Solución de protección basada en microprocesador para grandes xeradores

1. Vista xeral

Con os sistemas eléctricos evolucionando cara a parámetros máis altos, capacidades maiores e estruturas de rede máis complexas, a operación segura e estable das unidades xeradoras é crítica para a fiabilidade global da rede. Os dispositivos de protección tradicionais atopan desafíos como zonas cegas e insuficiente sensibilidade ao tratar fallos internos complexos nos xeradores. Esta solución aproveita a tecnoloxía avanzada de protección baseada en microprocesadores, integrando información multi-fonte e algoritmos inteligentes para proporcionar un sistema de protección rápido, fiable e comprehensivo para grandes xeradores (por exemplo, térmicos, nucleares e hidroeléctricos). O obxectivo é eliminar completamente as zonas cegas de protección e asegurar a seguridade dos activos de xeración de enerxía.

2. Desafíos centrais

Os grandes xeradores enfrentan múltiples ameazas de fallos internos durante a súa operación, incluíndo:

• ​Fallos nas bobinas do estator: Cortocircuitos entre fases, cortocircuitos interturno e fallos a terra. En particular, os cortocircuitos interturno exhiben correntes iniciais de fallo baixas, facendo que sexan difíciles de detectar coa protección diferencial transversal tradicional debido ás zonas cegas inherentes.
• ​Fallos no circuito do rotor: Fallos a terra dun punto, fallos a terra de dous puntos e cortocircuitos ou apertura no circuito de excitación. Aínda que un fallo a terra dun punto poida permitir a continuación da operación, a súa progresión a un fallo a terra de dous puntos pode causar asimetría magnética e vibración severa na unidade.
• ​Condicións de operación anómalas: Potencia inversa, perda de excitación, sobreexcitación, sobretensión e anomalias de frecuencia. Aínda que non sexan fallos instantáneos, estas condicións poden danar gravemente o xerador ou ameazar a estabilidade da rede.

3. Solución detallada

A nossa solución de protección baseada en microprocesadores adopta unha arquitectura distribuída en niveis. O relé de protección central integra unha plataforma robusta de procesamento de hardware con algoritmos maduros de protección, como se detalla a continuación:

3.1 Para cortocircuitos interturno do estator: Protección composta multicritério

Para abordar a insensibilidade da protección diferencial transversal tradicional aos cortocircuitos interturno na mesma fase, esta solución emprega un algoritmo de decisión de fusión multicritério, mellorando significativamente a fiabilidade e a sensibilidade de detección.

• ​Principios técnicos:
• Criterio de dirección de potencia de secuencia negativa: Monitoriza a corrente e tensión de secuencia negativa nos terminais do xerador para calcular a dirección da potencia de secuencia negativa. Os fallos asimétricos internos (por exemplo, cortocircuitos interturno) xeran unha fonte de secuencia negativa, coa potencia fluyendo do xerador ao sistema, permitindo a detección precisa de fallos internos.
• Criterio de variación de tensión armónica terceira: Rastrea a relación de amplitudes e a diferenza de fase entre as tensións armónicas terceiras neutras e terminales. Os cortocircuitos interturno perturban o patrón de distribución inherente das tensións armónicas terceiras, a cal este criterio é altamente sensible.
• Criterio de tensión de desprazamento do punto neutro: Serve como unha mellora auxiliar para aumentar a fiabilidade.
• ​Vantaxes de rendemento:
• Alta sensibilidade: Capaz de detectar cortocircuitos interturno tan baixos como o 0,5%.
• Operación rápida: Tempo de operación completo inferior a 20 ms, limitando significativamente o dano do fallo.
• Alta fiabilidade: Múltiples criterios interactivos ou en paralelo para evitar a malfunción e o fracaso de operación.
• ​Estudo de caso: Tras a implementación nun xerador térmico de 500 MW, a solución logrou unha sensibilidade do 98% na detección de cortocircuitos interturno, previnindo exitosamente accidentes graves de quema causados por defectos menores de aislamento.

3.2 Para protección de fallos a terra do 100% do estator: Fusión de posición dual-tecnoloxía

A protección de tensión zero-secuencia fundamental tradicional exibe zonas cegas preto do punto neutro. Esta solución combina dúas tecnoloxías maduras para lograr unha cobertura de protección do 100% desde os terminais ata o punto neutro.

• ​Principios técnicos:
• Zona convencional (85-95%): Utiliza o método de razón de tensión armónica terceira para protexer a maior parte do enrolamento do estator desde o punto neutro ata os terminais.
• Compensación de zona cega (preto do punto neutro, 5-15%): Emprega a protección de fallos a terra do estator baseada en inxección. Unha señal de tensión de baixa frecuencia (20 Hz ou 12,5 Hz) é inxectada no circuito do rotor, e monitorizanse os cambios na corrente de inxección para calcular precisamente a resistencia de aislamento e a localización do fallo, eliminando completamente as zonas cegas preto do punto neutro.
• ​Vantaxes de rendemento:
• Cobertura do 100%: Sen zonas cegas, asegurando a protección completa do enrolamento do estator.
• Localización precisa: Localiza precisamente os fallos a terra para manutención dirixida.
• ​Estudo de caso: Nuna central nuclear, a solución localizou correctamente un fallo a terra a só o 3% do punto neutro, con menos do 1% de erro, permitindo a manutención planificada e evitando paradas non programadas.

3.3 Para a saúde do circuito do rotor: Monitorización dinámica e aviso anticipado

Os fallos no circuito do rotor, especialmente diodos rotativos abertos, son peligros ocultos comúns. Esta solución cambia da "protección pos-fallo" a "aviso pre-fallo" mediante a monitorización en tempo real.

• ​Principios técnicos:
• Transformadores de corrente (TC) de alta frecuencia ou módulos de monitorización dedicados instalados nos anéis de deslizamento recollen formas de onda de corrente de excitación en tempo real.
• Os algoritmos incorporados realizan unha análise harmónica de transformada rápida de Fourier (FFT) na corrente.
• Os diodos rotativos abertos causan unha distorsión severa na forma de onda de corrente de excitación, aumentando significativamente as harmónicas características (por exemplo, a quinta harmónica).
• ​Vantaxes de rendemento:
• Aviso anticipado: Emete alertas baseadas no contido harmónico que supera os umbrais (por exemplo, a quinta harmónica supera o 8%), promovendo as comprobacións de manutención no ponte rectificador rotativo antes de que ocorran fallos.
• Prevención de escalada: Os avisos oportunos previenen accidentes graves como o dano de aislamento debido à perda de corrente de excitación e o sobrecalentamento do rotor.
• Manutención basada en condición: Proporciona datos críticos para a manutención predictiva.

4. Resumo e valor

Esta solución de protección baseada en microprocesadores integra tecnoloxía avanzada de sensores, algoritmos de procesamento de sinais e toma de decisións inteligentes multicritério para abordar os puntos débiles tradicionais na protección de xeradores:

• Elimina as zonas cegas de protección, logrando unha cobertura do 100% para cortocircuitos interturno do estator e fallos a terra.
• Transforma a protección pos-fallo en aviso pre-fallo, previniendo eficazmente fallos mediante a monitorización dinámica do rotor.
• Validada por casos reais, a solución ofrece alta sensibilidade, velocidade e fiabilidade, satisfacendo os requisitos de seguridade de xeradores grandes e mega (500 MW e superior).