大容量発電機用の包括的なマイクロプロセッサベース保護ソリューション

1. 概要

電力システムがより高いパラメータ、大容量、複雑なグリッド構造へと進化する中で、発電ユニットの安全かつ安定した運転は、全体的なグリッドの信頼性にとって重要です。従来のリレープロテクション装置は、複雑な内部発電機故障に対処する際、盲点や感度不足などの課題に直面しています。このソリューションは、高度なマイクロプロセッサベースの保護技術を活用し、多源情報とインテリジェントアルゴリズムを統合して、大型発電機（例えば、火力、原子力、水力発電ユニット）に対して高速、信頼性の高い、そして包括的な保護システムを提供します。これにより、保護の盲点を完全に排除し、発電資産の安全性を確保することを目指しています。

2. 主要な課題

大型発電機は、運転中に複数の内部故障の脅威に直面しています：

• ​スターター巻線故障：相間短絡、ターン間短絡、および接地故障。特にターン間短絡は、初期故障電流が低いため、従来の横方向差動保護では固有の盲点により検出が困難です。
• ​ロータ回路故障：単一ポイント接地故障、二重ポイント接地故障、励磁回路のオープンまたはショート回路。単一ポイント接地故障は継続運転が可能ですが、二重ポイント接地故障への進行は磁気非対称性と重大なユニット振動を引き起こします。
• ​異常運転状態：逆電力、励磁喪失、過励磁、過電圧、周波数異常。これらの状態は即時故障ではありませんが、発電機の深刻な損傷やグリッドの安定性への脅威となります。

3. 詳細なソリューション

当社のマイクロプロセッサベースの保護ソリューションは、階層分散アーキテクチャを採用しています。コア保護リレーは、堅牢なハードウェア処理プラットフォームと成熟した保護アルゴリズムを統合しており、以下の通りです：

3.1 スターター間ターン短絡に対するソリューション：マルチ基準複合保護

従来の横方向差動保護が同一相内のターン間短絡に対する感度が低い問題に対処するために、このソリューションではマルチ基準融合決定アルゴリズムを採用し、検出の信頼性と感度を大幅に向上させています。

• ​技術原理:
• 負の順列電力方向基準：発電機端子での負の順列電流と電圧を監視し、負の順列電力の方向を計算します。内部非対称故障（例：ターン間短絡）は負の順列電源を生成し、その電力方向は発電機からシステムに向かうため、正確な内部故障検出が可能になります。
• 第3高調波電圧変動基準：中性点と端子間の第3高調波電圧の振幅比と位相差を追跡します。ターン間短絡は第3高調波電圧の固有分布パターンを破壊し、この基準はそれに非常に敏感です。
• 中性点偏移電圧基準：補助的な強化として、信頼性を向上させます。
• ​性能上の利点:
• 高感度：0.5%以下の微小なターン間短絡を検出可能です。
• 高速動作：全動作時間は20ms未満であり、故障による損傷を大幅に制限します。
• 高信頼性：複数の基準が連携または並列で動作し、誤動作を防ぎ、動作失敗を避けることができます。
• ​事例：500MW石炭火力発電機に導入後、ターン間短絡の検出感度は98%を達成し、小さな絶縁欠陥による重大な焼損事故を成功裏に防止しました。

3.2 100%スターター接地故障保護：デュアルテクノロジー融合定位

従来の基本ゼロシーケンス電圧保護は、中性点近くに盲点があります。このソリューションは、2つの成熟した技術を組み合わせて、端子から中性点までの100%保護範囲を達成します。

• ​技術原理:
• 従来領域（85〜95％）：第3高調波電圧比法を使用して、中性点から端子に向かってスターター巻線の大部分を保護します。
• 盲点補償（中性点近く、5〜15％）：注入型スターター接地故障保護を採用します。ロータ回路に低周波（20Hzまたは12.5Hz）電圧信号を注入し、注入電流の変化を監視して絶縁抵抗と故障位置を正確に計算し、中性点近くの盲点を完全に排除します。
• ​性能上の利点:
• 100%カバレッジ：盲点がなく、スターター巻線の完全な保護が可能です。
• 正確な位置特定：接地故障位置を正確に特定し、的確なメンテナンスが可能です。
• ​事例：原子力発電所において、ソリューションは中性点からわずか3%の位置にある接地故障を1%未満の誤差で正確に特定し、計画的なメンテナンスを行い、予期せぬ停止を回避しました。

3.3 ロータ回路の健康状態：動的モニタリングと早期警告

ロータ回路の故障、特に開放回転ダイオードは一般的な隠れた危険です。このソリューションは、リアルタイムモニタリングを通じて「故障後の保護」から「故障前の警告」へとシフトします。

• ​技術原理:
• 滑環に設置された高周波電流変換器（CT）または専用モニタリングモジュールが、リアルタイムの励磁電流波形を収集します。
• 内蔵アルゴリズムが電流に対して高速フーリエ変換（FFT）による高調波分析を行います。
• 開放回転ダイオードは励磁電流波形の著しい歪みを引き起こし、特徴的な高調波（例：第5高調波）を大幅に増加させます。
• ​性能上の利点:
• 早期警告：高調波含有量が閾値を超える（例：第5高調波が8%を超える）際に警告を発し、故障発生前に回転整流橋のメンテナンスチェックを促します。
• 悪化防止：適時の警告により、励磁電流損失やロータの過熱による絶縁損傷などの悪性事故を防止します。
• 状況に基づくメンテナンス：予測メンテナンスに重要なデータを提供します。

4. まとめと価値

このマイクロプロセッサベースの保護ソリューションは、先進的なセンシング技術、信号処理アルゴリズム、およびマルチ基準インテリジェント決定を統合して、発電機保護における従来の痛み点に対処します：

• 保護の盲点を排除し、スターター間ターン短絡と接地故障について100%のカバレッジを達成します。
• 動的なロータモニタリングを通じて、故障後の保護を故障前の警告に変革し、効果的に故障を防止します。
• 実際の事例によって検証され、ソリューションは高い感度、速度、信頼性を提供し、大型および超大型発電機（500MW以上）の安全要件を満たします。