Fakulta elektrotechnická Katedra elektroenergetiky a ekologie

Fakulta elektrotechnick´ a Katedra elektroenergetiky a ekologie

´ PRACE ´ DIPLOMOVA Systém elektrických ochran generátorového bloku

Autor práce: Vedouc´ı práce:

Bc. Jan Marˇsal Ing. Jana Jiˇriˇcková, Ph.D.

Rok 2014

zÁPADoČpsxÁ UNIVERzITA V PLZNI Fakulta elektrotechnická

Akademický rok: 2ot3 /2oI4

zADANÍ orPtoMovÉpnÁcp

(PRoJEKTU, UvtĚlpcxÉHo oÍLA, uuĚt pcxÉHo vÝxoNu) Jméno a

příjmení: Bc. Jan MARŠAL

osobní číslo:

E12N01L9P Studiiní program: N2612 Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektroenergetika Název tématu: Systém elektrických ochran generátoru jaderného bloku Zadávajícíkatedra: Katedra elektroenergetiky a ekologie

Zásady

pro vypracování:

1. Vytvořte přehled principů a technických řešení chránění generátorů v elektroenergetice.

2. Popište provozní a poruchové stavy generátoru jaderného bloku JE Temelín.

3' Popište a zhodnoťte vnější poruchové stavy na provoz

a systém chránění generátoru

4. Navrhněte systém digitálního chránění generátoru jaderného bloku JE Temelín'

JE.

prací: pracovní zprávy:

podle doporučenívedoucího Rozsah 30 - 40 stran Forma zpracování diplomové práce: tištěná/elektronická Rozsah grafických

Seznam odborné literatury:

Student si vhodnou literaturu vyhledá v dostupných pramenech podle doporučenívedoucího práce.

Vedoucí diplomové práce:

Ing. Jana Jiřičková' Ph.D. Katedra elektroenergetiky a ekologie

Datum zadání diplomové práce: Termín odevzdání diplomové práce:

ng

I I

Hammerbau

děkan

VP zr i dne 14. října 2013

14. října 2013 12. května 2oL4

Lffi

,-&z1rDoc. Ing. Karel Noháč, Ph.D

vedoucí katedry

Systém elektrických ochran generátorového bloku

Jan Marˇsal

ˇ Cestn´ e prohl´ aˇsen´ı Pˇredkládám t´ımto k posouzen´ı a obhajobˇe diplomovou práci, zpracovanou na závˇer magisterského studia na Fakultˇe elektrotechnické Západoˇceské univerzity v Plzni. Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatnˇe, s pouˇzit´ım odborné literatury a pramen˚ u uvedených v seznamu, který je souˇcást´ı této diplomové práce. Dále prohlaˇsuji, ˇze veˇskerý software, pouˇzitý pˇri ˇreˇsen´ı této diplomové práce, je legáln´ı.

Datum: 12. 5. 2014

....................... podpis

i

2014


Jan Marˇsal

Podˇ ekov´ an´ı T´ımto bych rád podˇekoval vedouc´ı Ing. Janˇe Jiˇriˇckové Ph.D. za cenné pˇripom´ınky, pomoc pˇri shánˇen´ı potˇrebné literatury a metodické veden´ı práce. Dále bych rád podˇekoval mému konzultantovi Ing. Ondˇreji Trubkovi za jeho ochotu a vstˇr´ıcnost pˇri konzultac´ıch diplomové práce.

ii

2014


Jan Marˇsal

Abstrakt Pˇredkládaná diplomová práce se zamˇeˇruje na problematiku chránˇen´ı turbogenerátoru o velkém výkonu a je rozdˇelena do pˇeti kapitol. Prvn´ı kapitola charakterizuje vybrané poruchové stavy generátor˚ u, které mohou pˇri bˇeˇzném provozu nastat. Druhá kapitola se zaob´ırá provozn´ımi a poruchovými stavy turbogenerátoru TG1000 MW, který je v souˇcasné dobˇe pouˇzit na obou bloc´ıch JE Temel´ın. Následuj´ıc´ı kapitola uvaˇzuje vliv vnˇejˇs´ıch poruchových stav˚ u na provoz turbogenerátoru, potaˇzmo JE Temel´ın. Posledn´ı dvˇe praktické ˇcásti práce jsou vˇenovány výpoˇctu digitáln´ı ochrany pro blok JE Temel´ın.

Kl´ıˇ cov´ a slova digitáln´ı ochrana, porucha, zkrat, zemn´ı spojen´ı, JE Temel´ın, turbogenerátor TG1000 MW, provozn´ı a poruchové stavy TG1000 MW

iii

2014


Jan Marˇsal

Abstract This thesis is focusing on problems with regard to protecting turbogenerator of high wattage and it is split into five parts. The first part is describing selected failures of generators which can occur during regular operating. The second part is about operate and failure status of TG1000 MW generator which is currently beeing used on both blocks of nuclear power station Temel´ın. The next part is considering the influence of outside failure aspects on the turbogenerator not to say nuclear power station Temel´ın. The last two practical parts of this thesis are addressed to calculating a digital protection for one of the blocks of nuclear power station Temel´ın.

Keywords digital protection, fault, short circuit, earth fault, nuclear power station Temel´ın, turbogenerator TG1000 MW, operating and fault conditions of TG1000 MW

iv

2014


Jan Marˇsal

2014

Obsah ´ Uvod

4

1 Chr´ anˇ en´ı synchronn´ıch gener´ ator˚ u 1.1 Poruchy synchronn´ıch generátor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 6

1.1.1 1.1.2

Proudové pˇret´ıˇzen´ı generátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . Napˇet’ové pˇret´ıˇzen´ı generátoru . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 7

1.1.3 1.1.4 1.1.5

Vnitˇrn´ı zkraty v generátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zemn´ı spojen´ı ve statoru generátoru . . . . . . . . . . . . . Zemn´ı spojen´ı v rotoru generátoru . . . . . . . . . . . . . .

8 11 11

1.1.6 1.1.7

Nesymetrické proudové zat´ıˇzen´ı generátoru . . . . . . . . . . Ztráta buzen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 13

1.1.8 Samobuzen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.9 Loˇziskové proudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Ochrana velkých generátor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 16 16

1.2.1 1.2.2

Koncepce redundance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vyp´ınac´ı matice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 18

1.2.3 Rozsah ochranných funkc´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Souˇcasná ochrana v JE Temel´ın . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 20

2 Provozn´ı a poruchov´ e stavy turbogener´ atoru JE Temel´ın 2.1 Provozn´ı reˇzimy TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23 25

2.1.1 Nomináln´ı provozn´ı reˇzim TG . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Poruchové stavy TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26 29

3 Vliv vnˇ ejˇ s´ıch poruchov´ ych stav˚ u na provoz a chr´ anˇ en´ı TG JE Temel´ın 31 3.1 Porucha v rozvodnˇe Koˇc´ın . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Porucha na lince z rozvodny Koˇc´ın . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32 33

3.3 Kol´ısán´ı frekvence v elektrizaˇcn´ı soustavˇe . . . . . . . . . . . . . . .

34

4 N´ avrh digit´ aln´ı ochrany pro blok JE Temel´ın 4.1 Rozd´ılová ochrana F301 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Impedanˇcn´ı ochrana F251 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36 36 38

4.3 Zkratová ochrana F111 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Zemn´ı ochrana na 1. harmonickou F421 . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Zemn´ı ochrana na 3. harmonickou F422 . . . . . . . . . . . . . . . .

40 41 41

4.6 Zemn´ı ochrana rotoru F431 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

1


Jan Marˇsal

2014

4.7 Ochrana proti proudovému pˇret´ıˇzen´ı F131 . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Ochrana proti nesymetrickému proudovému pˇret´ıˇzen´ı F46 . . . . . .

42 43

4.9 Zpˇetná wattová ochrana F501, F502 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Ochrana proti ztrátˇe stability pˇri podbuzen´ı F442 . . . . . . . . . .

44 45

4.11 Ochrana pˇri ztrátˇe buzen´ı F441, F371, F45 . . . . . . . . . . . . . . 4.12 Ochrana pˇri zmˇenách frekvence F39 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13 Pˇrepˇet’ová ochrana F381, F382 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46 48 48

5 Vyhodnocen´ı v´ ysledk˚ u a n´ avrh nov´ eho syst´ emu 5.1 Návrh firmy a souboru ochran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Návrh ochrany a ochranných funkc´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49 49 50

Z´ avˇ er

54

Seznam obr´ azk˚ u

55

Seznam tabulek

56

Literatura

57

Pˇ r´ılohy

58

2


Seznam veliˇ cin a zkratek ANSI/IEE APD ˇ CSN

Standardn´ı znaˇcen´ı ochranných funkc´ı Aktuáln´ı provozn´ı diagram ˇ Ceskoslovensk´ e normy

DG ES

Dieselgenerátor Elektrizaˇcn´ı soustava

F16 HMI HVB

Zemn´ı nádobová ochrana Human Machine Interface Hlavn´ı výrobn´ı blok

IED JE

Intelligent Electronic Device Jaderná elektrárna Temel´ın

OZ PTN PTP

Automatika opˇetovného zapnut´ı Pˇr´ıstrojový transformátor napˇet´ı Pˇr´ıstrojový transformátor proudu

SP-F392 SP-F396 TG

Frekvenˇcn´ı ochrana generátoru Záloha nadfrekvenˇcn´ı ochrany Turbogenerátor

VG VK

Generátorový vyp´ınaˇc Vyp´ınaˇc v rozvodnˇe Koˇc´ın

VS

Vlastn´ı spotˇreba

3

Jan Marˇsal

2014


Jan Marˇsal

´ Uvod Pˇredkládaná diplomová práce se vˇenuje problematice chránˇen´ı generátor˚ u velkých výkon˚ u. Systémem chránˇen´ı generátor˚ u se zabývaj´ı firmy ABB s ˇradou REG, Siemens SIPROTEC s ˇradou 7U a SEL s ˇradou 700G. Ochrana generátor˚ u je komplexn´ı a perspektivn´ı obor, který souvis´ı i s ˇcásteˇcným chránˇen´ım blokového transformátoru. Ochrana samotná tedy povˇetˇsinou chrán´ı nejen generátor, ale i blokový transformátor s linkou vyveden´ı výkonu. V dneˇsn´ı napjaté dobˇe je v´ıce neˇz kdy dˇr´ıve potˇreba zajistit spolehlivý a bezporuchový provoz distribuˇcn´ı soustavy. Právˇe elektrárenské bloky o velkém výkonu, jako tˇreba JE Temel´ın, maj´ı na tuto spolehlivost významný vliv. Tyto bloky tedy maj´ı výrazný pod´ıl na potenciáln´ım kolapsu, ˇci udrˇzen´ı distribuˇcn´ı soustavy ve chv´ıl´ıch jej´ıho nejvˇetˇs´ıho zat´ıˇzen´ı. Dá se tedy ˇr´ıci, ˇze mohou odvrátit pˇr´ıpadný blackout. Tento fakt klade na generátorové ochrany nemalé nároky. Zbyteˇcné odpojen´ı takto velkého bloku má nejen znatelný vliv na dodávaný výkon do s´ıtˇe, ale také mus´ıme zváˇzit ekonomické hledisko plynouc´ı z nedodáván´ı elektrické energie do elektrizaˇcn´ı soustavy. Diplomová práce je rozdˇelena do pˇeti ˇcást´ı, aby bylo doc´ıleno komplexn´ıho zpra´ cován´ı daného tématu. Uvodn´ ı kapitola je koncipována jako seznámen´ı s danou problematikou chránˇen´ı a s jednotlivými vnitˇrn´ımi poruchami, které mohou vzniknout pˇri provozován´ı generátoru. Jelikoˇz je tato práce spjata s JE Temel´ın, týkaj´ı se dalˇs´ı kapitoly generátoru TG1000 MW, který je v této elektrárnˇe pouˇzit. Ve druhé kapitole bude popsán nomináln´ı provozn´ı stav turbogenerátoru a jeho moˇzné poruchové stavy. Posledn´ı teoretická kapitola analyzuje vlivy vnˇejˇs´ıch stav˚ u elektrizaˇcn´ı soustavy na provoz bloku JE Temel´ın. Posledn´ı a zároveˇ n praktická ˇcást práce je rozdˇelena do dvou kapitol a je zamˇeˇrena na návrh nového systému chránˇen´ı generátoru TG1000 MW. Samotný návrh ochrany je poˇc´ıtán s parametry pˇred právˇe prob´ıhaj´ıc´ı modernizac´ı, bˇehem které dojde ke zvýˇsen´ı výkonu z 1000 MW na 1125 MW.

4

2014


1

Jan Marˇsal

Chr´ anˇ en´ı synchronn´ıch gener´ ator˚ u

Základn´ı u ´ˇcel elektrických ochran je zˇrejmý. Maj´ı za u ´ kol chránit daný objekt pˇred r˚ uznými druhy poruch, ale také i pˇred nenormáln´ımi provozn´ımi stavy. Pˇri chránˇen´ı generátoru mus´ıme brát v potaz plynulost dodávky elektrické energie. Elektrické ochrany generátoru musej´ı být tedy nastaveny s maximáln´ı pˇresnost´ı, aby nedocházelo ke zbyteˇcnému vybaven´ı. Tento fakt klade velký d˚ uraz na pˇresnost nastaven´ı parametr˚ u, pˇri kterých ochrana zareaguje. Samozˇrejmˇe chceme i minimalizovat pˇr´ıpadný rozsah ˇskody zp˚ usobený poruchou. Ochrany synchronn´ıch generátor˚ u musej´ı splˇ novat následuj´ıc´ı poˇzadavky: • Rychle a spolehlivˇe urˇcit poruchu generátoru, popˇr´ıpadˇe pˇrekroˇcen´ı hranice provozn´ıho stavu generátoru. • Vypnout v takovém ˇcase, aby následky poruchy byly co nejmenˇs´ı. • Minimalizovat riziko u ´ razu obsluhy elektrickým proudem. • Zabezpeˇcit, aby se porucha nerozˇs´ıˇrila i na neporuˇsené prvky elektrizaˇcn´ı soustavy. • Zóny ochran musej´ı být navrˇzeny takovým zp˚ usobem, aby se pˇrekrývaly (ˇzádná ˇcást elektrického zaˇr´ızen´ı nesm´ı být nechránˇená).

Abychom zajistili bezpeˇcné a spolehlivé chránˇen´ı generátoru, mus´ıme nejprve provést: • Analýzu vzniku vˇsech pˇr´ıpadných poruch. • Výbˇer vhodných elektrických ochran, abychom zajistili ochranu pˇred vˇsemi moˇznými poruchovými stavy. • Zabezpeˇcen´ı selektivnosti ochran. • Zálohován´ı ochran. V bezporuchovém stavu je chod generátoru zabezpeˇcen prostˇrednictv´ım ˇr´ıdic´ıho systému turb´ıny a automatického regulátoru napˇet´ı. Bezporuchový stav synchronn´ıho generátoru je dán specifickými hodnotami charakteristických veliˇcin. Pˇri poruˇse tedy dojde k tomu, ˇze se tyto charakteristické veliˇciny dostanou mimo nastavené meze. V takovém pˇr´ıpadˇe mus´ı doj´ıt k co nejrychlejˇs´ımu vybaven´ı ochrany. Ochrany bloku (mimo jiné i generátoru) sestávaj´ı z dvoj´ıho typu ochran. Strojn´ı ochrany chrán´ı technologickou ˇcást bloku a ochrany elektrické maj´ı za u ´ kol chránit elektrickou ˇcást. Tyto ochrany spoleˇcnˇe nazýváme komplexn´ı ochranou bloku. Komplexn´ı ochrana je tedy dimenzována tak, aby mohla automaticky zasáhnout v pˇr´ıpadˇe stavu, pˇri kterém jiˇz nem˚ uˇze zasáhnout automatická regulace.[1] 5

2014


1.1

Jan Marˇsal

2014

Poruchy synchronn´ıch gener´ ator˚ u

Mezi jedny z nejzávaˇznˇejˇs´ıch poruch patˇr´ı izolaˇcn´ı poruchy statoru ˇci rotoru, tedy zkraty a zemn´ı spojen´ı. Tyto poruchy vyvolávaj´ı obrovské tepelné a dynamické s´ıly, a proto na nˇe musej´ı ochrany zareagovat okamˇzitˇe, aby tak zabránily váˇznˇejˇs´ım ˇskodám. Zvýˇsené pozornosti mus´ıme dbát i pˇri nenormáln´ıch stavech, jako jsou napˇr´ıklad pˇrepˇet´ı, proudová nesymetrie, podbuzen´ı apod. V dalˇs´ıch kapitolách si pop´ıˇseme výˇse zm´ınˇené poruchy a uvedeme systém chránˇen´ı s ohledem na turbogenerátor, kterým je vybavena JE Temel´ın. V JE Temel´ın je pouˇzit dvoupólový synchronn´ı generátor, který má elektrický výkon 1000 MW a uzel stroje je uzemnˇen pˇres vysokou impedanci prostˇrednictv´ım PTN.[1] 1.1.1

Proudov´ e pˇ ret´ıˇ zen´ı gener´ atoru

K proudovému pˇret´ıˇzen´ı synchronn´ıho generátoru docház´ı, jestliˇze proud procházej´ıc´ı vinut´ım je vˇetˇs´ı neˇz dimenzovaný proud IN . Tento fakt zp˚ usob´ı pˇrehˇr´ıván´ı stroje, coˇz zapˇr´ıˇcin´ı degradaci izolace stroje a zvýˇsen´ı pˇr´ıdavných tepelných ztrát. Ty jsou u ´ mˇerné vztahu: W = 3R

Z

0

T

i2 (t)dt

(1)

Kde W – energie akumulovaná ve statorových vodiˇc´ıch stoje R – odpor jedné fáze statorového vodiˇce i(t) – proud procházej´ıc´ı statorovým vinut´ım T – doba trván´ı proudového pˇret´ıˇzen´ı Proudové pˇret´ıˇzen´ı bychom mohli chránit za pomoci zabudovaných tepelných sn´ımaˇc˚ u (termoˇclánk˚ u), které jsou vˇsak schopny mˇeˇrit pouze teplotu ˇzeleza nikoli teplotu vinut´ı. Z tohoto faktu plyne, ˇze termoˇclánky maj´ı pomalejˇs´ı odezvu, a to zejména pˇri náhlých zmˇenách zat´ıˇzen´ı. Z tohoto d˚ uvodu je nem˚ uˇzeme plnˇe vyuˇz´ıt pro tento typ chránˇen´ı. Proto se vyuˇz´ıvá závislá proudová ochrana. To znamená, ˇze se vzr˚ ustem statorového proudu se zkracuje i doba p˚ usoben´ı ochrany. U velkých generátor˚ u nicménˇe mus´ıme respektovat, ˇze se jejich proudové zat´ıˇzen´ı nemˇen´ı libovolnˇe, ale je pˇredevˇs´ım závislé na regulaci výkonu. Tento zp˚ usob ochrany tedy nem˚ uˇzeme pouˇz´ıt pro chránˇen´ı velkých generátor˚ u chlazených vod´ıkem, protoˇze maj´ı malou ˇcasovou konstantu. V dneˇsn´ıch generátorech o vysokém výkonu docház´ı k velké akumulaci energie, coˇz pˇri pˇret´ıˇzen´ı zapˇr´ıˇcin´ı rychlejˇs´ı oteplen´ı stroje. Proto se pro jejich jiˇstˇen´ı proti pˇret´ıˇzen´ı pouˇz´ıvá nadproudová ochrana s nezávislou ˇcasovou charakteristikou. Nadproudové ochrany se nastavuj´ı takovým zp˚ usobem, aby umoˇznily

6


Jan Marˇsal

2014

chod pˇri jmenovitém výkonu SN i pˇri 0, 95UN . Vztah pro výpoˇcet proudového nastaven´ı ochrany je uveden ve vztahu 2. I2R =

kb In kn kI

(2)

Kde I2R – sekundárn´ı hodnota rozbˇehového proudu kb – koeficient bezpeˇcnosti (1,05) kn – pˇr´ıdrˇzný pomˇer (0,94 aˇz 0,98) kI – proudový pˇrevod PTP(I1N /I2N ) IN – jmenovitý statorový proud Dojde-li pˇri chodu k tomuto druhu poruchy, nen´ı potˇreba generátor odp´ınat od s´ıtˇe. K proudovému pˇret´ıˇzen´ı docház´ı pˇri zmˇenˇe zátˇeˇze, nebo pˇri poruˇse chlazen´ı generátoru. Proto se tato porucha pouze signalizuje a je dán potˇrebný ˇcas obsluze, aby stihla zareagovat a provést protiopatˇren´ı. Aby ochrana zbyteˇcnˇe nezap˚ usobila, je na ochranˇe nastaven interval vybaven´ı 6 aˇz 12 sekund.[1] 1.1.2

Napˇ et’ov´ e pˇ ret´ıˇ zen´ı gener´ atoru

Napˇet’ové pˇret´ıˇzen´ı m˚ uˇze vzniknout tehdy, dojde-li k odlehˇcen´ı ˇcinné i jalové zátˇeˇze. K odlehˇcen´ı tedy docház´ı pˇri zkratech. Dále k napˇet’ovému pˇret´ıˇzen´ı m˚ uˇze doj´ıt pˇri zvýˇsen´ı otáˇcek ˇci pˇri selhán´ı buzen´ı generátoru. Pˇri tomto druhu poruchy m˚ uˇze doj´ıt s nejvˇetˇs´ı pravdˇepodobnost´ı i k následnému zemn´ımu spojen´ı nebo zkratu. Aby se tak nestalo, chrán´ı generátor napˇet’ová ochrana. Tato ochrana nechrán´ı proti napˇet’ovým ráz˚ um pouze generátor, ale i blokový transformátor. Turbogenerátory se chrán´ı za pomoci jednostupˇ nové ochrany s ˇcasovˇe nezávislou charakteristikou. Pro nastaven´ı této ochrany bychom mˇeli vypoˇc´ıtat rozbˇehové napˇet´ı U2R podle n´ıˇze uvedeného vztahu. U2R =

k Un kU

(3)

Kde k – konstanta dovoleného pˇrepˇet´ı kU – napˇet’ový pˇrevod PTN (U1N /U2N ) Un – jmenovité sdruˇzené napˇet´ı generátoru Konstanta k, která udává dovolené pˇret´ıˇzen´ı, by mˇela být uvedena výrobcem spolu s ˇcasovým nastaven´ım. Generátor je dimenzován pouze na krátkodobé pˇret´ıˇzen´ı. To znamená, ˇze by ochrana mˇela zap˚ usobit co nejdˇr´ıve, aby nedoˇslo k poˇskozen´ı izolace generátoru. Napˇet’ové pˇret´ıˇzen´ı by mˇelo regulovat buzen´ı generátoru, nestane-li

7


Jan Marˇsal

2014

se tak, mus´ı zap˚ usobit napˇet’ová ochrana. Pro turbogenerátory plat´ı, ˇze hodnota napˇet´ı ˇcin´ı 110% jmenovitého napˇet´ı. Napˇet’ové ochrany mˇeˇr´ı sdruˇzené napˇet´ı za pomoci PTN. Tyto PTN by vˇsak mˇely být jiné neˇz PTN pro regulátor buzen´ı. T´ımto zaruˇc´ıme vzájemné zálohován´ı obou zaˇr´ızen´ı. Napˇet’ová ochrana tedy tvoˇr´ı i zálohu pro regulátor otáˇcek turb´ıny. Takto zajist´ıme i ochranu samotné turb´ıny prostˇrednictv´ım výstupu ochrany, která p˚ usob´ı na rychlé odbuzen´ı generátoru, rychlouzávˇer turb´ıny a výkonový vyp´ınaˇc.[1] 1.1.3

Vnitˇ rn´ı zkraty v gener´ atoru

Mezi vnitˇrn´ı zkraty ˇrad´ıme r˚ uzné druhy mezifázových zkrat˚ u a dvoufázové zemn´ı spojen´ı statoru. Vnitˇrn´ı zkrat generátoru je v˚ ubec nejhorˇs´ı moˇzná porucha, a proto mus´ı ochrana správnˇe rozpoznat tento druh poruchy a bˇehem okamˇziku zap˚ usobit. Pro chránˇen´ı proti vnitˇrn´ım zkrat˚ um se pouˇz´ıvá rozd´ılová (diferenciáln´ı) ochrana. Na obrázku 1. je znázornˇeno jej´ı jednofázové schéma zapojen´ı.

Obrázek 1: Jednofázové schéma principu ˇcinnosti rozd´ılové ochrany [1] Uˇz z názvu ochrany vyplývá, ˇze tato ochrana porovnává dva druhy hodnot, v naˇsem pˇr´ıpadˇe proudy. Proto je vybavená dvˇema PTP, mezi kterými se nacház´ı chránˇený objekt. V pˇr´ıˇcné vˇetvi se nacház´ı n´ızko impedanˇcn´ı proudové relé, které je nastaveno na rozbˇehový proud I0 . V bezporuchovém stavu pˇres toto relé neprotéká ˇzádný proud, protoˇze plat´ı rovnost proud˚ u i1 a i2 , plat´ı tedy následuj´ıc´ı vztah. ∆i = i1 − i2 = 0

(4)

Dojde-li ke vnitˇrn´ı poruˇse (v obrázku znaˇcená F2 ), zaˇcne pˇres relé protékat vyrovnávac´ı proud, který bude roven: ∆i = i1 + i2

8

(5)


i

Jan Marˇsal

i=i1+i2

i≠0 I0

A

B

in i2

i2n

Obrázek 2: Pr˚ ubˇehy proudu v základn´ım uspoˇrádán´ı rozd´ılové ochrany [1] V praxi se takto jednoduchá ochrana nedá pouˇz´ıt. Rozd´ılová ochrana nesm´ı zap˚ usobit pˇri bl´ızkých vnˇejˇs´ıch zkratech. Nejnepˇr´ıznivˇejˇs´ı m´ısto odpov´ıdaj´ıc´ı pˇredeˇslé podm´ınce je tˇesnˇe za druhým PTP (v obrázku 1. je toto m´ısto znaˇceno F1 ). Na obrázku 2. je tato situace názornˇe vidˇet. Nastane-li vnitˇrn´ı porucha F2 , dojde k prudkému zvýˇsen´ı rozd´ılu proudu a ochrana v bodˇe A zareaguje. Tato situace se ovˇsem taktéˇz stane i v pˇr´ıpadˇe, bude-li se jednat o dˇr´ıve zm´ınˇený bl´ızký zkrat F1 , kdy ochrana zareaguje v bodˇe B. Tento jev je neˇzádouc´ı a chceme-li eliminovat chybné zareagován´ı ochrany, mus´ıme zabezpeˇcit následuj´ıc´ı tˇri podm´ınky: 1. Proudy procházej´ıc´ı sekundárn´ı stranou PTP musej´ı m´ıt stejnou velikost a fázi. 2. Pouˇzité PTP musej´ı m´ıt stejný nadproudový ˇcinitel. 3. Pouˇzité PTP se nesm´ı pˇresycovat jednosmˇernou sloˇzkou pˇri pˇrechodových dˇej´ıch. Prvn´ı podm´ınce m˚ uˇzeme vyhovˇet bez u ´ pravy ochrany z toho d˚ uvodu, ˇze primárn´ı proudy jsou stejné. Bohuˇzel u podm´ınek 2. a 3. se jiˇz bez u ´ prav neobejdeme. Stejného nadproudového ˇcinitele dosáhneme t´ım, ˇze PTP zat´ıˇz´ıme stejnou zátˇeˇz´ı a dále mus´ıme pouˇz´ıt speciáln´ı PTP pro rychlé ochrany. Schéma po tˇechto u ´ pravách bude vypadat následovnˇe:

9

2014


Jan Marˇsal

Obrázek 3: Jednofázové schéma principu ˇcinnosti rozd´ılové ochrany s kompenzac´ı [1] Výsledná charakteristika ochrany bude vypadat jako na obrázku 4., kdy za pomoci sniˇzovac´ıho faktoru k dosáhneme zmˇeny sklonu (smˇernice) pˇr´ımky a t´ım zabrán´ıme zareagován´ı ochrany v bodˇe B. Δ k=0,4 k=0,3 k=0,2 k=0,1 k=0

I0 Δn

B Δ 0 Δ i2

2n

Obrázek 4: Pr˚ ubˇehy proudu v základn´ım uspoˇrádán´ı rozd´ılové ochrany [1] V dneˇsn´ı dobˇe digitáln´ıch ochran se výsledná vyp´ınac´ı charakteristika rozd´ılové ochrany ustálila na podobˇe, kterou m˚ uˇzeme vidˇet na obrázku 5. Je patrné, ˇze jde o spojen´ı dvou pˇredchoz´ıch charakteristik. Charakteristika se modeluje za pomoci nastaven´ı následuj´ıc´ıch parametr˚ u: Is1 , Is2 , k1 a k2 . Pˇri výpoˇctu nastaven´ı ochrany je potˇreba brát v potaz stavy pˇri maximáln´ım zat´ıˇzen´ı generátoru.[1]

10

2014


Jan Marˇsal

k2

k1 ∑

Obrázek 5: Vyp´ınac´ı charakteristika digitáln´ı rozd´ılové ochrany [1] 1.1.4

Zemn´ı spojen´ı ve statoru gener´ atoru

K jednofázovému zemn´ımu spojen´ı docház´ı ve statoru generátoru v pˇr´ıpadˇe, ˇze dojde k poruˇsen´ı izolace mezi vodiˇci statorového vinut´ı a kostry stroje. Dojde-li k jednofázovému zemn´ımu spojen´ı, objev´ı se na uzlu, který má obyˇcejnˇe v˚ uˇci zemi nulové napˇet´ı, napˇet´ı, které bude závislé na m´ıstˇe vzniku tohoto zemn´ıho spojen´ı. Samotné zemn´ı spojen´ı nen´ı aˇz tak nebezpeˇcné jako zkrat, nicménˇe i tak mus´ı doj´ıt k jeho vˇcasnému identifikován´ı a následnému zap˚ usoben´ı ochran.[1] 1.1.5

Zemn´ı spojen´ı v rotoru gener´ atoru

Zemn´ı spojen´ı je ˇcastˇejˇs´ı u rotoru, a to z jednoho prostého d˚ uvodu. Rotor turbogenerátoru je totiˇz rychle otáˇcej´ıc´ı se ˇcást stroje, coˇz vede k faktu, ˇze na rotor synchronn´ıho generátoru p˚ usob´ı velké odstˇredivé s´ıly. Tyto odstˇredivé s´ıly mohou m´ıt za následek poˇskozen´ı izolace jednotlivých vodiˇc˚ u v dráˇzkách rotoru, a t´ım zp˚ usobit zemn´ı spojen´ı. Pˇri chránˇen´ı turbogenerátor˚ u mus´ıme brát v potaz, zdali se jedná o jedno ˇci dvojité zemn´ı spojen´ı. Jedno zemn´ı spojen´ı totiˇz nen´ı pro stroj nebezpeˇcné, a proto se pouze signalizuje. Dvojité zemn´ı spojen´ı pˇrestavuje zkrat v bud´ıc´ım vinut´ı rotoru. Pˇri tomto druhu poruchy dojde k poruˇsen´ı magnetické symetrie stroje, coˇz by vedlo k p˚ usoben´ı rozd´ılných sil na rotor a potenciáln´ı havárii generátoru. Zjednoduˇsené schéma zp˚ usobu chránˇen´ı proti tomuto typu poruchy je uvedeno na obrázku 6. Z obrázku je patrné, ˇze transformátor Tr se stará o zdroj stˇr´ıdavého napˇet´ı, které je kl´ıˇcové pro správnou funkci ochrany. Dále jsou ve schématu zaˇrazeny dva kondenzátory C1 , C0 a stˇr´ıdavé proudové relé A. K oddˇelen´ı pomocného stˇr´ıdavého 11

2014


Jan Marˇsal

Obrázek 6: Zemn´ı spojen´ı v rotoru generátoru [1] obvodu od stejnosmˇerného obvodu buzen´ı je zde pouˇzit kondenzátor C0 . Paralelnˇe k proudovému relé je pˇripojen kondenzátor C1 , který zajiˇst’uje necitlivost ochrany na vyˇsˇs´ı harmonické vznikaj´ıc´ı v rotorovém obvodu. Jakmile vznikne zemn´ı spojen´ı, uzavˇre se pˇres zem obvod pomocného stˇr´ıdavého proudu a dojde k signalizaci zemn´ıho spojen´ı.[1] 1.1.6

Nesymetrick´ e proudov´ e zat´ıˇ zen´ı gener´ atoru

Za normáln´ıho stavu jsou fázory proudu a napˇet´ı symetrické. Jakmile zat´ıˇz´ıme generátor takovým zp˚ usobem, ˇze jednotlivými fázemi statoru budou protékat r˚ uzné proudy, bude vlivem rozd´ılných proud˚ u vznikat zpˇetná sloˇzka statorového proudu a t´ım i magnetického pole. Tato sloˇzka zp˚ usob´ı v tlumiˇci a masivn´ıch ˇcástech rotoru vznik v´ıˇrivých proud˚ u a ty zp˚ usob´ı ne´ unosné zvýˇsen´ı ztrát v´ıˇrivými proudy a t´ım i teploty. Jedna z ochran proti nesymetrickému zat´ıˇzen´ı vyuˇz´ıvá mˇeˇren´ı velikosti a doby trván´ı výˇse zm´ınˇené zpˇetné sloˇzky statorového proudu. Blokové schéma ochrany je znázornˇeno na obrázku 7.

Obrázek 7: Blokové schéma ochrany pro nesymetrické proudové zat´ıˇzen´ı [1] Kde A – filtr zpˇetné sloˇzky proudu statoru B – filtr proudu s frekvenc´ı 50Hz C – mˇeˇr´ıc´ı ˇcást proudu D – ˇcasové a pomocné relé

12

2014


Jan Marˇsal

Blok B má za u ´ kol zajiˇstˇen´ı pˇresnosti mˇeˇren´ı t´ım, ˇze odfiltrovává vyˇsˇs´ı harmonické. Samotné mˇeˇren´ı je realizováno d´ıky rozbˇehovým nadproudovým relé, které svým výstupem p˚ usob´ı na ˇcasové ˇclánky. Vhodným nastaven´ım proud˚ u a ˇcas˚ u se pˇribl´ıˇz´ıme oteplovac´ı charakteristice stroje. Pro digitáln´ı ochrany vypadá charakteristika ochrany následovnˇe.[1]

Obrázek 8: Vyp´ınac´ı charakteristika digitáln´ı ochrany pro nesymetrické zat´ıˇzen´ı [1]

1.1.7

Ztr´ ata buzen´ı

Ze vzorce je moˇzné vypozorovat, ˇze ztráta buzen´ı, pokles napˇet´ı s´ıtˇe ˇci nár˚ ust reaktance zp˚ usob´ı pokles amplitudy pˇrenáˇseného výkonu. Stoj tedy nen´ı schopen pˇrevést elektrický výkon odpov´ıdaj´ıc´ı mechanickému výkonu dodávanému turb´ınou. Tato událost m˚ uˇze m´ıt za následek ztrátu stability a t´ım pádem pˇrechod do asynchronn´ıho chodu. Na obrázku je znázornˇena stabilita synchronn´ıho generátoru, pˇriˇcemˇz je vidˇet, ˇze jakmile zátˇeˇzný u ´ hel pˇrekroˇc´ı hodnotu π/2 rad, stroj pˇrecház´ı do asynchronn´ıho reˇzimu. EUS PE = sinδ (6) X Kde PE – pˇrenáˇsený výkon E – elektromotorické napˇet´ı US – napˇet´ı soustavy X – celková reaktance δ – zátˇeˇzný u ´ hel

13

2014


Jan Marˇsal

2014

Obrázek 9: Statická stabilita synchronn´ıho generátoru [2] Synchronn´ı generátor m˚ uˇze tedy pˇrej´ıt do asynchronn´ıho chodu ze tˇr´ı následuj´ıc´ıch d˚ uvod˚ u: • Ztráta buzen´ı (skokový pokles vnitˇrn´ıho elektromotorického napˇet´ı stroje E) • Vlivem poruchy pˇrenosové s´ıtˇe (napˇr. výpadek veden´ı zp˚ usob´ı nár˚ ust reaktance X) • Zvyˇsován´ı pˇrenáˇsených výkon˚ u pˇri nezmˇenˇených parametrech s´ıtˇe (pˇrekroˇcen´ı zátˇeˇzného u ´ hlu δ nad hodnotu π/2)

Pˇri ztrátˇe buzen´ı nezvládá bud´ıc´ı vinut´ı synchronn´ıho generátoru dodávat dostatek jalového výkonu potˇrebného k magnetizaci stroje a ten si proto potˇrebný jalový výkon odeb´ırá ze s´ıtˇe. D˚ usledkem toho je poklesnut´ı dodávky jalové energie do s´ıtˇe. Odbˇer magnetizaˇcn´ıho proudu ze s´ıtˇe taktéˇz zp˚ usob´ı zvýˇsen´ı proudu procházej´ıc´ıho statorovým vinut´ım aˇz nad hodnotu proudu jmenovitého. Dle vzorce 6. docház´ı k poklesu ˇcinného výkonu, coˇz zp˚ usobuje rázy, které namáhaj´ı základy soustroj´ı a sniˇzuj´ı tak jeho ˇzivotnost. Docház´ı taktéˇz ke zvýˇsen´ı otáˇcek stroje vlivem turb´ıny, která dodává stále stejný výkon. Jeden ze zp˚ usob˚ u ochrany proti pˇrechodu generátoru do asynchronn´ıho chodu je tzv. otáˇcková regulace. Ochrana zap˚ usob´ı, jestliˇze otáˇcky vyboˇc´ı ze stanovených mez´ı, avˇsak tento zp˚ usob ochrany je nedostaˇcuj´ıc´ı k razantn´ımu sn´ıˇzen´ı výkonu turb´ıny. Z tohoto d˚ uvodu jsou v dneˇsn´ı dobˇe turb´ıny vybaveny akceleraˇcn´ım relé, které pˇri nár˚ ustu zrychlen´ı nad nastavenou mez vydá signál k rychlému zav´ırán´ı ventil˚ u turb´ıny. T´ımto se doc´ıl´ı razantn´ıho sn´ıˇzen´ı výkonu turb´ıny a umoˇzn´ı se tak resynchronizace generátoru. 14


Jan Marˇsal

2014

Ochrany proti ztrátˇe synchronizace a ztrátˇe buzen´ı maj´ı v impedanˇcn´ı rovinˇe podobu kruˇznic viz Obrázek 10. Kruˇznice ochrany proti ztrátˇe synchronismu má polomˇer o velikosti reaktance blokového transformátoru a poloviny pˇrechodové reaktance. Ochrana proti ztrátˇe buzen´ı je modelována kruˇznic´ı, jej´ıˇz stˇred je posunut v záporném smyslu osy X o hodnotu synchronn´ı a poloviny pˇrechodové reaktance. Samotná kruˇznice má polomˇer odpov´ıdaj´ıc´ı synchronn´ı reaktanci.[2]

Obrázek 10: Znázornˇen´ı ochrany proti ztrátˇe buzen´ı v impedanˇcn´ı rovinˇe [2]

1.1.8

Samobuzen´ı

Problematika samobuzen´ı vystává v pˇr´ıpadˇe, jestliˇze generátor pracuje do s´ıtˇe s velkým kapacitn´ım charakterem, jako je napˇr´ıklad dlouhé veden´ı provozované naprázdno. V tomto pˇr´ıpadˇe docház´ı ke vzr˚ ustu svorkového napˇet´ı na generátoru aˇz na hodnotu, která je urˇcena následuj´ıc´ım vztahem: UG = E

XC XC − Xl

Kde E – elektromotorické napˇet´ı XC – výsledná pˇr´ıˇcná sloˇzka reaktance XL – výsledná podélná sloˇzka reaktance

15

(7)


Jan Marˇsal

K samobuzen´ı generátoru docház´ı za podm´ınky rovnosti pˇr´ıˇcné a podélné sloˇzky reaktance veden´ı. Teoreticky by napˇet´ı na generátoru mohlo r˚ ust aˇz do nekoneˇcna, ale prakticky je jeho maximáln´ı hodnota omezena sycen´ım magnetických obvod˚ u. Jelikoˇz se v souˇcasné dobˇe zkracuj´ı délky jednotlivých veden´ı a na regulaci napˇet´ı pˇri zap´ınán´ı veden´ı naprázdno se pouˇz´ıvaj´ı kompenzaˇcn´ı tlumivky, odpadá potˇreba pouˇz´ıvat speciáln´ı ochrany a staˇc´ı ochrana proti pˇrepˇet´ı.[1] 1.1.9

Loˇ ziskov´ e proudy

Loˇziskové proudy negativnˇe ovlivˇ nuj´ı zejména samotná loˇziska. Procház´ı-li loˇzisky elektrický proud, m˚ uˇze jim zp˚ usobit velké ˇskody (mikrokrátery na obˇeˇzné dráze, roztaven´ı kovového povrchu a poˇskozen´ı maziva). Tyto následky se zaˇcnou projevovat vˇetˇs´ı hluˇcnost´ı loˇzisek, vibracemi, znehodnocen´ım maziva, zahˇr´ıván´ım loˇzisek a následným zkrácen´ım celkové ˇzivotnosti jednotlivých loˇzisek. Vlivem nesymetrie magnetického toku v okol´ı hˇr´ıdele se indukuje do samotné hˇr´ıdele napˇet´ı, které m˚ uˇze dosáhnout aˇz nˇekolika volt˚ u. Toto napˇet´ı zp˚ usob´ı pr˚ uchod elektrického proudu právˇe pˇres loˇziska generátoru. V dneˇsn´ı dobˇe se pouˇz´ıvaj´ı loˇziska s izolovanou pánv´ı. Loˇzisková ochrana je zapojena mezi hˇr´ıdel a zem a má za u ´ kol kontrolovat neporuˇsen´ı izolace loˇzisek.[1]

1.2

Ochrana velk´ ych gener´ ator˚ u

Velké výrobn´ı bloky, jakým je napˇr´ıklad JE Temel´ın, maj´ı pro elektrizaˇcn´ı soustavu d˚ uleˇzitý význam. Jsou provozovány v takzvaném základn´ım pásu výroby elektrické energie, nesou základn´ı zátˇeˇz a jsou tedy garantem stability energetické soustavy. Velké a stˇredn´ı elektrárny jsou provozovány v takzvaném blokovém uspoˇrádán´ı. To znamená, ˇze u tohoto typu uspoˇrádán´ı je generátor pˇripojen do vyˇsˇs´ı napˇet’ové hladiny (elektrizaˇcn´ı soustavy) prostˇrednictv´ım blokového transformátoru, který taktéˇz zajiˇst’uje galvanické oddˇelen´ı systém˚ u. [3] Celkovou koncepci chránˇen´ı elektrárenských blok˚ u m˚ uˇzeme rozdˇelit do tˇr´ı bod˚ u: • Koncepce redundance • Vyp´ınac´ı matice • Rozsah ochranných funkc´ı

16

2014

Systém elektrických ochran generátorového bloku 1.2.1

Jan Marˇsal

Koncepce redundance

Pojem redundance, tedy nadbyteˇcnost, souvis´ı se systémem zálohován´ı ochran a ochranných funkc´ı. Vˇetˇsinou se v tomto oboru snaˇz´ıme pˇrizp˚ usobit pravidlu n-1, coˇz znamená, ˇze výpadek jednoho komponentu nebude m´ıt za následek výpadek celku. Napˇr´ıklad výpadek jedné ochrany nebude m´ıt za následek výpadek celého elektrárenského bloku ze soustavy. Je vˇsak zˇrejmé, ˇze tohoto pravidla nen´ı moˇzné vyuˇz´ıt vˇzdy. Zvláˇstˇe u menˇs´ıch a ménˇe významných zdroj˚ u bychom mˇeli naj´ıt rovnováhu mezi redundanc´ı a náklady. Rozliˇsujeme tedy dva zp˚ usoby redundance: ˇ asteˇ • C´ cn´ a redundance Tento zp˚ usob zaruˇcuje nasazen´ı alespoˇ n dvou ochran, pˇriˇcemˇz jsou ochrany a jejich funkce zvoleny tak, aby výpadek jednoho pˇr´ıstroje nezp˚ usobil výpadek celého stroje. Chod stroje bude tedy i na dále moˇzný, ale bude omezen nˇekterými parametry. Na následuj´ıc´ım obrázku 11. je znázornˇen základn´ı pˇr´ıklad zapojen´ı ochran v ˇcásteˇcné redundanci. Z obrázku je patrné, ˇze se ochrany napˇr´ıklad pˇripojuj´ı na tytéˇz mˇeˇr´ıc´ı transformátory.

Ochrana A

Ochrana B

Obrázek 11: Pˇr´ıklad ˇcásteˇcné redundance [3] ´ • Upln´ a redundance

Pˇri tomto pojet´ı redundance vycház´ıme ze zdvojen´ı systému nebo alespoˇ n jeho kl´ıˇcových komponent˚ u. Prvn´ıho rozd´ılu si m˚ uˇzeme vˇsimnout mezi obrázky 11. a 12. Je zde vidˇet zdvojen´ı mˇeˇr´ıc´ıch transformátor˚ u (popˇr´ıpadˇe jader transformátor˚ u). Dalˇs´ım rozd´ılem je vyuˇzit´ı oddˇelené stejnosmˇerné cesty k vyp´ınaˇci se dvˇema vyp´ınac´ımi c´ıvkami. Na obrázku nen´ı vidˇet to, ˇze v ochranách mohou být pouˇzity zdvojené ochranné funkce s r˚ uznými principy mˇeˇren´ı. Typickými pˇr´ıklady jsou ochranné funkce pro zemn´ı spojen´ı a zkratové ochrany.[3] 17

2014

Systém elektrických ochran generátorového bloku Skupina ochran A

Jan Marˇsal Skupina ochran B

Ochrana A

Ochrana B

Obrázek 12: Pˇr´ıklad u ´ plné redundance [3] 1.2.2

Vyp´ınac´ı matice

Vyp´ınac´ı matice znázorˇ nuje vyp´ınac´ı funkce ochrany a uplatˇ nuje se pro lepˇs´ı pˇredstavu o vyp´ınac´ım rozsahu dané funkce. Rozd´ılné ochranné funkce mohou ovládat r˚ uzné akˇcn´ı ˇcleny (vyp´ınac´ı prvky). Napˇr´ıklad jedna ochranná funkce m˚ uˇze p˚ usobit na nˇekolik akˇcn´ıch ˇclen˚ u. Pro lepˇs´ı pˇredstavu je na obrázku 13. znázornˇen ukázkový

Ochranné funkce

pˇr´ıklad vyp´ınac´ı matice.[3]

Obrázek 13: Vyp´ınac´ı matice [3] Horizontáln´ı linky oznaˇcuj´ı jednotlivé ochranné funkce jako jsou napˇr´ıklad: nadproudová ochrana, nesymetrie, rozd´ılová ochrana a jiné. Vertikáln´ı linky pˇredstavuj´ı vyp´ınaˇce. Pro pˇr´ıklad si m˚ uˇzeme namátkou vybrat: generátorový vyp´ınaˇc, odbzovaˇc generátoru, odbuzovaˇc bud´ıc´ıho alternátoru nebo vyp´ınaˇc 400 kV linky, která se pouˇz´ıvá k vyveden´ı výkonu z elektrárny.

18

2014

Systém elektrických ochran generátorového bloku 1.2.3

Jan Marˇsal

2014

Rozsah ochrann´ ych funkc´ı

K tomu, abychom bezpeˇcnˇe chránili daný stroj, je potˇreba velké mnoˇzstv´ı ochranných funkc´ı. Jejich rozsah a kombinace je ovlivnˇen nˇekolika následuj´ıc´ımi faktory: • Velikost stroje • Zp˚ usob provozu • Uspoˇrádán´ı rozvodny • Poˇzadavky na zálohován´ı V následuj´ıc´ı tabulce 1. jsou pˇrehlednˇe uvedeny potˇrebné doporuˇcené ochranné funkce v závislosti na velikosti jmenovitého výkonu turbogenerátoru. Ochranná funkce Zemn´ı ochrana statoru 90% Zemn´ı ochrana statoru 100% Rozd´ılová ochrana Nadproudová ochrana Impedanˇcn´ı ochrana Zemn´ı ochrana rotoru Ochrana proti nesymetrii Ochrana proti podbuzen´ı Ochrana proti vnˇejˇs´ı poruˇse Ochrana proti pˇret´ıˇzen´ı statoru Ochrana proti pˇret´ıˇzen´ı rotoru Pˇrepˇet’ová ochrana Frekvenˇcn´ı ochrana f> Frekvenˇcn´ı ochrana f< Zpˇetnˇe wattová ochrana Ochrana proti pˇrebuzen´ı

Jmenovitý výkon generátoru 5-20 MW 50-200 MW >200 MW • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Tabulka 1: Doporuˇcené ochranné funkce dle jmenovitého výkonu generátoru [3]

Vezmeme-li v potaz redundanci, m˚ uˇzeme vytvoˇrit dvˇe skupiny ochran, v nichˇz budou zastoupeny výˇse zm´ınˇené ochranné funkce. Výsledné uspoˇrádán´ı ochranných funkc´ı do skupin m˚ uˇze být následovné.

19

Systém elektrických ochran generátorového bloku Skupina ochran A Zemn´ı spojen´ı statoru 100% Rozd´ılová ochrana Impedanˇcn´ı Zemn´ı spojen´ı rotoru Nesymetrická zátˇeˇz Podbuzen´ı Pˇrepˇet´ı Frekvence >< Zpˇetný výkon Pˇrebuzen´ı

Jan Marˇsal

Skupina ochran B Zemn´ı spojen´ı statoru 90% Rozd´ılová ochrana (jako bloková ochrana) Impedanˇcn´ı Nesymetrická zátˇeˇz Podbuzen´ı Vnˇejˇs´ı porucha Pˇret´ıˇzen´ı statoru Pˇrepˇet´ı Frekvence >< Zpˇetný výkon Pˇrebuzen´ı

Tabulka 2: Volba ochranných funkc´ı pro redundantn´ı koncepci [3]

1.3

Souˇ casn´ a ochrana v JE Temel´ın

V souˇcasné dobˇe je na obou bloc´ıch JE Temel´ın pouˇzita ochrana výrobce ABB s katalogovým oznaˇcen´ım REG 216. Jedná se o generátorovou ochranu chrán´ıc´ı taktéˇz blokový transformátor a veden´ı. Parametry generátoru jsou uvedeny v tabulce 4. Tento soubor ochran byl pouˇzit nam´ısto zastarávaj´ıc´ıho a jiˇz nedostaˇcuj´ıc´ıho souboru GTX. Tato ochrana byla vybrána, protoˇze byla jiˇz dˇr´ıve u ´ spˇeˇsnˇe pouˇzita na ochranu generátorových blok˚ u v r˚ uzných typech elektráren s rozliˇcným výkonem. D´ıky takto ˇsiroké mase koncových zákazn´ık˚ u byla na základˇe jejich poˇzadavk˚ u zlepˇsována aˇz na dneˇsn´ı u ´ roveˇ n. Samotná ochrana je navrˇzena na chránˇen´ı rozliˇcných výkon˚ u. Jej´ı modulárn´ı hardware a design softwaru umoˇzn ˇ uje, jak je to v dneˇsn´ı dobˇe na poli ochran bˇeˇzné, vysokou flexibilitu instalace a samotných moˇznost´ı ochrany. Této flexibility je dosaˇzeno za pomoci kombinace softwarových knihoven a hardwarových modul˚ u. To zákazn´ıkovi umoˇzn ˇ uje sestavit si ochranu pˇr´ımo na m´ıru danému generátoru, dosáhnout cenovˇe pˇrijatelné hranice a v neposledn´ı ˇradˇe taktéˇz jistotu, ˇze v pˇr´ıpadˇe provádˇen´ı optimalizace provozu ˇci retorfitu nebude potˇreba pˇr´ıliˇsného zasahován´ı do ochrany samotné. Hlavn´ı výhody REG216: 1. Spolehlivost Porucha jedné ochrany by nemˇela m´ıt za následek odstaven´ı generátoru od s´ıtˇe.

20

2014


Jan Marˇsal

2014

2. Rozs´ ahl´ a knihovna softwarov´ ych funkc´ı Systém REG 216 zahrnuje rozsáhlou knihovnu funkc´ı, s jejichˇz pomoc´ı m˚ uˇzeme chránit generátor pˇred jakýmikoliv druhy poruch. Vybranou funkci m˚ uˇzeme pouˇz´ıt jednou nebo opakovanˇe a zároveˇ n kaˇzdou funkci m˚ uˇzeme propojit s extern´ımi vstupy. 3. Nashrom´ aˇ zdˇ en´ e zkuˇ senosti Prostˇrednictv´ım nashromáˇzdˇených záznam˚ u poruch z jednotlivých ochran. 4. Redundance Zálohován´ı ochrany druhou ochranou, aby v pˇr´ıpadˇe poruchy jedné nebyl odstaven generátor. Tzn. dvˇe na sobˇe nezávislé ochranné funkce ve dvou hardwarových skupinách. 5. Modul´ arn´ı HW a SW Moˇznosti pˇrikoupen´ı blok˚ u HW a SW, které rozˇs´ıˇr´ı ochranu o pˇr´ısluˇsné funkce. 6. Vlastn´ı sledov´ an´ı funkc´ı Funkce zodpovˇedná za monitorován´ı a zaznamenáván´ı parametr˚ u nejen bˇehem poruchy. Informace ze systémové diagnostiky je k dispozici prostˇrednictv´ım sériového rozhran´ı. 7. Uˇ zivatelsky pˇ r´ıvˇ etiv´ e HMI Human Machine Interface zabezpeˇcuje pohodlné a pˇrehledné nastavován´ı ochranných funkc´ı prostˇrednictv´ım pˇrenosného PC. 8. Komunikace s ochranou Komunikace s ochranou m˚ uˇze být provedena lokálnˇe nebo vzdálenˇe. Vzdálené pˇripojen´ı PC k ochranˇe za u ´ˇcelem diagnostiky ˇci testován´ı je realizováno prostˇrednictv´ım modemu. Celkovˇe se ochrana REG 216 m˚ uˇze povaˇzovat za standard i v dneˇsn´ı dobˇe, a to zejména d´ıky jej´ı vysoké flexibilitˇe a funkˇcnosti. Softwarový bal´ıˇcek obsahuje dˇr´ıve zm´ınˇenou knihovnu ochranných funkc´ı, ale také mˇeˇr´ıc´ıch a monitorovac´ıch funkc´ı. Ochranné funkce jsou vypsané v tabulce 3 s pˇr´ısluˇsnými kódy dle ANSI/IEE standardu C37.2. Mezi monitorovac´ı funkce m˚ uˇzeme namátkou zaˇradit: • Záznam událost´ı • Záznam poruch • Mˇeˇr´ıc´ı funkce proudu, napˇet´ı a frekvence • Synchrocheck • Flip-Flop, ˇcasovaˇc, integrátor 21


Jan Marˇsal

Human Machine Interface zabezpeˇcuje pohodlnou obsluhu, testován´ı a mˇeˇren´ı veliˇcin. Programován´ı funkc´ı m˚ uˇze být uskuteˇcnˇeno jak v on-line, tak v off-line reˇzimu. Aktivace jednotlivých ochranných funkc´ı, at’ uˇz generátorových ˇci transformátorových, je provádˇena z knihovny pomoc´ı technologie drag and drop“. V roz” hran´ı je také moˇzné zobrazit charakteristiky ochrany s adekvátn´ımi nastavenými parametry. V tˇechto charakteristikách lze zobrazit aktuálnˇe mˇeˇrené hodnoty veliˇcin.[4] oznaˇcen´ı 51 49 59 27 87G 87T 81 32 87N 59N 64S 64R 49S 49R 46 24 21 40 78/21 60

Ochranná fukce Nadproudová ochrana s ˇcasovým zpoˇzdˇen´ım Tepelná ochrana Nadpˇet’ová ochrana Podpˇet’ová ochrana Rozd´ılová ochrana (generátor) Rozd´ılová ochrana (transformátor) Frekvenˇcn´ı ochrana Zpˇetnˇe wattová ochrana Rozd´ılová ochrana (nulového bodu) Nadpˇet’ová ochrana (nulového bodu) Zemn´ı ochrana Zemn´ı ochrana Tepelná ochrana (synchronizace) Tepelná ochrana (tlumivky) Ochrana pˇri proudové nesymterii Napˇet´ı/frekvence Distanˇcn´ı ochrana Ochrana pˇri ztrátˇe buzen´ı, podbuzen´ı Balanˇcn´ı napˇet’ová nebo proudová ochrana

Tabulka 3: Kódové znaˇcen´ı ochranných funkc´ı dle ANSI/IEE [4]

22

2014


2

Jan Marˇsal

Provozn´ı a poruchov´ e stavy turbogener´ atoru

JE Temel´ın Turbogenerátor JE Temel´ın TG 1000 MW je v elektrárnˇe situován ve strojovnˇe HVB na podlaˇz´ı +15m. TG 1000 MW je proveden jako trojfázový synchronn´ı stroj o nomináln´ım zdánlivém výkonu 1111 MVA, který je chlazený kombinac´ı chladiv demivoda - vod´ık. Jmenovité provozn´ı napˇet´ı je rovno 24 kV, jmenovité otáˇcky pro dvojpólový stroj ˇcinn´ı 3000 ot/min a u ´ˇcin´ık dosahuje hodnoty 0,9. Dalˇs´ı parametry TG 1000 MW jsou uvedeny v tabulce 4. ˇ y výkon Cinn´ Zdánlivý výkon ´ cin´ık Uˇ Jmenovité napˇet´ı Jmenovité otáˇcky Jmenovitý kmitoˇcet Jmenovitý proud statoru Jmenovité bud´ıc´ı napˇet´ı Jmenovitý bud´ıc´ı proud

1000 MW 1111 MVA 0,9 24 kV 3000 ot/min 50 Hz 26,73 kA 505 Vss 7120 A

Tabulka 4: Okamˇzité mˇeˇrené parametry TG 1000 MW [6]

Stator Stator turbogenerátoru je sloˇzen ze dvou vzájemnˇe odpruˇzených koster (vnitˇrn´ı a vnˇejˇs´ı). Vnitˇrn´ı kostra je tvoˇrena z magneticky orientovaných statorových plech˚ u, ze kterých je tvoˇren magnetický obvod stroje. Statorové vinut´ı je uloˇzeno v dráˇzkách na vnitˇrn´ı stranˇe magnetického obvodu, na vnˇejˇs´ı stranˇe je magnetický obvod staˇzen ˇ ocelovými deskami. Cela statorového vinut´ı jsou spolu s magnetickým obvodem chlazeny vod´ıkem. Tˇr´ıfázové statorové vinut´ı je tvoˇreno tˇremi c´ıvkami (kaˇzdá c´ıvka je tvoˇrena dvˇema paraleln´ımi vˇetvemi) vzájemnˇe pootoˇcenými v prostoru o 120◦. Duté mˇedˇené statorové vinut´ı má ˇsest konc˚ u, z nichˇz jsou tˇri vyvedeny a spojeny do uzlu takzvanou nulovou spojkou a zbylé tˇri konce (fázové vývody) jsou vyvedeny skrze plynotˇesné pr˚ uchodky, které jsou stejnˇe jako nulová spojka a statorové vinut´ı chlazeny demivodou.[5]

23

2014


Jan Marˇsal

2014

Rotor Rotor je tvoˇren jednod´ılným výkovkem z chrom-nikl-molybden-vanadiové oceli, v n´ıˇz jsou klasicky vyfrézovány dráˇzky pro rotorové vinut´ı. Rotorové vinut´ı je tvoˇreno mˇedˇenými vodiˇci obdéln´ıkového pr˚ uˇrezu s eliptickou dutinou, která zabezpeˇcuje jeho chlazen´ı d´ıky pˇretlakovanému vod´ıku. Vodiˇce jsou do dráˇzek vlisovány a proti pohybu zabezpeˇceny bronzovými kl´ıny. Bud´ıc´ı proud je do rotoru pˇriveden prostˇrednictv´ım sbˇerac´ıho u ´ stroj´ı, které je tvoˇreno ˇctyˇrmi krouˇzky a kartáˇci.[5] Bud´ıc´ı souprava Bud´ıc´ı soustava zajiˇst’uje nezávislé buzen´ı rotoru TG 1000 MW stejnosmˇerným proudem a jeho prostˇrednictv´ım dokáˇze ovlivˇ novat svorkové napˇet´ı na TG, resp. dodávaný jalový výkon. Budiˇc nSR je realizován tˇr´ıfázovým synchronn´ım generátorem chlazeným vzduchem, který je na stejné hˇr´ıdeli jako turbosoustroj´ı. Buzen´ı budiˇce je samonapájeno ze statoru. Vývody budiˇce jsou pˇripojeny na tyristorové usmˇerˇ novaˇce, na jejichˇz výstupu dostáváme stejnosmˇerné napˇet´ı, které je pˇripojeno na sbˇerac´ı u ´ stroj´ı TG. V tabulce 5 jsou uvedeny parametry pouˇzitého budiˇce a na obrázku 14. je znázornˇeno zjednoduˇsené zapojen´ı buzen´ı turbogenerátoru nSP a budiˇce nSR.[6] Jmenovitý výkon Jmenovité sdruˇzené napˇet´ı Jmenovitý proud statoru

7700 kVA 690 V 6440 A

Tabulka 5: Parametry budiˇce nSR [6]

Dále je k provozu generátoru zapotˇreb´ı nˇekolika pomocných hospodáˇrstv´ı. • Plynové hospodáˇrstv´ı

Stlaˇcený vod´ık pro chlazen´ı TG, oxid uhliˇcitý a stlaˇcený vzduch potˇrebný pro napouˇstˇen´ı a vypouˇstˇen´ı vod´ıku.

• Hospodáˇrstv´ı tˇesn´ıc´ıho oleje Za pomoci oleje se zaruˇcuje tˇesnost TG. • Vodn´ı hospodáˇrstv´ı

Demivoda je pouˇz´ıvána pro chlazen´ı statorového vinut´ı.

24


Jan Marˇsal

Obrázek 14: Schéma buzen´ı TG 1000 MW [6]

2.1

Provozn´ı reˇ zimy TG

Provozn´ım reˇzimem rozum´ıme takové stavy TG, do kterých se m˚ uˇze stroj bˇehem svého normáln´ıho provozu dostat a být v nich ˇcásteˇcnˇe provozován. Jsou to tyto následuj´ıc´ı stavy: • Chod napr´ azdno

Pˇri tomto reˇzimu, kdy generátor pracuje tzv. naprázdno, m˚ uˇzeme snadno regulovat velikost a frekvenci statorového napˇet´ı. Prostˇrednictv´ım bud´ıc´ıho proudu rotoru je totiˇz moˇzné ovlivˇ novat velikost svorkového napˇet´ı statoru a ˇr´ızen´ım mnoˇzstv´ı páry pˇricházej´ıc´ı na lopatky turb´ıny i otáˇcky turbosoustroj´ı, potaˇzmo frekvenci statorového napˇet´ı. Z toho vyplývá, ˇze tento stav je vyuˇz´ıván pˇred pˇrifázován´ım TG do s´ıtˇe a k provádˇen´ı r˚ uzných napˇet’ových zkouˇsek. Chod

naprázdno je vzhledem k provozu parn´ı turb´ıny omezen na pouhé minuty pˇred samotným pˇrifázován´ım do s´ıtˇe. Napˇet’ové zkouˇsky byly provádˇeny pouze jednou, a to pˇred prvn´ım spuˇstˇen´ım elektrárny. • Chod nakr´ atko Vzhledem k výkonu TG se tento stav bˇehem provozu generátoru nevyskytuje. Pˇred dvˇema lety se sice provádˇely zkouˇsky se zkratem v Koˇc´ınˇe, ale pouze pro nˇekolik málo u ´ rovn´ı nabuzen´ı stroje. • F´ azov´ an´ı Stav stroje, pˇri kterém se kontroluj´ı následuj´ıc´ı fázovac´ı podm´ınky: shodný sled fáz´ı, shodné statorové napˇet´ı TG s napˇet´ım v s´ıti, shodná frekvence napˇet´ı TG se s´ıt´ı a nulový fázový posuv mezi fázory napˇet´ı TG a s´ıtˇe. Splnˇen´ım 25

2014


Jan Marˇsal

tˇechto podm´ınek zaruˇc´ıme, ˇze nedojde k proudovému rázu, který by mohl zp˚ usobit poˇskozen´ı TG a jeho následnou opravu. Pro fázován´ı se prioritnˇe pouˇz´ıvá automatický fázovaˇc SYNCHROTACT 4, manuáln´ı fázován´ı se nepouˇz´ıvá, manuálnˇe se kontroluje pouze sled fáz´ı. • Chod do s´ıtˇ e se zat´ıˇ zen´ım

Je to chod stroje, který nastává po pˇrifázován´ı do s´ıtˇe, sp´ıˇse je oznaˇcován jako nomináln´ı provozn´ı reˇzim. Jelikoˇz je TG pˇripojen do rozsáhlé elektrizaˇcn´ı soustavy (dále jen ES), jsou mu vnuceny hodnoty velikosti svorkového napˇet´ı a frekvence. Pˇr´ıvodem mnoˇzstv´ı páry se tedy reguluje velikost ˇcinného výkonu a zmˇenou buzen´ı zase velikost jalového výkonu. Dále se budeme vˇenovat nomináln´ımu provozn´ımu reˇzimu v kapitole 2.1.1 Nomináln´ı provozn´ı reˇzim TG.

• Chod v samostatn´ e s´ıti

Jinak oznaˇcovaný jako chod na vlastn´ı spotˇrebu by nastal v pˇr´ıpadˇe, ˇze by byl od s´ıtˇe 400kV a nebyla by tedy moˇznost vyvádˇet vyrobený výkon do ES. V takovém pˇr´ıpadˇe by TG zreguloval výkon na velikost odpov´ıdaj´ıc´ı zátˇeˇzi VS. Schopnost zregulovat výkon na VS se zkouˇsela jen pˇri naj´ıˇzdˇen´ı a od té doby v tomto stavu elektrárna nebˇeˇzela.[7]

2.1.1

Nomin´ aln´ı provozn´ı reˇ zim TG

Pracovn´ı oblast stroje je oznaˇcena právˇe provozn´ım P-Q diagramem. Tyto hranice jsou závislé na nˇekolika následuj´ıc´ıch parametrech. • Statická stabilita alternátoru • Maximáln´ı výkon turb´ıny • Oteplen´ı statorového vinut´ı • Oteplen´ı magnetického jha statoru • Oteplen´ı rotorového bud´ıc´ıho vinut´ı • Oteplen´ı samotného rotoru Maximáln´ı výkon turb´ıny ovlivˇ nuje maximáln´ı hodnotu ˇcinného výkonu generátoru a tedy i horn´ı ˇcást P-Q diagramu. S jalovým výkonem je o nˇeco sloˇzitˇejˇs´ı, protoˇze je jeho velikost ovlivˇ nována aktuáln´ımi poˇzadavky soustavy. Na obrázku 15. je uveden obecný pˇr´ıklad P-Q diagramu s vyznaˇcenými hranicemi provozn´ıho stavu, které taktéˇz udávaj´ı zóny pro nastaven´ı ochran.[8]

26

2014


P 3

Jan Marˇsal

2

4

1 0 Obrázek 15: Obecný PQ diagram turbogenerátoru [8] Kde body 1-2 urˇcuj´ı maximáln´ı oteplen´ı rotorového bud´ıc´ıho vinut´ı 2-3 urˇcuj´ı maximáln´ı výkon turb´ıny 3-4 urˇcuj´ı maximáln´ı oteplen´ı ˇceln´ıch konstrukc´ı stroje 4-5 urˇcuj´ı statickou stabilitou stroje Alternátor m˚ uˇzeme provozovat ve dvou reˇzimech: • Pˇ rebuzen´ em Alternátor tedy pracuje v prvn´ım kvadrantu diagramu, tzn. vpravo od svislé osy ˇcinného výkonu. V tomto stavu generátor dodává do s´ıtˇe jak ˇcinný, tak i jalový výkon. Maximáln´ı ˇcinný výkon je omezen jmenovitým zdánlivým výkonem generátoru, kdeˇzto velikost jalového výkonu je ˇr´ızená velikost´ı bud´ıc´ıho proudu. Z obrázku 15. je vidˇet, ˇze omezuj´ıc´ım faktorem v horizontáln´ı rovinˇe je oteplen´ı rotorového vinut´ı, respektive velikost bud´ıc´ıho proudu, a ve vertikáln´ı rovinˇe se uplatn´ı omezen´ı velikosti statorového proudu, potaˇzmo výkonu. • Podbuzen´ em

Tento stav je pouˇz´ıván, pˇreváˇznˇe dojde-li k odlehˇcen´ı soustavy, tzn. v noˇcn´ıch hodinách ˇci o v´ıkendech. Stroj se pohybuje ve druhém kvadrantu charakteris-

tiky, tedy vlevo od svislé osy ˇcinného výkonu, kde dodává do s´ıtˇe pouze ˇcinnou sloˇzku výkonu. Vlivem zmˇeny rozptylového toku, která je zapˇr´ıˇcinˇena jiným prostorovým rozloˇzen´ım pol´ı statoru, docház´ı k vˇetˇs´ımu zahˇr´ıván´ı alternátoru. Dalˇs´ım faktorem ovlivˇ nuj´ıc´ım tvar charakteristiky v jej´ı levé ˇcásti je statická stabilita stroje. [8]

27

2014


Jan Marˇsal

Tyto teoretické pˇredpoklady lze samozˇrejmˇe pˇrevést i na alternátor pouˇzitý v JE Temel´ın. Na následuj´ıc´ım obrázku je tedy uveden provozn´ı P-Q diagram turbogenerátoru TG 1000 MW. Jedná se o screen z tzv. Aktualizovaného provozn´ıho diagramu (dále APD). APD je pouˇz´ıván personálem blokové dozorny pro zjiˇstˇen´ı u ´ daj˚ u o stavu generátoru i s´ıtˇe. Meze provozn´ıho P-Q diagramu jsou kaˇzdých 10 sekund aktualizovány a vypsány na obrazovku.

Obrázek 16: Screen z pracovn´ı obrazovky v programu APD V screenu APD je znázornˇen konkrétn´ı provozn´ı stav generátoru, m˚ uˇzeme si tedy pro pˇredstavu zm´ınit aktuálnˇe mˇeˇrené hodnoty, které vid´ı obsluha blokové dozorny: ˇ y výkon Cinn´ Jalový výkon Napˇet´ı statoru Proud statoru ´ cin´ık Uˇ Napˇet´ı v rozvodnˇe Koˇc´ın Bud´ıc´ı napˇet´ı Bud´ıc´ı proud Tlak vod´ıku Teplota vody

1064 MW 27 MVA 23,3 kV 26,4 kA 1 412 kV 341 V 5475 A 494 kPa 25 ◦ C

Tabulka 6: Hodnoty v APD

28

2014


Jan Marˇsal

2014

Vˇsimnˇeme si, ˇze hodnota ˇcinného výkonu odpov´ıdá hodnotˇe 1064 MW, coˇz je zp˚ usobeno právˇe prob´ıhaj´ıc´ım retrofitem, pˇri kterém docház´ı k postupnému zvyˇsován´ı výkonu z hodnoty 1000 MW na hodnotu 1125 MW. Nyn´ı se elektrárna nacház´ı v obdob´ı kdy výkon jednoho bloku ˇcinn´ı 1065 MW. Z výˇse zm´ınˇených faktor˚ u ovlivˇ nuj´ıc´ıch meze provozn´ıho diagramu je patrné, ˇze hranice P-Q diagramu jsou závislé na chlazen´ı stroje (v naˇsem pˇr´ıpadˇe na tlaku vod´ıku) a velikosti svorkového napˇet´ı. Dojde-li k poklesu tlaku vod´ıku ˇci poklesu svorkového napˇet´ı, zmenˇs´ı se i hranice P-Q diagramu.

2.2

Poruchov´ e stavy TG

V prvn´ı ˇradˇe bychom mˇeli uvést, jaké jednotlivé stupnˇe poruch rozeznáváme, a to v závislosti na jejich závaˇznosti a nutnosti odstavit generátor a provést jeho opravu. • Z´ avady Za závadu oznaˇcujeme událost, která má za následek znehodnocen´ı parametr˚ u, jaké jsou obvyklé v bezporuchovém stavu. Vznik závady nezp˚ usob´ı nutnost odstavit generátor okamˇzitˇe. M˚ uˇzeme ho tedy i nadále provozovat, ale mus´ıme brát v potaz urˇcité omezen´ı dané konkrétn´ı závadou. • Poruchy Nastane-li na TG porucha, zapˇr´ıˇcin´ı jeho okamˇzité odstaven´ı. Poˇskozen´ı TG je opˇet dané poruchou. • Hav´ arie

Havárie je nejzávaˇznˇejˇs´ı, jelikoˇz je po n´ı TG na delˇs´ı dobu vyˇrazen z provozu. Vzniknou tedy poˇskozen´ı, která si vyˇzádaj´ı delˇs´ı dobu opravy.

Výˇse zm´ınˇené poruchové a mimoˇrádné stavy stroje m˚ uˇzeme rozdˇelit do dvou následuj´ıc´ıch bod˚ u s ohledem na to, v jaké ˇcásti stroje porucha vznikne. M˚ uˇze tedy vzniknout v: 1. Elektrick´ eˇ c´ asti stroje Pod t´ımto bodem si m˚ uˇzeme pˇredstavit r˚ uzné typy poruch elektrického charakteru,mezi které m˚ uˇzeme zaˇradit následuj´ıc´ı poruchy: • Zemn´ı spojen´ı statoru

Pˇri vzniku zemn´ıho spojen´ı ve statoru je reálná ˇsance, ˇze dojde k poˇskozen´ı statorových plech˚ u, jejichˇz následná oprava by byla finanˇcnˇe nákladná. Z toho d˚ uvodu ochrana proti zemn´ımu spojen´ı ihned vyp´ıná alternátor od s´ıtˇe.

29


Jan Marˇsal

2014

• Zemn´ı spojen´ı rotoru, resp. bud´ıc´ıho vinut´ı Jedná-li se o prvn´ı zemn´ı spojen´ı, mus´ı obsluha lokalizovat, v jaké ˇcásti bud´ıc´ıho vinut´ı se nacház´ı. Jestliˇze nep˚ ujde odstranit, mus´ı být TG odstaven, aby se zabránilo druhému zemn´ımu spojen´ı. • Mezizávitové zkraty ve vinut´ı statoru

Pˇri mezizávitovém zkratu ve statoru ihned p˚ usob´ı v závislosti na m´ıstˇe, bud’ rozd´ılové, nebo impedanˇcn´ı ochrany. Pˇri bl´ızkém mezifázovém zkratu

p˚ usob´ı ochrana blokového transformátoru, nebo nadproudová ochrana. • Mezizávitové zkraty ve vinut´ı rotoru Obecnˇe nám mezifázové spojen´ı na rotoru nevad´ı, dokud poˇcet vykrácených závit˚ u nepˇresáhne 20%. K tomuto jevu docház´ı vˇetˇsinou u stroj˚ u s konˇc´ıc´ı ˇzivotnost´ı, která odpov´ıdá opotˇreben´ı izolace. 2. Plynov´ e hospod´ aˇ rstv´ı T´ımto bodem jsou myˇsleny poruchy souvisej´ıc´ı s plynovým hospodáˇrstv´ım, speciálnˇe s chlazen´ım stroje. Konkrétnˇe sem patˇr´ı tyto stavy: • Provoz TG se vzduchovou nápln´ı

Takovýto provoz je nepˇr´ıpustný, jediná výjimka je otáˇcen´ı nenabuzeného rotoru pro ovˇeˇren´ı mechanických vlastnost´ı stroje.

• Pokles ˇcistoty vod´ıku

Hraniˇcn´ı podm´ınkou je ˇcistota 97%, jestliˇze dojde k poklesu ˇcistoty pod tuto hodnotu, mus´ı následovat propláchnut´ı TG ˇcistým vod´ıkem. Propláchnut´ı

m˚ uˇze být uskuteˇcnˇeno bˇehem provozu. ´ • Unik vod´ıku V tomto pˇr´ıpadˇe je hraniˇcn´ı hodnota u ´ niku rovna 85m3 za 24 hodin, dojdeli k jej´ımu pˇrekroˇcen´ı, mus´ı následovat odstaven´ı TG a lokalizován´ı u ´ niku za pomoci stlaˇceného vzduchu. • Porucha a následné odstaven´ı chladiˇce vod´ıku Dojde-li k poruˇse jednoho z osmi tˇechto chladiˇc˚ u vod´ıku, je chod TG omezen pouze na 66% zdánlivého elektrického výkonu stroje.[7]

30


3

Jan Marˇsal

Vliv vnˇ ejˇs´ıch poruchov´ ych stav˚ u na provoz a

chr´ anˇ en´ı TG JE Temel´ın V této kapitole si pop´ıˇseme nˇekolik moˇzných poruch v s´ıti, které mohou m´ıt za následek odstaven´ı generátoru od s´ıtˇe nebo v nejhorˇs´ım moˇzném pˇr´ıpadˇe i odstaven´ı celé elektrárny. Abychom si tuto problematiku mohli názornˇe objasnit, je potˇreba si nejdˇr´ıve uvést zjednoduˇsené schéma vlastn´ı spotˇreby bloku JE Temel´ın. Toto schéma je znázornˇeno na obrázku 17.[9]

1

1

Obrázek 17: Zjednoduˇsené schéma VS [9] Z tohoto schématu lze zjistit, ˇze k napájen´ı VS m˚ uˇzeme pouˇz´ıt 3 oddˇelené zdroje. 1. Z odboˇcky generátoru 2. Ze záloˇzn´ı s´ıtˇe 110 kV 3. Za pomoc´ı Dieselových agregát˚ u (v obrázku 17.znaˇceny DG) F´ azov´ an´ı gener´ atoru do s´ıtˇ e Z obrázku 17. je patrné, ˇze pro pˇrifázován´ı generátoru pˇri naj´ıˇzdˇen´ı elektrárny se pouˇz´ıvá generátorový vyp´ınaˇc VG , a to v pˇr´ıpadˇe, je-li vlastn´ı spotˇreba bloku napájena ze s´ıtˇe 400 kV. Dalˇs´ı moˇznost´ı, jak pˇrifázovat generátor do s´ıtˇe, je vyuˇzit´ı vyp´ınaˇce v rozvodnˇe Koˇc´ın VK . Této moˇznosti se vyuˇz´ıvá v pˇr´ıpadˇe, kdy dojde k poruˇse v s´ıti, která bude m´ıt za následek uveden´ı bloku elektrárny do provozu pouze 31

2014


Jan Marˇsal

na vlastn´ı spotˇrebu realizovanou prostˇrednictv´ım odboˇcky z generátoru. T´ımto se dostáváme k prvn´ı moˇzné vnˇejˇs´ı poruˇse, která zp˚ usob´ı zregulován´ı bloku na vlastn´ı spotˇrebu.[9]

3.1

Porucha v rozvodnˇ e Koˇ c´ın

V tomto pˇr´ıpadˇe se uvaˇzuje bl´ıˇze nespecifikovaná porucha pˇr´ımo v rozvodnˇe Koˇc´ın, která bude m´ıt za následek výpadek bloku z elektrizaˇcn´ı soustavy. Pˇri takovémto scénáˇri dojde k odepnut´ı bloku JE Temel´ın prostˇrednictv´ım vyp´ınaˇce v rozvodnˇe Koˇc´ın (v následuj´ıc´ım obrázku 18. znaˇcen jako VK ).

1

1

Obrázek 18: Zjednoduˇsené schéma VS s poruchou v rozvodnˇe Koˇc´ın [9] Pˇr´ımým následkem odepnut´ı bloku z elektrizaˇcn´ı soustavy je zregulován´ı bloku na vlastn´ı spotˇrebu, coˇz obnáˇs´ı: • Reaktor roluje pod 50% svého výkonu. • Turb´ına pˇrecház´ı na ˇr´ızen´ı prostˇrednictv´ım integraˇcn´ı sloˇzky a reguluje na vlastn´ı spotˇrebu Pˇri takovéto události, která bude m´ıt za následek uveden´ı bloku do vlastn´ı spotˇreby, je omezuj´ıc´ım faktorem právˇe turb´ına. Turb´ına má od výrobce pevnˇe stanovenou dobu, po kterou m˚ uˇze pracovat na vlastn´ı spotˇrebu. Tento ˇcas se m˚ uˇze pohybovat napˇr´ıklad v rozmez´ıch 2 aˇz 12 hodin. Tento ˇcasový limit je zp˚ usoben 32

2014


Jan Marˇsal

2014

faktem, ˇze jakmile turb´ına pracuje na vlastn´ı spotˇrebu, docház´ı v NT d´ılu k v´ıˇren´ı parovodn´ı smˇesi, která má za následek abrazi dlouhých lopatek právˇe NT d´ılu. Je tedy zˇrejmé, ˇze omezuj´ıc´ım faktorem pro odstranˇen´ı poruchy je ˇcasový u ´ sek, po který je schopna turb´ına pracovat v reˇzimu na vlastn´ı spotˇrebu. Dojde-li k rychlému odstranˇen´ı poruchy, je moˇzno k znovunafázován´ı bloku do s´ıtˇe pouˇz´ıt výˇse zm´ınˇený vyp´ınaˇc v rozvodnˇe Koˇc´ın. V takovémto pˇr´ıpadˇe komunikuje obsluha rozvodny s obsluhou vel´ına. Oba vyp´ınaˇce VK i VG jsou uzp˚ usobeny jak k automatickému, tak k ruˇcn´ımu pˇrifázován´ı.[9]

3.2

Porucha na lince z rozvodny Koˇ c´ın

Zkrat na odchoz´ı tranzitn´ı lince z rozvodny Koˇc´ın zapˇr´ıˇcin´ı kýván´ı turbogenerátoru. Rozsah závaˇznosti poruchy na veden´ı záleˇz´ı na tom, jestli je zkrat na veden´ı jedno, dvou ˇci trojpólový, zdali je pouˇzita technika OZ a v neposledn´ı ˇradˇe, jakým zp˚ usobem jsou koncipované ochrany v závislosti na rychlosti zap˚ usoben´ı. Pro vysvˇetlen´ı problematiky kýván´ı turbogenerátoru budeme tedy uvaˇzovat tˇr´ıpólový zkrat na jednom z pˇeti veden´ı, po kterém se pˇrenáˇs´ı výkon o velikosti 250 MW. Tato situace je znázornˇena na obrázku 19. 250 MW 1

1

Obrázek 19: Zjednoduˇsené schéma VS s poruchou na veden´ı z rozvodny Koˇc´ın [9]

33


Jan Marˇsal

V okamˇziku poruchy pˇrijdeme o jednu ˇctvrtinu odbˇeru. Tento fakt zp˚ usob´ı nerovnováhu v mnoˇzstv´ı páry pˇrivádˇené na turb´ınu a velikosti odeb´ırané energie. Mnoˇzstv´ı páry pˇrivádˇené na lopatky turb´ıny ovládaj´ı regulaˇcn´ı ventily, které vˇsak nemaj´ı zpˇetnou vazbu na moˇzné poruchy veden´ı. Na turb´ınu tedy pˇrivád´ıme mnoˇzstv´ı páry, které odpov´ıdá 1000 MW, avˇsak z generátoru odeb´ıráme pouze 750 MW. Tento fakt zapˇr´ıˇcin´ı odlehˇcen´ı stroje a jeho následné urychlen´ı, coˇz má za následek zvˇetˇsen´ı zátˇeˇzného u ´ hlu. Trend urychlován´ı odpov´ıdá velikosti vyˇrazené linky.[9] Pˇri této události je rozhoduj´ıc´ım faktorem doba vypnut´ı odpov´ıdaj´ıc´ıho zkratu. Mohou tedy nastat dva stavy: 1. Dojde k ustálen´ı na novém zátˇeˇzném u ´ hlu V tomto pˇr´ıpadˇe vypneme zkrat vˇcas, aby rotor nestaˇcil ztratit svoji magnetickou vazbu na statorové napˇet´ı. Velikost výchylky je závislá na vzdálenosti ˇ ım bl´ıˇze se zkrat nacház´ı a ˇc´ım déle trvá, t´ım vˇetˇs´ı je a dobˇe trván´ı zkratu. C´ pˇr´ıpadná výchylka. 2. Dojde k prokluzu plnˇe nabuzeného rotoru Zkrat se nevypne vˇcas a rotor ztrat´ı svoji magnetickou vazbu a dojde k prokluzu. Tento prokluz má neblahé u ´ˇcinky na hˇr´ıdel turbosoustroj´ı (docház´ı ke znaˇcnému torzn´ımu namáhán´ı hˇr´ıdele).[9]

3.3

Kol´ıs´ an´ı frekvence v elektrizaˇ cn´ı soustavˇ e

Dalˇs´ım faktorem, který bude m´ıt vliv na odepnut´ı bloku od s´ıtˇe a jeho následné regulován´ı na vlastn´ı spotˇrebu je právˇe kol´ısán´ı frekvence. Filosofie odep´ınán´ı blok˚ u od s´ıtˇe je taková, ˇze se do posledn´ı moˇzné doby snaˇz´ı elektrárna udrˇzet v s´ıti, aby svým dodávaným výkonem pˇrispˇela ke stabilizaci rozpadaj´ıc´ı se s´ıtˇe. Hlavn´ı ochranou pro tento pˇr´ıpad je ˇctyˇrstupˇ nová frekvenˇcn´ı ochrana generátoru s oznaˇcen´ım SP-F392. Jej´ı um´ıstˇen´ı je výsledkem pozorován´ı chován´ı frekvence napˇet´ı na svorkách statoru bˇehem rychlých zmˇen vnitˇrn´ıho zátˇeˇzného u ´ hlu generátoru. Pˇri rychlých zmˇenách zátˇeˇzného u ´ hlu stoje totiˇz docház´ı k významnému ovlivnˇen´ı pr˚ ubˇehu frekvence právˇe na svorkách statoru. Tato frekvence nen´ı stejná jako frekvence s´ıtˇe, proto je ochrana pˇrem´ıstˇena na vvn stranu blokového transformátoru. T´ımto zp˚ usobem tedy zajist´ıme správné mˇeˇren´ı s´ıt’ové frekvence a tak zabezpeˇc´ıme korektn´ı u ´ daje pro ochranu. V souladu s definovaným provozn´ımi pásmy frekvence sleduje ochrana nadfrekvenci i podfrekvenci.[10]

34

2014


Jan Marˇsal

• Nadfrekvence 1. nadfrekvenˇcn´ı stupˇen ˇ P˚ usob´ı témˇeˇr okamˇzitˇe (do 0,2 s) pˇri pˇrekroˇcen´ı frekvence 50,2 Hz. Po aktivaci prvn´ıho stupnˇe pˇrecház´ı blok na otáˇckovou regulaci proporcionáln´ıho charakteru. 2. nadfrekvenˇcn´ı stupˇen ˇ P˚ usob´ı se zpoˇzdˇen´ım 15 s pˇri pˇrekroˇcen´ı frekvence 51,5 Hz. Po pˇrekroˇcen´ı této frekvence p˚ usob´ı ochrana na vypnut´ı vyp´ınaˇce blokové linky a blok pˇrecház´ı do ostrovn´ıho reˇzimu s otáˇckovou regulac´ı integráln´ıho charakteru. Zálohu nadfrekvenˇcn´ı ochrany tvoˇr´ı ochrana s názvem SP-F396, která p˚ usob´ı s minimáln´ım zpoˇzdˇen´ım (1 s), jestliˇze frekvence pˇrekroˇc´ı 52 Hz. • Podfrekvence 1. podfrekvenˇcn´ı stupˇen ˇ P˚ usob´ı témˇeˇr okamˇzitˇe (do 0,2 s) pˇri poklesu frekvence pod 49,8 Hz. Po aktivaci prvn´ıho stupnˇe pˇrecház´ı blok na otáˇckovou regulaci proporcionáln´ıho charakteru. 2. podfrekvenˇcn´ı stupˇen ˇ P˚ usob´ı se zpoˇzdˇen´ım 1 s pˇri poklesu frekvence pod 47,9 Hz. Po poklesu frekvence pod tuto mez p˚ usob´ı ochrana na vypnut´ı vyp´ınaˇce blokové linky a blok pˇrecház´ı do ostrovn´ıho reˇzimu s otáˇckovou regulac´ı integráln´ıho charakteru.[10]

35

2014


4

Jan Marˇsal

2014

N´ avrh digit´ aln´ı ochrany pro blok JE Temel´ın

Tato posledn´ı ˇcást diplomové práce se bude zabývat návrhem digitáln´ı ochrany pro blok JE Temel´ın. Ned´ılnou souˇcást´ı návrhu ochran je znalost technických parametr˚ u nejen samotného turbogenerátoru Tabulka 7., ale taktéˇz blokového transformátoru Tabulka 8. a pˇr´ıstrojových transformátor˚ u Tabulka 9. Návrh je rozdˇelen do nˇekolika kapitol, z nichˇz kaˇzdá se zabývá jedn´ım konkrétn´ım typem ochrany. ˇ y výkon Cinn´ Zdánlivý výkon ´ cin´ık Uˇ Jmenovité napˇet´ı Jmenovité otáˇcky Kmitoˇcet Jmenovitý proud statoru Jmenovitý bud´ıc´ı napˇet´ı Jmenovitý bud´ıc´ı proud

1000 MW 1111 MVA 0,9 24 kV 3000 ot/min 50 Hz 26,73 kA 505 VSS 7120 A

Tabulka 7: Parametry generátoru TG 1000MW [6]

Jmenovitý výkon Pˇrevod napˇet´ı Napˇet´ı na krátko Spojen´ı vinut´ı

3x400 MVA 24/420 kV 14% Ynd1

Tabulka 8: Parametry blokového transformátoru [6]

PTP PTN

kI =27000/5 A kU =24000/100 V

Tabulka 9: Parametry pˇr´ıstrojových transformátor˚ u [6]

4.1

Rozd´ılov´ a ochrana F301

Rozd´ılová ochran je nezpoˇzdˇenˇe reaguj´ıc´ı zkratová ochrana generátor˚ u, která pracuje na elementárn´ım principu 1.Kirchhofova zákona, tedy porovnáván´ı mˇeˇrených proud˚ u. Z mˇeˇrených fázových proud˚ u se provád´ı výpoˇcet rozd´ılových a stabilizaˇcn´ıch proud˚ u. Aperiodické stejnosmˇerné a harmonické sloˇzky proudu jsou tlumeny prostˇrednictv´ım optimalizovaného digitáln´ıho filtru. D´ıky vysoké citlivosti, která je dána vysokým rozliˇsen´ım mˇeˇrených veliˇcin, je moˇzné detekovat i malé rozd´ılové proudy aˇz 10% IN . 36

Systém elektrických ochran generátorového bloku Jmenovitý proud Citlivost ochrany

Jan Marˇsal

2014

5A 0,2-0,7 A

Tabulka 10: Parametry rozd´ılové ochrany Δ

Δr

Obrázek 20: Obecná charakteristika rozd´ılové ochrany [1] Technické parametry ochrany: Nastaven´ı ochrany: Rozd´ılový proud tekouc´ı ochranou pˇri IN : ∆IN = I1 − I2 = 0

(8)

Jmenovitý proud ochrany: IN =5 A Bezpeˇcný odstup vol´ıme 0,2. ∆ir =

3 ∆IN + 0, 2 = 0, 2 2 IN

(9)

Nastaven´ı ochrany tedy bude: ∆IR =0,2 IN Dalˇs´ım d˚ uleˇzitým parametrem pro správné nastaven´ı ochrany je poloha uzlu proudových transformátor˚ u na obou stranách chránˇeného objektu. Taktéˇz je také nutno zadat jmenovité u ´ daje SN G a UN G . V naˇsem pˇr´ıpadˇe budou tyto hodnoty odpov´ıdat tˇemto hodnotám: SN G = 1111 MVA, UN G = 24 kV 37


4.2

Jan Marˇsal

2014

Impedanˇ cn´ı ochrana F251

Jedná se o rychle p˚ usob´ıc´ı dvoustupˇ novou ochranu s dvˇema nastavitelnými impedanˇcn´ımi stupni kruhového tvaru. Charakteristika impedanˇcn´ı ochrany je uvedena na obrázku 21. Prvn´ı impedanˇcn´ı stupeˇ n p˚ usob´ı okamˇzitˇe, kdeˇzto druhý impedanˇcn´ı stupeˇ n reaguje s pˇredem daným zpoˇzdˇen´ım. Technické parametry ochrany: Jmenovité hodnoty Impedanˇcn´ı rozsah 1. stupnˇe Impedanˇcn´ı rozsah 2. stupnˇe Zpoˇzdˇen´ı 1. stupnˇe Zpoˇzdˇen´ı 2. stupnˇe

5 A, 100 V, 50 Hz do 70% ZN 30-100% ZN ÷40ms 0,1-10 s

Tabulka 11: Parametry impedanˇcn´ı ochrany

X

R

Obrázek 21: Obecná charakteristika impedanˇcn´ı ochrany [1] Nastaven´ı 1.stupnˇe: Z1T =

2 14 240002 uk US1 = = 0, 2016Ω 100 ST 100 400 · 106

(10)

1. stupeˇ n m˚ uˇzeme nastavit v rozmez´ı 70-85% Z1T . Vol´ım zkrácen´ı impedanˇcn´ıho dosahu na 70%. Z1R = 0, 7 · Z1T = 0, 7 · 0, 2016 = 0, 1411Ω

38

(11)


Jan Marˇsal

2014

Pˇrepoˇcet impedanˇcn´ıho nastaven´ı na sekundárn´ı stranu PTP a PTN: kI 5400 Z1R = 0, 1411 = 3, 175Ω kU 240

(12)

√ Z1SR 100 = 3, 175 · 3 · 5 = 27, 5% Z1SN

(13)

Z1SR =

Z1SR% =

Vypoˇctený dosah 1. impedanˇcn´ıho stupnˇe je tedy 27,5% ZN . Nastaven´ı 2.stupnˇe: 2. stupeˇ n impedanˇcn´ı ochrany se nastavuje s dosahem do nejbliˇzˇs´ı rozvodny, jelikoˇz tvoˇr´ı zálohu pro ochrany pˇr´ıpojnic blokového transformátoru na stranˇe vyˇsˇs´ıho napˇet´ı. V naˇsem pˇr´ıpadˇe je to rozvodna Koˇc´ın, která je od elektrárny vzdálena ”po veden´ı”pˇribliˇznˇe 3 km. Impedance veden´ı Temel´ın-Koˇc´ın je: . Z1V = 0,063 + 0,99j = 1 Ω Koeficient vˇetven´ı proudu: kV = 0,5

Z1r = Z1T

Z1V + kV

US1 US2

2

24000 1 = 0, 2016 + 0, 5 420000

2

= 0, 2081Ω

(14)

Pˇrepoˇcet impedanˇcn´ıho nastaven´ı na sekundárn´ı stranu PTP a PTN: kI 5400 Z1R = 0, 2081 = 4, 68Ω kU 240

(15)

√ Z1SR 100 = 4, 68 · 3 · 5 = 40, 54% Z1SN

(16)

Z1SR =

Z1SR% =

Vypoˇctený dosah 2. impedanˇcn´ıho stupnˇe je tedy 40,54% ZN a ˇcasové zpoˇzdˇen´ı ochrany vol´ım 4 s.

39


4.3

Jan Marˇsal

2014

Zkratov´ a ochrana F111

Jedná se o nadproudovou trojfázovou ochranu bez rozliˇsen´ı poˇskozené báze s ˇcasovým zpoˇzdˇen´ım. Technické parametry ochrany: Jmenovitý proud Proudové nastaven´ı ˇ Casov´ e nastaven´ı

5A 0,8-2 IN 0,1-10 s

Tabulka 12: Parametry zkratové ochrany

I

Obrázek 22: Obecná charakteristika zkratové ochrany [1] Zkratový výpoˇcet: XG =

25 242 xd% UN2 = = 0, 1296Ω 100 SN 100 1111

(17)

Výpoˇcet 3f. zkratu: cUN 1, 1 · 24000 I”K3f = √ = 117608, 38A =√ 3XG 3 · 0, 1296

(18)

Výpoˇcet mezifázového zkratu:

√

3 I”K3f = 101851A (19) 2 Minimáln´ı zkratový proud pˇri mezifázovém zkratu tedy odpov´ıdá hodnotˇe: I”K2f =

Ik2min = 101851 A

40


Jan Marˇsal

2014

Koeficient citlivosti: kc = 2

Ir = Nastaven´ı ochrany :

Ik2min 101851 = = 9, 43A = 1, 886 · 5A kc kI 2 · 5400

(20)

Ir =2IN , t=4 s

4.4

Zemn´ı ochrana na 1. harmonickou F421

Ochrana mˇeˇr´ı netoˇcivou sloˇzku napˇet´ı U0 v uzlu generátoru proti zemi. Technické parametry ochrany: Jmenovitý napˇet´ı Nastaven´ı U0 ˇ Casové nastaven´ı

100 V, 50 Hz 5-20% 0,1-10 s

Tabulka 13: Parametry zemn´ı ochran statoru na 1. harmonickou

Nastaven´ı zemn´ı ochrany generátoru: P˚ usoben´ı ochrany je blokováno ochranou F16 na netoˇcivou sloˇzku proudu blokového transformátoru. Zpoˇzdˇen´ı p˚ usoben´ı ochrany je nastaveno takovým zp˚ usobem, aby bylo zaruˇceno dˇr´ıvˇejˇs´ı p˚ usoben´ı záloˇzn´ıch distanˇcn´ıch ochran veden´ı 400 kV za blokovým transformátorem. Nastaven´ı ochrany : U0R =10% UN , t=5 s

4.5

Zemn´ı ochrana na 3. harmonickou F422

Tato ochrana nemá ˇzádné nastavovac´ı prvky, protoˇze je nastavená pˇr´ımo od výrobce. Ochrana generátoru tedy p˚ usob´ı pˇri: U0S (3ω) > U0U (3ω) Kde U0S (3ω) – napˇet´ı 3. harm. netoˇcivý sloˇzky na svorkách generátoru U0U (3ω) – napˇet´ı 3. harm. netoˇcivý sloˇzky v uzlu generátoru

41


4.6

Jan Marˇsal

2014

Zemn´ı ochrana rotoru F431

Jako pˇredeˇslé zemn´ı ochrany i tato zemn´ı ochrana rotoru je pˇredem nastavená od výrobce ochrany. Ochrana funguje na pricipu injektáˇze stˇr´ıdavého napˇet´ı do stejnosmˇerného bud´ıc´ıho obvodu. Ochrana porovnává amplitudu a frekvenci napˇet´ı injektáˇzn´ıho zdroje s napˇet´ım mˇeˇreným na referenˇcn´ım zemn´ım odporu. Odpor zen´ı poruchy je definován výpoˇctem. Rozsah ochrany je 0 - 30 kΩ, pˇriˇcemˇz hodnota 29,9 - 30 kΩ indikuje obvod v bezporuchovém stavu.

4.7

Ochrana proti proudov´ emu pˇ ret´ıˇ zen´ı F131

Technické parametry ochrany: Jmenovitý napˇet´ı Proudové nastaven´ı závislého ˇclenu Proudové nastaven´ı nadproudového ˇclenu uvolˇ nuj´ıc´ı závislý ˇclen ˇ Casov´ a konstanta závislého ˇclenu

5 A, 50 Hz i∞ar =0,8-2 IN i∞r =0,8-2 IN τa =100 s

Tabulka 14: Parametry ochrany proti proudovému pˇret´ıˇzen´ı

∞ar

∞r

2

Obrázek 23: Obecná charakteristika ochrany proti proudovému pˇret´ıˇzen´ı [1] Závislost doby provozu generátoru pˇri proudovém pˇret´ıˇzen´ı je dána vztahem: t=

K i2 − i2∞

42

(21)


Jan Marˇsal

2014

Kde t – pˇr´ıpustný ˇcas pˇret´ıˇzen´ı v s K – konstanta pro generátor i – pomˇerná sloˇzka proudu i∞ – trvale pˇr´ıpustná pomˇerná sloˇzka proudu Nastaven´ı ochrany: i∞ar = i∞a

i∞r = i∞

IN G 26730 = 1, 05 = 1, 0395 I1P T P 27000

26730 IN G = 1, 05 = 1, 0395 I1P T P 27000

(22)

(23)

Toto nastaven´ı plat´ı pro ˇcasovou konstantu τ =25.

4.8

Ochrana proti nesymetrick´ emu proudov´ emu pˇ ret´ıˇ zen´ı

F46 Jedná se o ˇcasovˇe závislou ochranu, která je schopná detekovat zpˇetnou sloˇzku fázových proud˚ u statoru. Jelikoˇz je následkem nesymetrie oteplován´ı rotoru, jsou v algoritmu zohlednˇeny tepelné procesy, které vedou k závislé charakteristice. Dále je proudová nesymetrie vyhodnocována nezávislým výstraˇzným a vyp´ınac´ım stupnˇem. Vyp´ınac´ı stupeˇ n p˚ usob´ı na generátorový vyp´ınaˇc, odbuzovaˇc a urychlovaˇc regulace turb´ıny. Doba zpoˇzdˇen´ı druhého stupnˇe je dána velikost´ı zpˇetné sloˇzky statorového proudu. Pˇr´ıpustná doba provozu generátoru pˇri nesymetrii je dána vztahem 24.

2∞ar

2∞r

2

Obrázek 24: Obecná charakteristika ochrany proti nesymetrickému proudovému pˇret´ıˇzen´ı [1]

43


t=

K i2∞

Jan Marˇsal

2014

(24)

pro i2 > i2∞ Kde t – pˇr´ıpustný ˇcas nesymetrického zat´ıˇzen´ı (5-30 s) K – konstanta pro generátor i – pomˇerná sloˇzka proudu i2∞ – trvale pˇr´ıpustná pomˇerná zpˇetná sloˇzka proudu Nastaven´ı ochrany: i2∞ar = i2∞a

26730 IN G = 0, 0842 = 0, 08334 I1P T P 27000

(25)

IN G 26730 = 0, 08 = 0, 0792 I1P T P 27000

(26)

i2∞r = i2inf ty

I2∞ar =9% IN , i2∞r =8% IN

4.9

Zpˇ etn´ a wattov´ a ochrana F501, F502

Tato ochrana slouˇz´ı k hl´ıdán´ı smˇeru toku ˇcinného výkonu a nab´ıhá pˇri výpadku mechanické energie. V pˇr´ıpadˇe výpadku mechanické energie docház´ı k odeb´ırán´ı hnac´ı energie ze s´ıtˇe, coˇz má neblah´ı vliv jak na s´ıt’, tak i na parn´ı turb´ınu. Výpoˇcet ˇcinného výkonu se provád´ı ze sousledných sloˇzek proudu a napˇet´ı. Z toho vyplývá, ˇze nesymetrie v s´ıti nesniˇzuje pˇresnost mˇeˇren´ı. Technické parametry ochrany: Jmenovité hodnoty Výkonové nastaven´ı ˇ Casov´ e nastaven´ı

5 A, 100 V, 50 Hz 0,5-2% PN 0,1-10 s

Tabulka 15: Parametry zpˇetné wattové ochrany

Nastaven´ı zpˇetných wattových ochran: Zpˇetný ˇcinný výkon na kryt´ı ztrát: PZP =3% PN Koeficient citlivosti: kc = 1,25 44


PZP R = PZP Nastaven´ı ochrany:

Jan Marˇsal

UN G IN G 24000 · 26730 =3 = 2, 376% U1P T N I1P T P kc 24000 · 27000 · 1, 25

PZP R =2%, t=6 s

4.10

Ochrana proti ztr´ atˇ e stability pˇ ri podbuzen´ı F442

Technické parametry ochrany: Jmenovité hodnoty Nastaven´ı polomˇeru impedanˇcn´ı kruˇznice Vysunut´ı impedanˇcn´ı kruˇznice Nastaven´ı ˇcasového stupnˇe

5 A, 100 V, 50 Hz (0,4-4,8) ZN (1,6-2,8) ZN 0-990 s

Tabulka 16: Parametry ochrany proti ztrátˇe stability pˇri podbuzen´ı

S

Obrázek 25: Obecná charakteristika proti ztrátˇe stability [1] Nastaven´ı ochrany proti ztrátˇe stability pˇri podbuzen´ı: Podélná reaktance generátoru: xd =1,87 p.j. Reaktance soustavy: xS =0,137 p.j.

45

2014

(27)


r=

Jan Marˇsal

2014

1, 87 + 0, 137 27000 · 24000 xd + xs I1P T P UN G = = 1, 0136p.j. 2 IN G U1P T N 2 26730 · 24000

(28)

xd − xs I1P T P UN G 1, 87 − 0, 137 27000 · 24000 = = 0, 875p.j. 2 IN G U1P T N 2 26730 · 24000

(29)

zS =

Nastaven´ı ochrany:

r=1,1ZN , zS =-jZN minimálnˇe je vˇsak moˇzné nastavit zS =-j1,6ZN

4.11

Ochrana pˇ ri ztr´ atˇ e buzen´ı F441, F371, F45

Technické parametry ochrany: Jmenovité hodnoty Nastaven´ı citlivosti ochrany pˇri ztrátˇe buzen´ı Nastaven´ı pˇrepˇet’ového ˇclenu Nastaven´ı citlivosti 1. ˇclenu ˇcinného výkonu automatiky Nastaven´ı citlivosti 2. ˇclenu ˇcinného výkonu automatiky ˇ Casov´ e zpoˇzdˇen´ı 1. stupnˇe ˇ Casov´ e zpoˇzdˇen´ı 2. stupnˇe ˇ Casové zpoˇzdˇen´ı 3. stupnˇe

5 A, 100 V, 50 Hz V=(0,4-1,6), V=1/ ZN (0,4-1) UN (0-100%) PN (10-100%) UN 0-990 s 0-990 s 0-990 s

Tabulka 17: Parametry ochrany proti ztrátˇe buzen´ı

3

2

1

r1

r2

Obrázek 26: Obecná charakteristika automatiky pˇri omezen´ı výkonu [1]

46


Jan Marˇsal

2014

Nastaven´ı ochrany proti ztrátˇe buzen´ı F441: Pˇr´ıˇcná reaktance generátoru: xq =1,52 p.j. xqr = xq

I1P T P UN G 27000 · 24000 = 1, 52 = 1, 53p.j. IN G U1P T N 26730 · 24000 V =

1 1 = = 0, 65 xqr 1, 53

(30)

(31)

Impedanˇcn´ı nastaven´ı tedy bude: 0,7. Nastaven´ı podpˇet’ového ˇclenu: Doporuˇcené nastaven´ı podpˇet´ı se pohybuje mezi (0,5-0,6) UN . Ur = 0, 55

24000 UN G = 0, 55 = 0, 55 U1P T N 24000

(32)

Podpˇet’ové nastaven´ı: Ur =0,6 UN Nastaven´ı automatiky pˇri asynchronn´ım chodˇe F45: Povolené ˇcasy chodu generátoru pˇri ztrátˇe buzen´ı: P>0,5PN 0,3PN < P <0,5PN P<0,3PN

tvyp =1 min tvyp =2 min tvyp =15 min

Tabulka 18: Povolené ˇcasy chodu generátoru Výpoˇcet 1. stupnˇe: P>0,5PN Pr = P

IN G UN G 24000 · 26730 PN = 0, 5 PN = 0, 495PN I1P T P U1P T N 24000 · 27000

(33)

Výpoˇcet 2. stupnˇe: 0,3PN < P <0,5PN Pr = P

IN G UN G 24000 · 26730 PN = 0, 3 PN = 0, 297PN I1P T P U1P T N 24000 · 27000

Nastaven´ı ochrany: 1. stupeˇ n: Pr1 =50% PN , t1 =60 s 2. stupeˇ n: Pr2 =30% PN , t2 =120 s 3. stupeˇ n: t3 =900 s 47

(34)


4.12

Jan Marˇsal

2014

Ochrana pˇ ri zmˇ en´ ach frekvence F39

Technické parametry ochrany: Jmenovité hodnoty Podfrekvenˇcn´ı nastaven´ı Nadfrekvenˇcn´ı nastaven´ı

100 V, 50 Hz 45-50 Hz 50-55 Hz

Tabulka 19: Parametry ochrany zmˇenách frekvence Pro nastaven´ı tˇechto ochran pouˇzijeme nastaven´ı aktuálnˇe pouˇzitých ochran v JE Temel´ın. Nataveni bude tedy odpov´ıdat: Podfrekvence = 47,9 Hz, Nadfrevnece = 51,5 Hz

4.13

Pˇ repˇ et’ov´ a ochrana F381, F382

Technické parametry ochrany: Jmenovité hodnoty Nastaven´ı 1.stupnˇe Nastaven´ı 2.stupnˇe ˇ Casov´ e nastaven´ı

100 V, 50 Hz (0,8-2) UN (0,8-2) UN (0,1-10) s

Tabulka 20: Parametry pˇrepˇet’ové ochrany Nastaven´ı 1. stupnˇe ochrany: Ur =

1, 25 · 24000 1, 25UN G = = 125V kU 240

(35)

Nastaven´ı 2. stupnˇe ochrany: Ur =

1, 35UN G 1, 35 · 24000 = = 135V kU 240

Nastaven´ı ochrany F381: Napˇet´ı 1. stupnˇe: Ur =1,3 UN ˇ Casové nastaven´ı 1. stupnˇe: t=1 s 2. stupeˇ n:: Ur =1,4 UN Nastaven´ı ochrany F382: Napˇet´ı 1. stupnˇe: Ur =1,4 UN ˇ Casov´ e nastaven´ı 1. stupnˇe: t=1 s 2. stupeˇ n:: Ur =1,5 UN 48

(36)


5

Jan Marˇsal

2014

Vyhodnocen´ı v´ ysledk˚ u a n´ avrh nov´ eho syst´ emu

V pˇredchoz´ıch kapitolách jsem vypoˇc´ıtal jednotlivé druhy ochran a z tˇechto hodnot urˇcil jejich nastaven´ı. Pro jejich výpoˇcet jsem pouˇzil technické parametry generátoru, blokového transformátoru a pˇr´ıstrojových transformátor˚ u proudu a napˇet´ı. Nicménˇe v nˇekterých pˇr´ıpadech se mi bohuˇzel nepodaˇrilo zjistil konkrétn´ı hodnoty urˇcitých veliˇcin: • PZP - zpˇetný ˇcinný výkon na kryt´ı ztrát generátoru • xd - podélná reaktance generátoru • xq - pˇr´ıˇcná reaktance generátoru • xs - reaktance soustavy • Z1V - impedance veden´ı 400 kV Temel´ın - Koˇc´ın Z tohoto d˚ uvodu jsem pouˇzil hodnoty typické pro generátor daného výkonu, ˇci hodnoty podobného generátoru. Návrh ochrany je rozdˇelen do dvou ˇcást´ı: 1. Návrh firmy a souboru ochran 2. Uˇzit´ı ochrany v praxi

5.1

N´ avrh firmy a souboru ochran

Vzhledem k výbˇerovému ˇr´ızen´ı,které bˇehem prvn´ı modernizace vyhrála firma ABB s produktovou ˇradou REG260, jsem pro dalˇs´ı modernizaci chrán´ıc´ıch systém˚ u vybral produktovou ˇradu REG670 od stejného výrobce. Systém firmy ABB REG 670 je v souˇcasné dobˇe top model na poli chránˇen´ı, ˇr´ızen´ı a monitorován´ı generátor˚ u a blok˚ u generátor – transformátor. Velké mnoˇzstv´ı analogových vstup˚ u spolu s rozsáhlou knihovnou umoˇzn ˇ uje integraci nˇekolika funkc´ı pouze v jednom IED, zároveˇ n v typických aplikac´ıch dokáˇzou dvˇe jednotky poskytnout u ´ plnou funkˇcnost a vysoký stupeˇ n redundance. Tento typ je také moˇzné pouˇz´ıt k ochranˇe a kontrole kompenzaˇcn´ı tlumivky. Velké mnoˇzstv´ı funkc´ı m˚ uˇze být pouˇzito nˇekolikrát, coˇz dovoluje, aby jedno IED chránilo v´ıce neˇz jeden objekt. Je tedy moˇzné chránit i transformátor, a to je-li ochrana primárnˇe urˇcena k chránˇen´ı generátoru. HMI samozˇrejmˇe dovoluje monitorovat vybrané hodnoty pˇr´ımo na displeji IED. Komunikace s ochranou je zabezpeˇcena prostˇrednictv´ım optiky, coˇz zaruˇcuje imunitu proti ruˇsen´ı. Knihovna ochranných funkc´ı v IED zahrnuje rozd´ılovou ochranu pro generátor, blok, pomocný 49


Jan Marˇsal

transformátor a celý generátorový blok. Taktéˇz je zahrnuta zemn´ı ochrana statoru zaruˇcuj´ıc´ı 95% ochranu, stejnˇe jako 100% zemn´ı ochrana statoru proti tˇret´ı harmonické. Samozˇrejmost´ı je pˇr´ıtomnost algoritm˚ u pro sledován´ı prokluzu pól˚ u, podbuzen´ı, rotorová zemn´ı ochrana a dalˇs´ı. [11]

5.2

N´ avrh ochrany a ochrann´ ych funkc´ı

Pˇri vypracován´ı tohoto bodu jsem se snaˇzil postupovat dle kapitoly 1.2 Ochrana velkých generátor˚ u. Z tohoto d˚ uvodu se tento bod bude zamˇeˇrovat na návrh koncepce redundance, vyp´ınac´ı matice a rozsahu ochranných funkc´ı. • N´ avrh koncepce redundance U takto velkých zdroj˚ u je potˇreba zajistit co nejdelˇs´ı a bezodstávkový provoz, nem˚ uˇzeme si tedy dovolit, aby nefunkˇcnost jedné ochrany zp˚ usobila odstaven´ı ˇci sn´ıˇzen´ı výkonu generátoru. Z tohoto d˚ uvodu vol´ım pro skupinu ochran REG670 u ´ plnou redundanci, která bude duplikovat d˚ uleˇzité ochranné funkce. Navrhuji tedy, aby objekt chránili dvˇe IED jednotky REG670. V tomto konceptu je taktéˇz samozˇrejmost´ı pouˇzit´ı rozd´ılných PTP s PTN.

Skupina A

Skupina B

Obrázek 27: Znázornˇen´ı redundance s pouˇzit´ım IED REG670 • Rozsah ochrann´ ych funkc´ı ˇ Budeme-li uvaˇzovat normu CSN 33 3051 Ochrany elektrických stroj˚ u a rozvodných zaˇr´ızen´ı, dojdeme k následuj´ıc´ımu seznamu doporuˇcených a poˇzadovaných ochranných funkc´ı. Tabulka 21. je zjednoduˇsená a jsou v n´ı vypsány pouze funkce pro turbogenerátory o výkonu vˇetˇs´ım neˇz 200 MVA.

50

2014

Systém elektrických ochran generátorového bloku Druh ochrany Nadproudová zkratová ˇcasovˇe nezávislá Zkratová podimpedanˇcn´ı Pˇret´ıˇzen´ı statoru Rozd´ılová Nadpˇet’ová Zemn´ı statoru Zemn´ı rotoru Závitová Zpˇetná wattová Nesoumˇerné zat´ıˇzen´ı Pˇri ztrátˇe buzen´ı Pˇri podbuzen´ı Pˇret´ıˇzen´ı rotoru Loˇzisková Prokluz rotoru Proti ztrátˇe stability Pod a nad kmitoˇctová Pˇri pˇresycen´ı Proti asynchronn´ımu chodu soustavy Pˇri poklesu napˇet´ı a kmitoˇctu v ES

Jan Marˇsal S>200 MVA (•) • • • • • • • • • • • • • • • • (•) (•) (•)

ˇ Tabulka 21: Ochrané funkce pro generátory dle CSN 33 3051

Legenda k tabulce 21: • - Ochrana se pouˇzije

(•) – Ochrana se doporuˇcuje

V tabulce 22. jsem uvedl moˇzné uspoˇrádán´ı jednotlivých ochranných funkc´ı s ˇ ohledem na výˇse zm´ınˇenou normu CSN 33 3051 a zvolený zp˚ usob redundance. V návrhu je zohlednˇeno zálohován´ı ochran samotných a také jejich moˇzná náhrada jinou vhodnou ochranou. Pro názornost jsem vybral nˇekolik poruchových stav˚ u generátoru a následnˇe rozepsal jaké ochrany by na nˇej mˇeli reagovat.

51

2014

Systém elektrických ochran generátorového bloku REG670 A Zemn´ı spojen´ı statoru 100% Zpˇetná wattová Pˇri ztrátˇe buzen´ı Nadpˇet’ová Rozd´ılová Pˇret´ıˇzen´ı statoru Nadproudová ochrana Zemn´ı spojen´ı rotoru Nesoumˇerné zat´ıˇzen´ı Pˇret´ıˇzen´ı rotoru Prokluz rotoru Proti ztrátˇe stability Pˇri poklesu napˇet´ı a kmitoˇctu v ES

Jan Marˇsal

2014

REG670 B Zemn´ı spojen´ı statoru 95% Zpˇetná wattová Pˇri ztrátˇe buzen´ı Nadpˇet’ová Rozd´ılová Pˇret´ıˇzen´ı statoru Nadproudová ochrana Podimpedanˇcn´ı zkratová Pˇri podbuzen´ı Loˇzisková Podkmitoˇctová, Nadkmitoˇctová Pˇrebuzen´ı (U/f)

Tabulka 22: Návrh ochranných funkc´ı pro redundantn´ı koncepci

• Vnitˇrn´ı zkrat generátoru Hlavn´ı ochranou je rozd´ılová ochrana v souboru REG670 A, 1. záloˇzn´ı ochrana je rozd´ılová ochrana v souboru REG670 B a 2. záloˇzn´ı ochrana je 1. stupeˇ n podimpedanˇcn´ı ochrany p˚ usob´ıc´ı v okruhu REG670 B se zpoˇzdˇen´ım 0,5s. • Vnˇejˇs´ı zkrat generátoru Hlavn´ı ochranou je 1. stupeˇ n podimpedanˇcn´ı ochrany p˚ usob´ıc´ı v souboru REG670 B se zpoˇzdˇen´ım 0,5s, 1. záloˇzn´ı ochranou je nadproudová ochrana generátoru p˚ usob´ıc´ı v souboru REG670 A. • Pˇrepˇet´ı generátoru Hlavn´ı ochranou je dvoustupˇ nová ˇcasovˇe nezávislá nadpˇet’ová ochrana v souboru REG670 A, 1. záloˇzn´ı ochrana je druhá dvoustupˇ nová ˇcasovˇe nezávislá nadpˇet’ová ochrana v souboru REG670 B. • Vyp´ınac´ı matice ochrann´ ych funkc´ı Na následuj´ıc´ım obrázku 28. je znázornˇená navrˇzená vyp´ınac´ı matice ochran generátoru TG 1000 MW. Po levé stranˇe jsou vypsané ochranné funkce a v horn´ı ˇcásti jsou vypsány pˇr´ısluˇsné akˇcn´ı prvky. Ve vyp´ınac´ı matici si m˚ uˇzeme povˇsimnout faktu, ˇze k nˇekterým ochranným funkc´ım nen´ı pˇripˇraˇzen ˇzádný vyp´ınac´ı prvek. V takovém pˇr´ıpadˇe má povˇetˇsinou ochranná funkce pouze signalizovat pˇrekroˇcen´ı nastavených parametr˚ u, tzn. ˇze jejich primárn´ı funkc´ı je signalizace pˇrekroˇcen´ı napˇr´ıklad prvn´ıho stupnˇe ochrany.

52

Systém elektrických ochran generátorového bloku QM1 ASV QM3 QM9

Jan Marˇsal PO

Nadproudové p etížení 1. st. Nadproudové p etížení 2. st. Nesymetrie 1. st. Nesymetrie 2. st. Rozdílová Rozdílová Podbuzení Ztráta buzení Ztráta buzení Prokluz pól nabuzeného stroje Nadp ová 1. st. Nadp ová 2. st. P esycení mg. tokem 1. st. (U/f) P esycení mg. tokem 2. st. (U/f) Zemní statoru 50 Hz Frekven ní relé 1. st. f>50.2 Hz Frekven ní relé 2. st. f>51,5 Hz Frekven ní relé 1. st. f<49,8 Hz Frekven ní relé 2. st. f<47,9 Hz Zemní statoru 150 Hz Zemní rotoru 1. st. Zemní rotoru 2. st. Zemní rotoru 3. st. Zp tná wattová

Obrázek 28: Návrh vyp´ınac´ı matice Kde QM1 – generátorový vyp´ınaˇc ASV – automatika selhán´ı generátorového vyp´ınaˇce QM3 – odbuzovaˇc generátoru QM9 – odbuzovaˇce bud´ıc´ıho alternátoru PO – provozn´ı odbuzen´ı RZV – rychlozávˇerný ventil EU – elektrický urychlovaˇc ACA – vyp´ınaˇce 400 kV linky

53

RZV

EU

ACA

2014


Jan Marˇsal

2014

Z´ avˇ er Problematika generátorových ochran je komplexn´ı záleˇzitost, která v sobˇe kloub´ı nˇekolik oblast´ı ze sféry teoretických a praktických zkuˇsenost´ı v oboru elektroenergetiky. Zvláˇstˇe u generátor˚ u velkých výkon˚ u je tento fakt umocnˇen právˇe jejich nezanedbatelným pod´ılem pˇr´ıspˇevku do elektrizaˇcn´ı soustavy a závaˇznosti dopadu jejich havárie z hlediska bezpeˇcnostn´ıho a finanˇcn´ıho. Proto je u souboru ochran kladen takový d˚ uraz na spolehlivost a zaruˇcen´ı bezpeˇcného provozu chránˇeného objektu. Pro celkové shrnut´ı tématu jsem v prvn´ı ˇcásti práce analyzoval moˇzné poruchové stavy generátoru s uveden´ım adekvátn´ıho systému chránˇen´ı. Druhá kapitola, koncipovaná jako seznámen´ı s chránˇeným objektem, se tedy vˇenuje turbogenerátoru TG1000 MW. Postupnˇe jsou v n´ı uvedeny moˇzné provozn´ı a poruchové stavy. Posledn´ı teoretická ˇcást práce vyhodnocuje vliv vnˇejˇs´ıch poruchových stav˚ u na nomináln´ı provoz bloku turbogenerátoru. Jsou v n´ı uvaˇzovány tyto tˇri poruchové stavy: zkrat v rozvodnˇe Koˇc´ın, zkrat na odchoz´ı tranzitn´ı lince z rozvodny Koˇc´ın a kol´ısán´ı frekvence v elektrizaˇcn´ı soustavˇe. V praktické ˇcásti byl proveden výpoˇcet nastaven´ı ochran a výbˇer konkrétn´ıho typu souboru ochran od spoleˇcnosti ABB. Spoleˇcnost ABB se svoj´ı modelovou ˇradou REG zaruˇcuje spolehlivý a léty provˇeˇrený standard na poli chránˇen´ı velkých generátor˚ u. Vzhledem k dosavadn´ım zkuˇsenostem, které byly z´ıskány bˇehem jej´ıho pouˇzit´ı v JE Temel´ın, jsem jako moˇznou alternativu k souboru ochran REG216 vybral ochranu REG670. REG670 v souˇcasné dobˇe reprezentuje top model, který uˇzivateli poskytuje vylepˇsen´ı zaloˇzená na dlouholetých zkuˇsenostech. Z tˇechto inovac´ı m˚ uˇzeme namátkou vybrat pˇrehledné Human Machine Interface s moˇznost´ı kontroly aktuálnˇe mˇeˇrených hodnot, funkce záznamu poruchových stav˚ u pro pozdˇejˇs´ı analýzu a sériovou komunikaci prostˇrednictv´ım optického kabelu, který zajist´ı odolnost v˚ uˇci ruˇsen´ı.

54


Jan Marˇsal

2014

Seznam obr´ azk˚ u 1 2

Jednofázové schéma principu ˇcinnosti rozd´ılové ochrany [1] . . . . . . . . . . . . Pr˚ ubˇehy proudu v základn´ım uspoˇrádán´ı rozd´ılové ochrany [1] . . . . . . . . . .

3 4

Jednofázové schéma principu ˇcinnosti rozd´ılové ochrany s kompenzac´ı [1] . . . . 10 Pr˚ ubˇehy proudu v základn´ım uspoˇrádán´ı rozd´ılové ochrany [1] . . . . . . . . . . 10

5 6 7

Vyp´ınac´ı charakteristika digitáln´ı rozd´ılové ochrany [1] . . . . . . . . . . . . . . 11 Zemn´ı spojen´ı v rotoru generátoru [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Blokové schéma ochrany pro nesymetrické proudové zat´ıˇzen´ı [1] . . . . . . . . . 12

8 9

Vyp´ınac´ı charakteristika digitáln´ı ochrany pro nesymetrické zat´ıˇzen´ı [1] . . . . . 13 Statická stabilita synchronn´ıho generátoru [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

10 11 12

Znázornˇen´ı ochrany proti ztrátˇe buzen´ı v impedanˇcn´ı rovinˇe [2] . . . . . . . . . . 15 Pˇr´ıklad ˇcásteˇcné redundance [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Pˇr´ıklad u ´ plné redundance [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

13 14

Vyp´ınac´ı matice [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Schéma buzen´ı TG 1000 MW [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

15 16 17

Obecný PQ diagram turbogenerátoru [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Screen z pracovn´ı obrazovky v programu APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Zjednoduˇsené schéma VS [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

18 19

Zjednoduˇsené schéma VS s poruchou v rozvodnˇe Koˇc´ın [9] . . . . . . . . . . . . 32 Zjednoduˇsené schéma VS s poruchou na veden´ı z rozvodny Koˇc´ın [9] . . . . . . . 33

20 21 22

Obecná charakteristika rozd´ılové ochrany [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Obecná charakteristika impedanˇcn´ı ochrany [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Obecná charakteristika zkratové ochrany [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

23 24

Obecná charakteristika ochrany proti proudovému pˇret´ıˇzen´ı [1] . . . . . . . . . . 42 Obecná charakteristika ochrany proti nesymetrickému proudovému pˇret´ıˇzen´ı [1] . 43

25 26 27

Obecná charakteristika proti ztrátˇe stability [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Obecná charakteristika automatiky pˇri omezen´ı výkonu [1] . . . . . . . . . . . . 46 Znázornˇen´ı redundance s pouˇzit´ım IED REG670 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

28

Návrh vyp´ınac´ı matice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

55

8 9


Jan Marˇsal

2014

Seznam tabulek 1 2

Doporuˇcené ochranné funkce dle jmenovitého výkonu generátoru [3] . . . . . . . 19 Volba ochranných funkc´ı pro redundantn´ı koncepci [3] . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 4

Kódové znaˇcen´ı ochranných funkc´ı dle ANSI/IEE [4] . . . . . . . . . . . . . . . 22 Okamˇzité mˇeˇrené parametry TG 1000 MW [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5 6 7

Parametry budiˇce nSR [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Hodnoty v APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Parametry generátoru TG 1000MW [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

8 9

Parametry blokového transformátoru [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Parametry pˇr´ıstrojových transformátor˚ u [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10 11 12

Parametry rozd´ılové ochrany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Parametry impedanˇcn´ı ochrany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Parametry zkratové ochrany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

13 14

Parametry zemn´ı ochran statoru na 1. harmonickou . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Parametry ochrany proti proudovému pˇret´ıˇzen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

15 16 17

Parametry zpˇetné wattové ochrany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Parametry ochrany proti ztrátˇe stability pˇri podbuzen´ı . . . . . . . . . . . . . . 45 Parametry ochrany proti ztrátˇe buzen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

18 19

Povolené ˇcasy chodu generátoru . . . . . . Parametry ochrany zmˇenách frekvence . . Parametry pˇrepˇet’ové ochrany . . . . . . . ˇ Ochrané funkce pro generátory dle CSN 33

20 21 22

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Návrh ochranných funkc´ı pro redundantn´ı koncepci . . . . . . . . . . . . . . . . 52

56


Jan Marˇsal

2014

Reference ˇ [1] JANÍCEK, Frantiˇsek. Digitálne ochrany v elektrizaˇcnej s´ ustave. 1. vyd. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2004, 360 s. ISBN 80-227-2135-2. ´ ´ NKA. ˇ [2] MASLO, Karel a Ladislav HA Analýza asynchronn´ıho chodu generátor˚ u (1). 2003. Dostupné z: http://www.atpjournal.sk/buxus/docs/atp-2003-1-62.pdf [3] SIEMENS. Aplikace pro ochrany SIPROTEC: Ochrana stˇredn´ıch a velkých generátor˚ u se SIPROTEC 7UM6. 2005. [4] ABB. REG 216: Generator and genarator transformer protection. Dostupné z: http://www.electricalmanuals.net/files/RELAYS/ABB/REG/1MRB-520004-BEN.pdf [5] ROTBAUER, Michal. Elektrická ˇcást JE Temel´ın - vlastn´ı spotˇreba JE. Plzeˇ n, 2012. Bakaláˇrská práce (Bc.). Západoˇceská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická. Vedouc´ı práce Jana Jiˇriˇcková. ´ Gabriela. CEZ ˇ [6] TICHA, A.S. Elektrická ˇcást JE VVER 1000: Uˇcebn´ı texty pro doˇskolen´ı ´ personálu UJE. 2003. ´ Gabriela. CEZ ˇ [7] TICHA, A.S. Elektrická ˇcást JE VVER 1000. 2010 ´ C, ˇ Karel. ZAPADO ´ ˇ ´ UNIVERZITA V PLZNI. Pracovn´ı oblast a provozn´ı di[8] NOHA CESK A agram generátoru. Dostupné z: http://home.zcu.cz/ nohac/E2/Elektrarny2-cast09-v2.pdf ˇ ˇ [9] HLEDÍK, Jiˇr´ı. CEZ A.S. Pˇrednáˇska Elektrická ˇcást JE Temel´ın [online]. FEL ZCU Plzeˇ n, 2014 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://kryton.zcu.cz/public/GALERIE%20%20TRANSFER/KA1 odborny.avi

workshop=/WORKSHOP

16

HLEDIK%20II./hledik-

ˇ ˇ ıc´ı materiály JE Temel´ın. 2014. [10] HLEDÍK, Jiˇr´ı. CEZ. Skol´ [11] ABB. Generator protection REG670: Protect Guide. Dostupné http://www05.abb.com/global/scot/scot349.nsf/veritydisplay/1eab97e040318b69c125

z:

77670044debd/$ file/1mrk502019-ben b en generator protection reg670 1.1 preconfigured product guide.pdf

57


Pˇ r´ılohy Souˇcást´ı pˇr´ılohy je jednopólové schéma ochran JE Temel´ın.

58

Jan Marˇsal

2014

Fakulta elektrotechnická Katedra elektroenergetiky a ekologie

Recommend Documents