Всеохоплююче захисне рішення на базі мікропроцесора для великих генераторів

1. Огляд

З розвитком електроенергетичних систем у напрямку вищих параметрів, більшої потужності та більш складних структур мереж, безпечна та стабільна робота генеруючих агрегатів є критично важливою для загальної надійності мережі. Традиційні пристрої релейної захисти зустрічають проблеми, такі як ділянки сліпоти та недостатня чутливість при вирішенні складних внутрішніх вад генераторів. Це рішення використовує передову технологію мікропроцесорного захисту, інтегруючи багатоджерельну інформацію та інтелектуальні алгоритми, щоб забезпечити швидку, надійну та всебічну систему захисту для великих генераторів (наприклад, теплових, ядерних та гідроелектричних установок). Метою є повне усунення ділянок сліпоти та забезпечення безпеки активів енергогенерації.

2. Основні проблеми

Великі генератори стикаються з численними погрозами внутрішніх вад під час роботи, включаючи:

• ​Вади обмотки статора: короткозамкнення між фазами, міжвиткові короткозамкнення та замикання на землю. Зокрема, міжвиткові короткозамкнення характеризуються низькими початковими струмами виникнення вад, що робить їх важко виявляєми засобами традиційного поперечного диференціального захисту через власні ділянки сліпоти.
• ​Вади роторного контуру: одноточкові замикання на землю, двоточкові замикання на землю, та короткозамкнення або відкриття в контурі возбуждення. Хоча одноточкове замикання на землю може дозволити продовження роботи, його перехід до двоточкового замикання може спричинити магнітну асиметрію та сильну вібрацію агрегату.
• ​Аномальні умови роботи: реверсивна потужність, втрата возбуждення, перевозбуждення, перевищення напруги та аномалії частоти. Хоча це не моментальні вади, ці умови можуть серйозно пошкодити генератор або загрожувати стабільності мережі.

3. Детальне рішення

Наше мікропроцесорне рішення захисту використовує ієрархічну розподілену архітектуру. Основний пристрій захисту інтегрує стійку платформу обробки апаратного забезпечення з зрілими алгоритмами захисту, як детально описано нижче:

3.1 Для міжвиткових короткозамкнень статора: Комплексний захист за декількома критеріями

Для вирішення невисокої чутливості традиційного поперечного диференціального захисту до міжвиткових короткозамкнень в рамках однієї фази, це рішення використовує алгоритм фузії багатьох критеріїв, значно покращуючи надійність та чутливість виявлення.

• ​Технічні принципи:
• Критерій напрямку від'ємної послідовності потужності: Спостерігає за від'ємними послідовностями струму та напруги на кінцях генератора для обчислення напрямку від'ємної послідовності потужності. Внутрішні асиметричні вади (наприклад, міжвиткові короткозамкнення) створюють джерело від'ємної послідовності, з напрямком потужності, що протікає від генератора до системи, що дозволяє точне виявлення внутрішніх вад.
• Критерій зміни третієї гармоніки напруги: Відстежує відношення амплітуд та фазовий різницю між третіми гармоніками напруги на нейтральній точці та на кінцях. Міжвиткові короткозамкнення порушують власний розподіл третіх гармонік напруги, до яких цей критерій є високо чутливим.
• Критерій напруги зміщення нейтральної точки: Слугує допоміжним підсиленням для покращення надійності.
• ​Переваги виконання:
• Висока чутливість: Здатна виявляти незначні міжвиткові короткозамкнення до 0,5%.
• Швидка реакція: Повний час виконання менше 20 мс, значно обмежуючи пошкодження від вад.
• Висока надійність: Багато критеріїв взаємодіють або працюють паралельно, щоб запобігти помилковій роботі та уникнути невиконання.
• ​Кейс-стаді: Після реалізації в 500МВт вугільного генератора, рішення досягло 98% чутливості виявлення міжвиткових короткозамкнень, успішно запобігаючи серйозним аваріям, спричиненим незначними дефектами ізоляції.

3.2 Для 100% захисту від замикання статора на землю: Фузія двох технологій для позиціонування

Традиційний основний нульовий диференціальний захист демонструє ділянки сліпоти поблизу нейтральної точки. Це рішення поєднує дві зрілих технології, щоб досягти 100% покриття від кінців до нейтральної точки.

• ​Технічні принципи:
• Звичайна зона (85–95%): Використовує метод відношення третіх гармонік напруги для захисту більшості обмотки статора від нейтральної точки до кінців.
• Компенсація ділянки сліпоти (поблизу нейтральної точки, 5–15%): Використовує ін'єкційний захист від замикання статора на землю. Низькочастотний (20Гц або 12,5Гц) сигнал напруги ін'єктується в контур ротора, а зміни ін'єкційного струму відстежуються для точного обчислення опору ізоляції та локалізації вад, повністю усунувши ділянки сліпоти поблизу нейтральної точки.
• ​Переваги виконання:
• 100% покриття: Без ділянок сліпоти, забезпечуючи повний захист обмотки статора.
• Точна локалізація: Точно визначає місце замикання на землю для цілями планованого ремонту.
• ​Кейс-стаді: На атомній станції рішення успішно визначило замикання на землю лише на 3% від нейтральної точки, з похибкою менше 1%, що дозволило планувати ремонт та уникнути непланованих простоїв.

3.3 Для здоров'я контуру ротора: Динамічне моніторинг та раннє попередження

Вади контуру ротора, особливо відкриті поворотні діоди, є поширеними прихованими загрозами. Це рішення змінює парадигму з "захисту після вади" на "попередження до виникнення вади" через реальний час моніторингу.

• ​Технічні принципи:
• Високочастотні трансформатори струму (CT) або спеціальні модулі моніторингу, встановлені на кільцях повзання, збирають реальні часові форми струму возбуждення.
• Вбудовані алгоритми виконують гармонічний аналіз FFT струму.
• Відкриті поворотні діоди призводять до суттєвого дисторсії форми струму возбуждення, значно збільшуючи характеристичні гармоніки (наприклад, п'ятию гармоніку).
• ​Переваги виконання:
• Раннє попередження: Виділяє попередження на основі гармонічного вмісту, що перевищує порог (наприклад, п'ята гармоніка перевищує 8%), що спонукає до проведення технічного огляду поворотного моста діодів перед виникненням вад.
• Попередження розширення: Своєчасні попередження запобігають аваріям, таким як пошкодження ізоляції через втрату струму возбуждення та перегрівання ротора.
• Умовний ремонт: Надає ключові дані для прогнозного ремонту.

4. Підсумок та цінність

Це мікропроцесорне рішення захисту інтегрує передову технологію датчиків, алгоритми обробки сигналів та багатокритерійне інтелектуальне прийняття рішень для вирішення традиційних болівних точок захисту генераторів:

• Усуває ділянки сліпоти, досягаючи 100% покриття для міжвиткових короткозамкнень та замикань на землю статора.
• Трансформує захист після вади в попередження до виникнення вади, ефективно запобігаючи вадам через динамічний моніторинг ротора.
• Підтверджено реальними випадками, рішення пропонує високу чутливість, швидкість та надійність, задовольняючи вимоги безпеки великих та надвеликих генераторів (500МВт і більше).