Comprehensieve Microprocessor-Based Beschermingsoplossing voor Grote Generatoren

1. Overzicht

Terwijl elektriciteitsnetwerken evolueren naar hogere parameters, grotere capaciteiten en complexere netwerkstructuren, is de veilige en stabiele werking van generatoren cruciaal voor de betrouwbaarheid van het gehele netwerk. Traditionele relaisbeschermingsapparatuur ervaart uitdagingen zoals blinde zones en onvoldoende gevoeligheid bij het afhandelen van complexe interne generatorfouten. Deze oplossing maakt gebruik van geavanceerde microprocessor-gebaseerde beschermingstechnologie, die meerdere informatiebronnen en intelligente algoritmen integreert om een snelle, betrouwbare en volledige beschermingssysteem te bieden voor grote generatoren (bijvoorbeeld thermische, nucleaire en waterkrachtgeneratoren). Het doel is om beschermingsblinde zones volledig te elimineren en de beveiliging van elektriciteitsproductieactiva te waarborgen.

2. Kernuitdagingen

Grote generatoren worden tijdens de bedrijfsvoering blootgesteld aan meerdere interne foutbedreigingen, waaronder:

• ​Statorwindingfouten: Fase-aan-fase kortsluitingen, tussenwindingskortsluitingen en aardfouten. Tussenwindingskortsluitingen tonen in het bijzonder lage initiële foutstromen, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn met traditionele transversale differentiële bescherming vanwege inherente blinde zones.
• ​Rotorcircuitsfouten: Eén-punts aardfouten, twee-punts aardfouten en open of korte sluitingen in het opwekkingscircuit. Hoewel een één-punts aardfout mogelijk toelaat dat de operatie wordt voortgezet, kan de progressie naar een twee-punts aardfout magnetische asymmetrie en ernstige trillingen van de eenheid veroorzaken.
• ​Afwijkende bedrijfsomstandigheden: Omgekeerde vermogen, verlies van opwekking, overopwekking, overspanning en frequentieafwijkingen. Hoewel deze omstandigheden geen directe fouten zijn, kunnen ze de generator ernstig beschadigen of de stabiliteit van het netwerk bedreigen.

3. Gedetailleerde oplossing

Onze microprocessor-gebaseerde beschermingsoplossing maakt gebruik van een hiërarchische gedistribueerde architectuur. Het kernrelais integreert een robuuste hardwareverwerkingsplatform met gerijpte beschermingsalgoritmen, zoals hieronder gedetailleerd wordt beschreven:

3.1 Voor stator tussenwindingskortsluitingen: Multi-criteria samengestelde bescherming

Om de ongevoeligheid van traditionele transversale differentiële bescherming voor tussenwindingskortsluitingen binnen dezelfde fase te adresseren, gebruikt deze oplossing een multi-criteria fusiedecisie-algoritme, wat de betrouwbaarheid en gevoeligheid van de detectie aanzienlijk verbetert.

• ​Technische principes:
• Negatieve sequentie vermogensrichtingscriterium: Monitort de negatieve sequentiestroom en spanning aan de generatoruitgangen om de richting van de negatieve sequentievermogen te berekenen. Interne asymmetrische fouten (bijvoorbeeld tussenwindingskortsluitingen) genereren een negatieve sequentiebron, met vermogensrichting die van de generator naar het systeem stroomt, waardoor accurate interne foutdetectie mogelijk is.
• Derde harmonische spanningvariatiecriterium: Volgt de amplitudeverhouding en fasedifferentie tussen de derde harmonische spanningen op de neutrale en terminalpunten. Tussenwindingskortsluitingen verstoren het inherente distributiepatroon van derde harmonische spanningen, waaraan dit criterium zeer gevoelig is.
• Neutrale puntverplaatsingsspanningscriterium: Dient als een hulpfunctie om de betrouwbaarheid te verbeteren.
• ​Prestatievoordelen:
• Hoge gevoeligheid: In staat om kleine tussenwindingskortsluitingen tot 0,5% te detecteren.
• Snelle werking: Volledige werkingstijd onder de 20 ms, wat de schade door fouten aanzienlijk beperkt.
• Hoge betrouwbaarheid: Meerdere criteria werken in parallel of gesloten om onjuiste werking te voorkomen en mislukte werking te vermijden.
• ​Case study: Na implementatie in een 500MW steenkoolgestookte generator behaalde de oplossing 98% gevoeligheid bij het detecteren van tussenwindingskortsluitingen, wat erin resulteerde in het succesvol voorkomen van grote brandongevallen veroorzaakt door kleine isolatiedefecten.

3.2 Voor 100% statoraardfoutbescherming: Dubbele technologie fusieposities

Traditionele grondslag nulsequentiespanningsbescherming vertoont blinde zones nabij het neutrale punt. Deze oplossing combineert twee gerijpte technologieën om 100% beschermingsdekking te realiseren van de uitgangen tot het neutrale punt.

• ​Technische principes:
• Conventionele zone (85–95%): Gebruikt de derde harmonische spanningverhoudingsmethode om de meeste statorwindingen van het neutrale punt naar de uitgangen te beschermen.
• Blinde zone compensatie (nabij neutraal punt, 5–15%): Maakt gebruik van injectie-gebaseerde statoraardfoutbescherming. Een laagfrequente (20Hz of 12,5Hz) spanningssignaal wordt ingespoten in het rotorcircuit, en veranderingen in de injectiestroom worden gemeten om de isolatieweerstand en foutlocatie nauwkeurig te berekenen, waarmee blinde zones nabij het neutrale punt volledig worden geëlimineerd.
• ​Prestatievoordelen:
• 100% dekking: Geen blinde zones, waardoor volledige statorwindingbescherming wordt gewaarborgd.
• Nauwkeurige localisatie: Lokaliseert aardfoutlocaties nauwkeurig voor gerichte onderhoudsmaatregelen.
• ​Case study: In een kerncentrale lokaliseerde de oplossing een aardfout op slechts 3% vanaf het neutrale punt, met minder dan 1% fout, waardoor gepland onderhoud mogelijk werd en ongeplande uitval werd voorkomen.

3.3 Voor rotorcircuithygiëne: Dynamische monitoring en vroege waarschuwing

Rotorcircuitfouten, in het bijzonder open draaiende dioden, zijn veelvoorkomende verborgen gevaren. Deze oplossing verschuift van "post-foutbescherming" naar "pre-foutwaarschuwing" door middel van real-time monitoring.

• ​Technische principes:
• Hogefrequente stroomtransformatoren (CT's) of speciale monitoringmodules geïnstalleerd op slipringen verzamelen real-time opwekkingsstroomsignalen.
• Ingebouwde algoritmen voeren Fast Fourier Transform (FFT) harmonische analyse uit op de stroom.
• Open draaiende dioden veroorzaken ernstige vervorming van het opwekkingsstroomsignaal, waardoor karakteristieke harmonischen (bijvoorbeeld de vijfde harmonische) aanzienlijk toenemen.
• ​Prestatievoordelen:
• Vroege waarschuwing: Geeft waarschuwingen af op basis van harmonische inhoud die drempelwaarden overschrijdt (bijvoorbeeld de vijfde harmonische die 8% overschrijdt), waardoor onderhoudscontroles op de draaiende rectifierbrug voor het optreden van fouten worden aangemoedigd.
• Preventie van escalatie: Tijdige waarschuwingen voorkomen ernstige ongelukken zoals isolatieschade door verlies van opwekkingsstroom en oververhitting van de rotor.
• Toestandsgericht onderhoud: Biedt cruciale gegevens voor predictief onderhoud.

4. Samenvatting en waarde

Deze microprocessor-gebaseerde beschermingsoplossing integreert geavanceerde sensortechnologie, signaalverwerkingsalgoritmen en multi-criteria intelligente beslissingsvormen om traditionele pijnpunten in generatorbescherming aan te pakken:

• Elimineert beschermingsblinde zones, waardoor 100% dekking wordt bereikt voor stator tussenwindingskortsluitingen en aardfouten.
• Transformeert post-foutbescherming in pre-foutwaarschuwing, waardoor fouten effectief worden voorkomen door dynamische rotormonitoring.
• Bevestigd door praktijkvoorbeelden, biedt de oplossing hoge gevoeligheid, snelheid en betrouwbaarheid, waarmee de veiligheidsvereisten van grote en megageneratoren (500MW en hoger) worden voldaan.