Soluzione di protezione completa basata su microprocessore per grandi generatori

1. Panoramica

Con l'evoluzione dei sistemi elettrici verso parametri più elevati, capacità maggiori e strutture di rete più complesse, l'operazione sicura e stabile delle unità di generazione è critica per la affidabilità complessiva della rete. I dispositivi di protezione tradizionali affrontano sfide come zone cieche e sensibilità insufficiente quando si tratta di gestire complesse anomalie interne del generatore. Questa soluzione sfrutta la tecnologia avanzata di protezione basata su microprocessore, integrando informazioni da fonti multiple e algoritmi intelligenti per fornire un sistema di protezione rapido, affidabile e completo per grandi generatori (ad esempio, unità termoelettriche, nucleari e idroelettriche). L'obiettivo è quello di eliminare completamente le zone cieche di protezione e garantire la sicurezza degli asset di generazione di energia.

2. Sfide Principali

I grandi generatori affrontano diverse minacce di guasti interni durante il funzionamento, tra cui:

• ​Guasti delle Bobine Statoriche: cortocircuiti tra fasi, cortocircuiti tra spire e guasti a terra. In particolare, i cortocircuiti tra spire presentano correnti iniziali di guasto basse, rendendoli difficili da rilevare con la protezione differenziale trasversale tradizionale a causa delle zone cieche intrinseche.
• ​Guasti del Circuito del Rotore: guasti a terra a singolo punto, guasti a terra a doppio punto e circuiti aperti o cortocircuiti nel circuito di eccitazione. Sebbene un guasto a terra a singolo punto possa consentire il proseguimento dell'operazione, la sua progressione a un guasto a terra a doppio punto può causare asimmetria magnetica e vibrazioni severe dell'unità.
• ​Condizioni Operative Anomale: potenza inversa, perdita di eccitazione, sovraccarico, sovratensione e anomalie di frequenza. Anche se non sono guasti istantanei, queste condizioni possono danneggiare gravemente il generatore o minacciare la stabilità della rete.

3. Soluzione Dettagliata

La nostra soluzione di protezione basata su microprocessore adotta un'architettura distribuita gerarchica. Il relè di protezione centrale integra una robusta piattaforma di elaborazione hardware con algoritmi di protezione maturi, come dettagliato di seguito:

3.1 Per Cortocircuiti Inter-Spire Statoriche: Protezione Composita Multi-Criteri

Per affrontare l'insensibilità della protezione differenziale trasversale tradizionale ai cortocircuiti inter-spire all'interno della stessa fase, questa soluzione utilizza un algoritmo di decisione multi-criteri, migliorando significativamente la rilevazione e la sensibilità.

• ​Principi Tecnici:
• Criterio della Direzione del Potere Sequenziale Negativo: monitora la corrente e la tensione sequenziale negativa ai terminali del generatore per calcolare la direzione del potere sequenziale negativo. I guasti asimmetrici interni (ad esempio, cortocircuiti inter-spire) generano una sorgente sequenziale negativa, con la direzione del potere che fluisce dal generatore al sistema, consentendo una rilevazione accurata dei guasti interni.
• Criterio della Variazione della Tensione Armonica Terza: monitora il rapporto di ampiezza e la differenza di fase tra la tensione armonica terza neutrale e terminale. I cortocircuiti inter-spire disturbano il modello di distribuzione intrinseco delle tensioni armoniche terze, a cui questo criterio è altamente sensibile.
• Criterio della Tensione di Spostamento del Punto Neutro: serve come miglioramento ausiliario per aumentare la affidabilità.
• ​Vantaggi di Prestazione:
• Alta Sensibilità: in grado di rilevare cortocircuiti inter-spire minori fino al 0,5%.
• Operazione Rapida: tempo di operazione totale inferiore a 20 ms, limitando significativamente i danni da guasto.
• Alta Affidabilità: più criteri interagiscono o operano in parallelo per prevenire il malfunzionamento e evitare il mancato funzionamento.
• ​Studio di Caso: dopo l'implementazione in un generatore a carbone da 500 MW, la soluzione ha raggiunto una sensibilità del 98% nella rilevazione dei cortocircuiti inter-spire, prevenendo con successo gravi incidenti di bruciatura causati da difetti minori di isolamento.

3.2 Per la Protezione a Terra del 100% della Bobina Statorica: Posizionamento Fusionato a Doppia Tecnologia

La protezione tradizionale della tensione zero sequenziale fondamentale presenta zone cieche vicino al punto neutro. Questa soluzione combina due tecnologie mature per ottenere una copertura di protezione del 100% dai terminali al punto neutro.

• ​Principi Tecnici:
• Zona Convenzionale (85-95%): utilizza il metodo del rapporto di tensione armonica terza per proteggere la maggior parte della bobina statorica dal punto neutro verso i terminali.
• Compensazione della Zona Cieca (Vicino al Punto Neutro, 5-15%): impiega la protezione a terra della bobina statorica basata sull'iniezione. Un segnale di tensione a bassa frequenza (20 Hz o 12,5 Hz) viene iniettato nel circuito del rotore e vengono monitorate le variazioni della corrente iniettata per calcolare con precisione la resistenza di isolamento e la posizione del guasto, eliminando completamente le zone cieche vicino al punto neutro.
• ​Vantaggi di Prestazione:
• 100% di Copertura: nessuna zona cieca, garantendo la protezione completa della bobina statorica.
• Localizzazione Precisa: localizza con precisione le posizioni dei guasti a terra per la manutenzione mirata.
• ​Studio di Caso: in una centrale nucleare, la soluzione ha localizzato con successo un guasto a terra a solo il 3% dal punto neutro, con un errore inferiore al 1%, consentendo la manutenzione pianificata e evitando interruzioni impreviste.

3.3 Per la Salute del Circuito del Rotore: Monitoraggio Dinamico e Avviso Anticipato

I guasti del circuito del rotore, in particolare i diodi rotanti aperti, sono comuni rischi nascosti. Questa soluzione passa dalla "protezione post-guasto" all'"avviso pre-guasto" attraverso il monitoraggio in tempo reale.

• ​Principi Tecnici:
• Trasformatori di corrente (TC) ad alta frequenza o moduli di monitoraggio dedicati installati sulle anelli di scorrimento raccolgono onde di corrente di eccitazione in tempo reale.
• Gli algoritmi incorporati eseguono l'analisi armonica tramite la Trasformata Rapida di Fourier (FFT) sulla corrente.
• I diodi rotanti aperti causano una distorsione grave dell'onda di corrente di eccitazione, aumentando significativamente gli armonici caratteristici (ad esempio, l'armonico quinto).
• ​Vantaggi di Prestazione:
• Avviso Anticipato: emette avvisi in base al contenuto armonico superiore alle soglie (ad esempio, l'armonico quinto superiore al 8%), sollecitando controlli di manutenzione sul ponte rettificatore rotante prima che si verifichino guasti.
• Prevenzione dell'Escalation: gli avvisi tempestivi prevenno incidenti gravi come danni all'isolamento a causa della perdita di corrente di eccitazione e il surriscaldamento del rotore.
• Manutenzione Basata sullo Stato: fornisce dati critici per la manutenzione predittiva.

4. Riepilogo e Valore

Questa soluzione di protezione basata su microprocessore integra tecnologia di sensing avanzata, algoritmi di elaborazione dei segnali e decisioni intelligenti multi-criteri per affrontare i punti dolenti tradizionali della protezione dei generatori:

• Elimina le zone cieche di protezione, raggiungendo una copertura del 100% per i cortocircuiti inter-spire e i guasti a terra della bobina statorica.
• Trasforma la protezione post-guasto in avviso pre-guasto, prevenendo efficacemente i guasti attraverso il monitoraggio dinamico del rotore.
• Validata da casi reali, la soluzione offre alta sensibilità, velocità e affidabilità, soddisfacendo i requisiti di sicurezza per generatori grandi e mega (500 MW e superiori).