대형 발전기용 포괄적인 마이크로프로세서 기반 보호 솔루션

1. 개요

전력 시스템이 더 높은 매개변수, 더 큰 용량, 더 복잡한 전력망 구조로 발전함에 따라 발전기의 안전하고 안정적인 운전은 전체 전력망의 신뢰성에 필수적입니다. 전통적인 계전 보호 장치는 복잡한 내부 발전기 고장에 대응할 때 블라인드 존과 감도 부족 등의 문제를 겪습니다. 이 솔루션은 고급 마이크로프로세서 기반 보호 기술을 활용하여 다중 정보 소스와 지능형 알고리즘을 통합하여 대형 발전기(예: 화력, 원자력, 수력 발전기)에 대한 빠르고 신뢰성 있으며 포괄적인 보호 시스템을 제공합니다. 이를 통해 보호 블라인드 존을 완전히 제거하고 발전 자산의 보안을 확보하는 것을 목표로 합니다.

2. 핵심 도전 과제

대형 발전기는 운전 중 다양한 내부 고장 위협에 직면합니다:

• ​정자 권선 고장: 상간 단락, 회전 사이 단락, 접지 고장. 특히 회전 사이 단락은 초기 고장 전류가 낮아 전통적인 횡차동 보호 장치로 인해 본래의 블라인드 존으로 인해 감지하기 어려울 수 있습니다.
• ​로터 회로 고장: 단일점 접지 고장, 이중점 접지 고장, 그리고 흥분 회로의 오픈 또는 단락. 단일점 접지 고장은 계속된 운전이 가능하지만, 이중점 접지 고장으로 진행되면 자기 비대칭과 심각한 유닛 진동을 일으킬 수 있습니다.
• ​비정상 운전 조건: 역방향 전력, 흥분 손실, 과흥분, 과전압, 주파수 이상. 이러한 조건들은 즉시 발생하는 고장은 아니지만, 발전기에 심각한 손상을 입히거나 전력망의 안정성을 위협할 수 있습니다.

3. 상세 솔루션

우리의 마이크로프로세서 기반 보호 솔루션은 계층적 분산 아키텍처를 채택합니다. 핵심 보호 계전기는 강력한 하드웨어 처리 플랫폼과 성숙한 보호 알고리즘을 통합하며, 아래에 자세히 설명되어 있습니다:

3.1 정자 회전 사이 단락을 위한: 다기준 복합 보호

전통적인 횡차동 보호가 같은 상 내에서 회전 사이 단락에 대해 민감하지 않은 문제를 해결하기 위해, 이 솔루션은 다기준 융합 결정 알고리즘을 사용하여 검출 신뢰성과 감도를 크게 향상시킵니다.

• ​기술 원리:
• 음순 전력 방향 기준: 발전기 단자의 음순 전류와 전압을 모니터링하여 음순 전력의 방향을 계산합니다. 내부 비대칭 고장(예: 회전 사이 단락)은 음순 전원을 생성하며, 전력 방향은 발전기에서 시스템으로 흐르므로 정확한 내부 고장 감지를 가능하게 합니다.
• 제3 고조파 전압 변화 기준: 중립점과 단자 제3 고조파 전압 간의 진폭 비율과 위상 차이를 추적합니다. 회전 사이 단락은 제3 고조파 전압의 고유 분포 패턴을 교란하며, 이 기준은 매우 민감합니다.
• 중립점 변위 전압 기준: 신뢰성을 향상시키기 위한 보조 강화 기능입니다.
• ​성능 우위:
• 높은 감도: 0.5%까지의 미세한 회전 사이 단락을 감지할 수 있습니다.
• 빠른 작동: 20ms 이하의 전체 작동 시간으로 고장 피해를 크게 제한합니다.
• 높은 신뢰성: 여러 기준이 상호 연계하거나 병렬로 작동하여 오작동을 방지하고 작동 실패를 피합니다.
• ​사례 연구: 500MW 석탄 발전기에 구현된 후, 이 솔루션은 회전 사이 단락 감지에서 98%의 감도를 달성하여 미세한 절연 결함으로 인한 주요 화재 사고를 성공적으로 예방했습니다.

3.2 100% 정자 접지 고장 보호를 위한: 이중 기술 융합 위치 지정

전통적인 기본 영차 전압 보호는 중립점 근처에서 블라인드 존을 나타냅니다. 이 솔루션은 두 가지 성숙한 기술을 결합하여 단자에서 중립점까지 100% 보호 범위를 달성합니다.

• ​기술 원리:
• 기존 영역 (85–95%): 제3 고조파 전압 비율 방법을 사용하여 중립점에서 단자 방향으로 대부분의 정자 권선을 보호합니다.
• 블라인드 존 보완 (중립점 근처, 5–15%): 주입 기반 정자 접지 고장 보호를 사용합니다. 로터 회로에 저주파 (20Hz 또는 12.5Hz) 전압 신호를 주입하고, 주입 전류의 변화를 모니터링하여 절연 저항과 고장 위치를 정확히 계산하여 중립점 근처의 블라인드 존을 완전히 제거합니다.
• ​성능 우위:
• 100% 커버리지: 블라인드 존 없이 정자 권선 전체를 보호합니다.
• 정확한 위치 지정: 유지 관리를 위한 타겟팅을 위해 접지 고장 위치를 정확히 파악합니다.
• ​사례 연구: 원자력 발전소에서, 이 솔루션은 중립점에서 3% 만큼의 접지 고장을 1% 미만의 오차로 성공적으로 위치 지정하여 계획된 유지 관리를 가능하게 하고 예기치 않은 정전을 피했습니다.

3.3 로터 회로 건강을 위한: 동적 모니터링 및 조기 경고

로터 회로 고장, 특히 오픈 회전 다이오드는 일반적인 숨겨진 위험입니다. 이 솔루션은 실시간 모니터링을 통해 "고장 후 보호"에서 "고장 전 경고"로 전환합니다.

• ​기술 원리:
• 슬립 링에 설치된 고주파 전류 변압기(CT) 또는 전용 모니터링 모듈은 실시간 흥분 전류 파형을 수집합니다.
• 내장 알고리즘은 전류에 대한 고속 푸리에 변환(FFT) 고조파 분석을 수행합니다.
• 오픈 회전 다이오드는 흥분 전류 파형의 심각한 왜곡을 초래하며, 특징적인 고조파(예: 5번째 고조파)를 크게 증가시킵니다.
• ​성능 우위:
• 조기 경고: 고조파 내용이 임계값을 초과하면 경고를 발령합니다(예: 5번째 고조파가 8% 초과), 고장 발생 전에 회전 정류기 다리에 대한 유지 관리를 유도합니다.
• 악화 방지: 적시 경고로 인해 흥분 전류 손실과 로터 과열로 인한 절연 손상과 같은 악성 사고를 예방합니다.
• 상태 기반 유지 관리: 예측 유지 관리를 위한 중요한 데이터를 제공합니다.

4. 요약 및 가치

이 마이크로프로세서 기반 보호 솔루션은 고급 감지 기술, 신호 처리 알고리즘, 그리고 다기준 지능형 의사결정을 통합하여 전통적인 발전기 보호의 문제점을 해결합니다:

• 보호 블라인드 존을 제거하여 정자 회전 사이 단락과 접지 고장에 대한 100% 커버리지를 달성합니다.
• 고장 후 보호를 고장 전 경고로 전환하여 동적 로터 모니터링을 통해 효과적으로 고장을 예방합니다.
• 실제 사례로 검증된 이 솔루션은 높은 감도, 속도, 신뢰성을 제공하여 대형 및 초대형 발전기(500MW 이상)의 안전 요구 사항을 충족합니다.