmoniques caractéristiques (par exemple, le cinquième harmonique).
• ​Avantages de performance:
• Alerte précoce : émet des alertes en fonction du contenu harmonique dépassant les seuils (par exemple, le cinquième harmonique dépassant 8%), incitant à vérifier le pont redresseur rotatif avant l'apparition de pannes.
• Prévention de l'escalade : des alertes opportunes empêchent des accidents graves tels que l'endommagement de l'isolation en raison de la perte de courant d'excitation et de la surchauffe du rotor.
• Maintenance basée sur l'état : fournit des données cruciales pour la maintenance prédictive.

4. Résumé et valeur

Cette solution de protection basée sur microprocesseur intègre une technologie de capteurs avancée, des algorithmes de traitement de signaux et une prise de décision intelligente multicritères pour répondre aux points douloureux traditionnels de la protection des générateurs :

• Élimine les zones aveugles de protection, atteignant une couverture de 100% pour les courts-circuits intertour du stator et les pannes à la terre.
• Transforme la protection post-panne en alerte pré-panne, prévenant efficacement les pannes grâce à la surveillance dynamique du rotor.
• Validée par des cas réels, la solution offre une haute sensibilité, rapidité et fiabilité, répondant aux exigences de sécurité des grands et très grands générateurs (500 MW et plus).