Solusi Perlindungan Berbasis Mikroprosesor yang Komprehensif untuk Generator Besar

1. Ringkasan

Dengan sistem tenaga listrik yang berkembang menuju parameter yang lebih tinggi, kapasitas yang lebih besar, dan struktur jaringan yang lebih kompleks, operasi aman dan stabil dari unit pembangkit sangat kritis untuk keandalan jaringan secara keseluruhan. Perangkat proteksi relai tradisional menghadapi tantangan seperti zona buta dan sensitivitas yang tidak mencukupi saat menangani kerusakan internal generator yang kompleks. Solusi ini memanfaatkan teknologi proteksi berbasis mikroprosesor canggih, mengintegrasikan informasi multi-sumber dan algoritma cerdas untuk menyediakan sistem proteksi yang cepat, andal, dan komprehensif bagi generator besar (misalnya, unit termal, nuklir, dan hidroelektrik). Tujuannya adalah untuk sepenuhnya menghilangkan zona buta proteksi dan memastikan keamanan aset pembangkit listrik.

2. Tantangan Inti

Generator besar menghadapi ancaman kerusakan internal yang beragam selama operasi, termasuk:

• ​Kerusakan Gulungan Stator: Korsleting antar fase, korsleting antar putaran, dan kerusakan ke tanah. Khususnya, korsleting antar putaran menunjukkan arus awal kerusakan yang rendah, sehingga sulit dideteksi dengan proteksi diferensial transversal tradisional karena zona buta yang inheren.
• ​Kerusakan Sirkuit Rotor: Kerusakan ke tanah satu titik, kerusakan ke tanah dua titik, dan sirkuit terbuka atau tertutup pada sirkuit eksitasi. Meskipun kerusakan ke tanah satu titik mungkin memungkinkan operasi berlanjut, perkembangannya menjadi kerusakan ke tanah dua titik dapat menyebabkan ketidakseimbangan magnetik dan getaran unit yang parah.
• ​Kondisi Operasi Abnormal: Daya balik, hilangnya eksitasi, over-eksitasi, tegangan tinggi, dan anomali frekuensi. Meskipun bukan kerusakan instan, kondisi-kondisi ini dapat merusak generator secara serius atau mengancam stabilitas jaringan.

3. Solusi Detail

Solusi proteksi berbasis mikroprosesor kami mengadopsi arsitektur terdistribusi bertingkat. Relay proteksi inti mengintegrasikan platform pemrosesan perangkat keras yang kuat dengan algoritma proteksi matang, seperti diuraikan di bawah ini:

3.1 Untuk Korsleting Antar Putaran Stator: Proteksi Komposit Multi-Kriteria

Untuk mengatasi ketidaksensitifan proteksi diferensial transversal tradisional terhadap korsleting antar putaran dalam fase yang sama, solusi ini menggunakan algoritma keputusan fusi multi-kriteria, yang secara signifikan meningkatkan keandalan dan sensitivitas deteksi.

• ​Prinsip Teknis:
• Kriteria Arah Daya Urutan Negatif: Memantau arus dan tegangan urutan negatif di terminal generator untuk menghitung arah daya urutan negatif. Kerusakan asimetris internal (misalnya, korsleting antar putaran) menghasilkan sumber urutan negatif, dengan arah daya mengalir dari generator ke sistem, memungkinkan deteksi kerusakan internal yang akurat.
• Kriteria Variasi Tegangan Harmonis Ketiga: Melacak rasio amplitudo dan perbedaan fase antara tegangan harmonis ketiga netral dan terminal. Korsleting antar putaran mengganggu pola distribusi intrinsik tegangan harmonis ketiga, yang sangat sensitif terhadap kriteria ini.
• Kriteria Tegangan Geser Titik Netral: Berfungsi sebagai peningkatan tambahan untuk meningkatkan keandalan.
• ​Keunggulan Performa:
• Sensitivitas Tinggi: Mampu mendeteksi korsleting antar putaran minor sekecil 0,5%.
• Operasi Cepat: Waktu operasi penuh kurang dari 20 ms, secara signifikan membatasi kerusakan akibat kerusakan.
• Keandalan Tinggi: Beberapa kriteria saling mengunci atau beroperasi secara paralel untuk mencegah operasi yang salah dan menghindari kegagalan operasi.
• ​Studi Kasus: Setelah diterapkan pada generator batubara 500MW, solusi ini mencapai sensitivitas 98% dalam mendeteksi korsleting antar putaran, berhasil mencegah kecelakaan pembakaran besar akibat cacat isolasi minor.

3.2 Untuk Perlindungan Korsleting ke Tanah 100% Stator: Posisi Penyatuan Teknologi Ganda

Perlindungan tegangan urutan nol fundamental tradisional menunjukkan zona buta dekat titik netral. Solusi ini menggabungkan dua teknologi matang untuk mencapai cakupan perlindungan 100% dari terminal hingga titik netral.

• ​Prinsip Teknis:
• Zona Konvensional (85–95%): Menggunakan metode rasio tegangan harmonis ketiga untuk melindungi sebagian besar gulungan stator dari titik netral menuju terminal.
• Kompensasi Zona Buta (dekat Titik Netral, 5–15%): Menggunakan perlindungan korsleting ke tanah stator berbasis injeksi. Sinyal tegangan frekuensi rendah (20Hz atau 12,5Hz) disuntikkan ke sirkuit rotor, dan perubahan arus injeksi dipantau untuk menghitung resistansi isolasi dan lokasi kerusakan dengan akurat, menghilangkan zona buta dekat titik netral secara total.
• ​Keunggulan Performa:
• Cakupan 100%: Tidak ada zona buta, memastikan perlindungan penuh gulungan stator.
• Lokalisasi Akurat: Menentukan lokasi kerusakan ke tanah dengan tepat untuk perawatan yang ditargetkan.
• ​Studi Kasus: Di sebuah pembangkit listrik nuklir, solusi ini berhasil menemukan kerusakan ke tanah hanya 3% dari titik netral, dengan kesalahan kurang dari 1%, memungkinkan perawatan yang direncanakan dan menghindari gangguan yang tidak terencana.

3.3 Untuk Kesehatan Sirkuit Rotor: Pemantauan Dinamis dan Peringatan Dini

Kerusakan sirkuit rotor, terutama dioda rotasi terbuka, merupakan bahaya tersembunyi yang umum. Solusi ini beralih dari "proteksi pasca-kerusakan" ke "peringatan pra-kerusakan" melalui pemantauan real-time.

• ​Prinsip Teknis:
• Transformator arus frekuensi tinggi (CT) atau modul pemantauan khusus dipasang di slip ring untuk mengumpulkan bentuk gelombang arus eksitasi real-time.
• Algoritma terintegrasi melakukan analisis harmonis Fast Fourier Transform (FFT) pada arus tersebut.
• Dioda rotasi terbuka menyebabkan distorsi parah pada bentuk gelombang arus eksitasi, secara signifikan meningkatkan harmonis karakteristik (misalnya, harmonis kelima).
• ​Keunggulan Performa:
• Peringatan Dini: Mengeluarkan peringatan berdasarkan konten harmonis melebihi ambang batas (misalnya, harmonis kelima melebihi 8%), mendorong pemeriksaan perawatan pada jembatan rektifikasi rotasi sebelum terjadi kerusakan.
• Pencegahan Eskalasi: Peringatan tepat waktu mencegah kecelakaan buruk seperti kerusakan isolasi akibat hilangnya arus eksitasi dan overheating rotor.
• Perawatan Berbasis Kondisi: Memberikan data kritis untuk perawatan prediktif.

4. Ringkasan dan Nilai

Solusi proteksi berbasis mikroprosesor ini mengintegrasikan teknologi sensor canggih, algoritma pemrosesan sinyal, dan pengambilan keputusan cerdas multi-kriteria untuk mengatasi titik nyeri tradisional dalam proteksi generator:

• Menghilangkan zona buta proteksi, mencapai cakupan 100% untuk korsleting antar putaran stator dan kerusakan ke tanah.
• Mentransformasikan proteksi pasca-kerusakan menjadi peringatan pra-kerusakan, secara efektif mencegah kerusakan melalui pemantauan dinamis rotor.
• Tervalidasi oleh kasus dunia nyata, solusi ini menawarkan sensitivitas, kecepatan, dan keandalan tinggi, memenuhi persyaratan keamanan untuk generator besar dan mega (500MW dan di atasnya).