Kompleksowe mikroprocesorowe rozwiązanie ochronne dla dużych generatorów

1. Przegląd

Z rozwojem systemów energetycznych w kierunku wyższych parametrów, większych pojemności i bardziej złożonych struktur sieciowych, bezpieczeństwo i stabilność działania jednostek generujących jest kluczowe dla ogólnej niezawodności sieci. Tradycyjne urządzenia ochrony przekaźnikowej stają przed wyzwaniami takimi jak strefy ślepe i niewystarczająca czułość przy radzeniu sobie ze skomplikowanymi wewnętrznymi awariami generatorów. Ta propozycja wykorzystuje zaawansowane technologie ochrony oparte na mikroprocesorach, integrując wieloźródłowe informacje i inteligentne algorytmy, aby zapewnić szybki, niezawodny i kompleksowy system ochrony dla dużych generatorów (np. termicznych, jądrowych i wodnych). Celem jest całkowite eliminowanie stref ślepych i zapewnienie bezpieczeństwa aktywów produkcyjnych.

2. Główne Wyzwania

Duże generatory podczas pracy są narażone na wiele zagrożeń związanych z wewnętrznymi awariami, w tym:

• ​Awarie Więzien Statora: Przewodzenie fazowe, przewodzenie między zwitkami i przewodzenie do ziemi. Przewodzenie między zwitkami, szczególnie, charakteryzuje się niskim początkowym prądem awaryjnym, co sprawia, że trudno je wykryć za pomocą tradycyjnej ochrony różnicowej poprzecznej z powodu istniejących stref ślepych.
• ​Awarie Obwodów Rotorowych: Jednopunktowe przewodzenie do ziemi, dwupunktowe przewodzenie do ziemi oraz otwarcia lub przewodzenia w obwodzie wzbudzenia. Chociaż jednopunktowe przewodzenie do ziemi może pozwolić na dalszą pracę, jego postęp do dwupunktowego przewodzenia do ziemi może spowodować asymetrię magnetyczną i silne drgania jednostki.
• ​Nienormatywne Warunki Pracy: Odwrócone mocy, utrata wzbudzenia, nadwzbudzenie, nadnapięcie i anomalie częstotliwości. Choć nie są to natychmiastowe awarie, te warunki mogą poważnie uszkodzić generator lub zagrozić stabilności sieci.

3. Szczegółowe Rozwiązanie

Nasze rozwiązanie oparte na mikroprocesorach wykorzystuje hierarchiczną architekturę rozproszoną. Główny relé ochrony integruje solidną platformę sprzętową z dojrzałymi algorytmami ochrony, jak szczegółowo opisano poniżej:

3.1 Dla Przewodzeń Między Zwitkami Statora: Kompozytowa Ochrona Wielokryterialna

Aby rozwiązać problem małej czułości tradycyjnej ochrony różnicowej poprzecznej do przewodzeń między zwitkami w tej samej fazie, to rozwiązanie wykorzystuje algorytm decyzyjny fuzji wielokryterialnej, znacząco poprawiając niezawodność i czułość wykrywania.

• ​Zasady Techniczne:
• Kryterium Kierunku Mocy Negatywnej Sekwencji: Monitoruje prąd i napięcie negatywnej sekwencji na zaciskach generatora, aby obliczyć kierunek mocy negatywnej. Wewnętrzne asymetryczne awarie (np. przewodzenia między zwitkami) generują źródło negatywnej sekwencji, z kierunkiem mocy płynącym od generatora do systemu, co umożliwia dokładne wykrywanie wewnętrznych awarii.
• Kryterium Zmiany Napięcia Trzeciej Harmonicznej: Śledzi stosunek amplitud i różnicę faz między napięciem trzeciej harmonicznej neutralnego punktu i zacisków. Przewodzenia między zwitkami zakłócają naturalny rozkład napięć trzeciej harmonicznej, co sprawia, że to kryterium jest bardzo czułe.
• Kryterium Napięcia Przesunięcia Punkt Neutralny: Służy jako dodatkowe wzmacnienie, aby zwiększyć niezawodność.
• ​Zalety Wydajności:
• Wysoka Czułość: W stanie wykrywać małe przewodzenia między zwitkami już od 0,5%.
• Szybka Reakcja: Całkowity czas działania poniżej 20 ms, znacznie ograniczając szkody wynikające z awarii.
• Wysoka Niezawodność: Wiele kryteriów działa w zespole lub równolegle, aby zapobiec błędnej operacji i uniknąć braku reakcji.
• ​Przykład: Po implementacji w 500MW generatorze węglowym, rozwiązanie osiągnęło 98% czułość w wykrywaniu przewodzeń między zwitkami, pomyślnie zapobiegając poważnym wypadkom spalania spowodowanym drobnymi defektami izolacji.

3.2 Dla 100% Ochrony Przewodzenia do Ziemi Statora: Fuzja Dwóch Technologii Lokalizacyjnych

Tradycyjna ochrona napięcia zerowej sekwencji podstawowej ma strefy ślepe w pobliżu punktu neutralnego. To rozwiązanie łączy dwie dojrzałe technologie, aby osiągnąć 100% pokrycie ochrony od zacisków do punktu neutralnego.

• ​Zasady Techniczne:
• Strefa Konwencjonalna (85-95%): Używa metody stosunku napięcia trzeciej harmonicznej, aby chronić większość wiązan statora od punktu neutralnego w kierunku zacisków.
• Kompensacja Strefy Ślepej (W pobliżu Punktu Neutralnego, 5-15%): Wykorzystuje iniekcję napięcia do ochrony przewodzenia do ziemi statora. Niskoczęstotliwościowy sygnał napięcia (20Hz lub 12,5Hz) jest wprowadzany do obwodu rotora, a zmiany prądu iniekcji są monitorowane, aby dokładnie obliczyć opór izolacji i lokalizację awarii, całkowicie eliminując strefy ślepe w pobliżu punktu neutralnego.
• ​Zalety Wydajności:
• 100% Pokrycie: Bez stref ślepych, zapewniając pełne ochrony wiązan statora.
• Precyzyjna Lokalizacja: Dokładnie określa lokalizację przewodzenia do ziemi, umożliwiając celowe konserwację.
• ​Przykład: W elektrowni jądrowej, rozwiązanie pomyślnie zlokalizowało przewodzenie do ziemi tylko 3% od punktu neutralnego, z błędem mniejszym niż 1%, umożliwiając planowaną konserwację i uniknięcie nieplanowanych wyłączeń.

3.3 Dla Zdrowia Obwodu Rotora: Dynamiczny Monitoring i Wczesne Ostrzeganie

Awarie obwodu rotora, szczególnie otwarte diody rotacyjne, są powszechnymi ukrytymi zagrożeniami. To rozwiązanie przechodzi od „ochrony po awarii” do „wczesnego ostrzegania” poprzez monitorowanie w czasie rzeczywistym.

• ​Zasady Techniczne:
• Wysokoczęstotliwościowe transformatory prądowe (CT) lub dedykowane moduły monitorowania zamontowane na pierścieniach ślizgowych zbierają fale prądów wzbudzenia w czasie rzeczywistym.
• Wbudowane algorytmy wykonują analizę harmonicz Fast Fourier Transform (FFT) prądu.
• Otwarte diody rotacyjne powodują silne zniekształcenia fali prądów wzbudzenia, znacznie zwiększając charakterystyczne harmoniki (np. piątą harmonikę).
• ​Zalety Wydajności:
• Wczesne Ostrzeganie: Wysyła ostrzeżenia na podstawie zawartości harmonicz przekraczających progi (np. piąta harmonika przekraczająca 8%), zachęcając do kontroli mostka prostownika rotacyjnego przed wystąpieniem awarii.
• Zapobieganie Eskalacji: Współczesne ostrzeżenia zapobiegają poważnym awariom, takim jak uszkodzenie izolacji przez utratę prądu wzbudzenia i przegrzanie rotora.
• Kondycyjna Konserwacja: Dostarcza kluczowych danych do predykcyjnej konserwacji.

4. Podsumowanie i Wartość

To rozwiązanie oparte na mikroprocesorach integruje zaawansowane technologie sensoryczne, algorytmy przetwarzania sygnałów i wielokryterialne inteligentne podejmowanie decyzji, aby rozwiązać tradycyjne problemy ochrony generatorów:

• Eliminuje strefy ślepe, osiągając 100% pokrycie dla przewodzeń między zwitkami statora i przewodzeń do ziemi.
• Przekształca ochronę po awarii w wczesne ostrzeganie, efektywnie zapobiegając awariom poprzez dynamiczny monitoring rotora.
• Uzasadnione przypadkami praktycznymi, rozwiązanie oferuje wysoką czułość, szybkość i niezawodność, spełniając wymagania bezpieczeństwa dużych i mega generatorów (500MW i więcej).