Chránění alternátorů středního výkonu (do 50 MV·A)

Chránění alternátorů středního výkonu (do 50 MV·A)

Článek seznamuje s nabídkou elektrických ochran alternátorů na tuzemském trhu v mikroprocesorovém provedení (ABB, Siemens, Alsthom, CEE, SEL) a statickém provedení (Protection & Consulting, s. r. o.).

Norma ČSN 33 3051 Ochrany elektrických strojů a rozvodných zařízení předepisuje konkrétní druhy elektrických ochran pro chránění alternátorů různých výkonů, nepřihlíží však k různému způsobu provozu uzlu alternátoru (izolovaný uzel uzemněný přes tlumivku nebo rezistor), nerozlišuje zapojení alternátoru přímo do systému vn nebo přes blokový transformátor ani paralelní provoz alternátoru se systémem, popř. tzv. ostrovní režim. Článek diskutuje tato témata a nabízí jejich řešení pomocí statických nebo číslicových ochran. Výrobky řešící problematiku elektrických ochran alternátorů jsou uvedeny dále, včetně specifikace jejich předností a možností řešení uvedeného problému.

1. Chránění alternátorů do výkonu 50 MV·A
Soubor ektrických ochran alternátoru má obsahovat ochrany uvedené v tab. 1 a [1].

1.1 Číslicové ochrany firmy ABB (Švédsko, Finsko)
Pro chránění alternátorů lze použít soubor ochran typu REG216, respektive kombinace souborů REG100, REG110 (volitelná je zemní ochrana rotoru), REG150 (lze použít i souboru ochran typu SPAG, doplněného o rozdílovou ochranu SPAD); zemní ochrana rotoru se řeší kombinací oddělovací jednotky typu SPMK a citlivé proudové ochrany typu SPAJ140. Nejnovější nabídku pro generátory do 10 MV·A představuje terminál točivého stroje typu REM543, který obsahuje funkce PLC (automatizační a sekvenční funkce), měřicí, řídicí a ovládací funkce.

1.2 Číslicové ochrany firmy SIEMENS (Německo)
Pro chránění alternátorů lze použít soubor ochran typu 7UM511 (soubor obsahuje proudové, napěťové, frekvenční a směrové ochrany), v případě nutnosti rozdílové ochrany typu 7UT512 nebo tříbodovou ochranu typu 7UT513 (tyto dva soubory 7UM511 a 7UT512 jsou nutné pro chránění alternátorů, ostatní ochrany, např. zemní ochrana rotoru, zemní směrové nebo proudové ochrany, lze řešit samostatnými jednoduchými ochranami, jejichž výstupní relé se zapojí jako binární vstup číslicových souborů). Tímto „hybridním“ ochranným systémem alternátoru lze řešit nutnost vazby na nadřazený řídicí systém a přitom být cenově dostupný pro zákazníka [4].

1.3 Číslicové ochrany firmy ALSTHOM+AEG (Francie+Německo)
Pro chránění alternátorů lze použít soubor ochran typu LGPG 1111, který navíc obsahuje i ochranu vyhodnocující ztrátu napětí (podle kódu ANSI 60), proudovou ochranu závislou na napětí (kód 51V), dopředný výkon (výkon směřující od zdroje k uživateli) – kód 32L. Zemní ochrana rotoru je samostatná, na střídavém principu typu TOG.

Další možnou aplikací je číslicový soubor PG 851 (dříve firma AEG), který případně obsahuje i distanční ochranu s charakteristikou MHO (kód 21), ochranu proti přesycení (kód 24), ochranu selhání vypínače (kód 62BF) – soubor lze rozšířit o zemní ochranu rotoru (kód 64R).

1.4 Číslicové ochrany firmy CEE (Francie)
Pro chránění alternátorů lze použít soubory ochran typu GMS7001 a DMS7001; jako zemní ochrana rotoru se použije kombinace oddělovací jednotky „filtru“ a proudové citlivé ochrany typu TTE7017, která je cejchována v kiloohmech.

1.5 Číslicové ochrany firmy SEL (USA)
Pro chránění alternátorů lze použít souborů ochran typu SEL-300G, jejichž modifikace se liší v osazení rozdílové ochrany popř. funkcí synchrochecku (zařízení pro kontrolu synchronismu). Zemní ochrana rotoru není součástí souborů ochran.

2. Statické ochrany firmy Protection & Consulting, s. r. o.
Výraznou předností statických ochran firmy Protection & Consulting, s. r. o., [2] je především malá spotřeba v proudových obvodech, přesnost, spolehlivost působení (odolnost proti elektromagnetickému rušení), jednoduchost nastavování parametrů, malé rozměry a hmotnost, vysoká zkratová odolnost proudových obvodů a univerzálnost napájení.

Příklad aplikace systému statických elektrických ochran firmy Protection & Consulting, s. r. o., pro alternátor, který je zapojen přímo do rozvodny 6 kV, je na obr. 1, při zapojení alternátoru v blokovém uspořádání je na obr. 2. Alternátor je zapojen do rozvodny 22 kV přes blokový transformátor a nemá odbočku pro napájení vlastní spotřeby; je použita společná rozdílová ochran alternátoru a blokového transformátoru typu RT1.

2. 1 Charakteristiky elektrických ochran firmy Protection & Consulting, s. r. o. [2]

2.1.1 Ochrana typu RIGA
Nastavení jednotlivých členů je vztaženo na pracovní proud ochrany I_r, např. nadproudový zkratový člen I > v rozmezí 0,5 až 3,5 I_r, krok 0,2, nadproudový člen I_p pro signalizaci přetížení v rozsahu 0,9 až 1,2 I_r, krok 0,02. Nadproudový závislý člen I_c obsahuje jednu časovou konstantu T, která je při proudu 1,25 I_r rovna době působení 1 - 2 - 3 minuty. Nadproudový člen I₂ pro kontrolu nesymetrie má závislou charakteristiku I²₂t = konst., s možností nastavení 2,5 až 10 s, krok 2,5 s, nastavení asymptoty (trvale dovolená nesymetrie) 4 až 10 %, krok 2 %.

Nadproudový člen I₀ pro indikaci zemního spojení lze zapojit na samostatný průvlekový transformátor proudu nebo na výsledný proud, který teče vodičem z uzlu transformátorů proudu. Pomocí přepínače PR lze přiřadit funkci jednotlivých ochran na dvě výstupní relé.

2.1.2 Rozdílová ochrana RT1
Je to statická, trojfázová, rozdílová ochrana, která se skládá ze dvou samostatných rozdílových ochran s možností samostatného nastavení, které působí při vnitřních zkratech chráněného úseku. Ochrana je doplněna o záložní nadproudovou ochranu, jejíž činnost je odvozena od průchozího proudu.

Ochrana RT1 je vhodná pro dvouvinuťové silové transformátory vvn/vn, vn/vn, vn/nn, popř. chrání celý blok generátor – transformátor.

1. stupeň rozdílové ochrany R1 > má blokování druhou harmonickou proudu, nastavení rozdílového proudu od 0,25 I_r do 1 I_r, časové zpoždění je asi 40 ms, při zapínacím rázu transformátoru se přepíná časové zpoždění na hodnotu asi 180 ms.

2. stupeň rozdílové ochrany R2 > není blokován, nastavení rozdílového proudu od 2 I_r do 5 I_r, časové zpoždění do 20 ms.

Lomená část vypínací charakteristiky obou stupňů se sklonem k umožňuje respektovat při větších proudech vliv různé chyby transformátorů proudu.

Nadproudová část ochrany I >:

Velikost nastavitelného proudu, standardně I > = 4 - 6 - 8 - 10 I_n, lze volit podle skutečných zkratových poměrů, časové zpoždění je v rozmezí 0 až 3,2 s, krok 50 ms.

Poznámka: pro jednodušší aplikace se nabízí statická rozdílová ochrana typu RG1, bez blokování druhou harmonickou proudu [2].

2.1.3 Nadpěťová ochrana RUn1
Je to statická nadpěťová, jednofázová, dvoustupňová, časově nezávislá ochrana, určená pro přesnou indikaci zvýšení napětí nad nastavenou hodnotu u alternátorů a zařízení ve vlastní spotřebě elektráren.

U alternátorů se požaduje nadpěťová ochrana dvoustupňová a zálohuje selhání regulátoru napětí. Zvýšení napětí obvykle doprovází náhlé odlehčení alternátoru. Nastavení prvního stupně představuje možnost 64 kroků napětí, např. citlivost měření 66 až 129 V, krok 1V; rozsah je možné posunout podle požadavku zákazníka, časové zpoždění 0,1 až 6,4 s, krok 0,1 s. Druhý stupeň je nastaven trvale na hodnotu 130 V a časové zpoždění je nastavitelné na 100, 200 nebo 300 ms.

2.1.4 Zemní ochrana statoru RUo – před nafázováním
Je to statická nadpěťová, jednofázová, časově nezávislá ochrana, určená pro indikaci zemních spojení statorového vinutí alternátorů, které pracují v bloku s transformátorem nebo přímo do přípojnic vn.

Ochrana RU_o se používá jako tzv. 90% ochrana statorového vinutí na principu základní harmonické. Při vzniku zemního spojení statorového vinutí se objeví nulová složka napětí U₀. Jeho velikost závisí na místu zemního spojení a roste směrem ke svorkám stroje. Maximální hodnota napětí při vzniku zemního spojení je na svorkách nebo na vývodu generátoru.

Ochrana RUo není citlivá na vyšší harmonické a subharmonické (ferorezonance). Citlivost měření lze nastavit: 5 - 10 - 15 - 20 % U_n, časové zpoždění v rozmezí 0,15 až 6,4 s, krok 0,1 s.

2.1.5 Zemní směrová ochrana RZS-1 – po nafázování
Je to statická směrová ochrana, s nezávislým časovým zpožděním. Její předností je možnost nastavení fázového úhlu j mezi vstupním proudem I₀ a napětím U₀, a možnost nastavení časového zpoždění v rozmezí 0,1 až 6,4 s. Jelikož zemní spojení jsou často přechodného charakteru, při nastavení časového zpoždění například 2 s se nadbytečně neprojeví. Pokud alternátor pracuje do izolované sítě, nastaví se zemní směrová ochrana jako jalová, tedy měří sin j, v případě provozu sítě vn jako kompenzované, je nastavení ochrany činné a měří složku cos j.

2.1.6 Zemní ochrana rotoru typu RIR + od-dělovací jednotka VOJ
Ochrana typu RIR je statická proudová, dvoustupňová, časově nezávislá ochrana, určená pro citlivou indikaci zemního spojení budicího obvodu alternátoru. Pracuje na principu superpozice střídavého napětí 50 Hz vstřikovací a oddělovací proudovou jednotkou typu VOJ k stejnosměrnému obvodu budiče.

Doporučené hodnoty proudu pro nastavení

1. a 2. stupně u ochrany typu RIR jsou:
1. stupeň – 20 mA, časové zpoždění asi 4 s,
2. stupeň – 40 mA, časové zpoždění do 1 s.

2.1.7 Zpětná wattová ochrana RZW/RZS-1
Je to statická směrová ochrana, s nezávislým časovým zpožděním a používá se jako zpětná wattová ochrana alternátorů, blokovaná strojními ochranami. Proudově je ochrana zapojena do jedné fáze a napěťově na sdružené napětí zbývajících fází. Citlivost nastavení je 0,5 - 1 - 1,5 - 2 % jmenovitého proudu (1 A, 2 A nebo 5 A), ochrana je nezávislá na velikosti napětí od asi 20 V, časové zpoždění lze nastavit v rozmezí 0,1 až 6,4 s, krok 0,1 s. Projektuje se i jako tzv. dvoustupňová, s dvěma časovými zpožděními, 1. stupeň asi 2 až 4 s (blokovaný strojními ochranami), 2. stupeň s časovým zpožděním 20 s bez blokování. Použití ochrany typu RZS-1 jako zpětné wattové umožňuje její zapojení na fázové i sdružené napětí.

2.1.8 Podpěťová ochrana typu RUp3
Je statická, trojfázová, časově nezávislá ochrana, určená pro přesnou indikaci snížení napětí pod nastavenou hodnotu. Vyžaduje se u hydroalternátorů, a to asynchronních i synchronních s motorickým chodem, o výkonu nad 2,5 MW.

U alternátorů se podpěťová ochrana používá pro blokování nadproudové zkratové časově nezávislé ochrany pro zajištění selektivity, nelze-li tuto možnost splnit nadproudovo-časovým kritériem.

Rozsah nastavení je obvykle v rozmezí 56 až 120 % U_n, krok 1 % (v případě požadavku zákazníka jej lze libovolně posunout), časové zpoždění 0,1 až 6,4 s, krok 0,1 s.

2.1.9 Číslicová frekvenční ochrana RFT21
Tato ochrana působí při změně frekvence v energetickém systému. Při přetížení alternátoru zapojeného do energetického systému působí frekvenční ochrana při poklesu frekvence (otáček stroje) pod nastavenou hodnotu f_d nebo při jeho odlehčení jestliže je překročena frekvence nad nastavenou hodnotu f_h. Je povinná při předpokládaném vzniku ostrovního (samostatného) provozu alternátoru.

Pomocí samostatného přepínače lze ochranu provozovat jako nadfrekvenční a podfrekvenční nebo dvoustupňovou podfrekvenční, s místním restartem nebo automatickým restartem po skončení poruchy; činnost ochrany lze dálkově zablokovat. Rozsah nastavení lze volit v rozmezí 45 až 55 Hz, s krokem nastavení 0,1Hz.

3. Činitele ovlivňující elektrické poměry při zemním spojení statoru alternátoru

A. Zapojení alternátoru do energetického systému:
a) přes blokový transformátor do systému vn nebo vvn,
b) přímo do systému vn.

B. Provoz uzlu alternátoru:
a) s izolovaným uzlem, popř. pomocí transformátoru napětí (vysokoimpedanční uzemnění), v ČR běžné u starších alternátorů do 50 MV·A,
b) přes rezistanci buď přímo, nebo přes výkonový transformátor (nízkoimpedanční uzemnění), přibývá alternátorů i menších výkonů i jako tzv. kogenerační jednotky.

3.1 Vliv zapojení alternátoru
Zapojení Aa): Jestliže alternátor pracuje přes blokový transformátor do sítě vn, která není provozována přímo uzemněná, nepřenáší se zemní poruchy na alternátor; v případě, že alternátor pracuje do sítě vvn, přenáší se napětí do uzlu alternátoru při jednopólových zkratech na straně vvn vlivem kapacitní vazby blokového transformátoru. Obvykle se tento případ týká alternátorů nad 50 MV·A.

Při zapojení alternátoru Ab) se přenáší na stroj (v některých případech i velmi nepříznivě) jevy, které probíhají ve vnější síti vn (zemní spojení, nesymetrie, rušení apod.).

Z hlediska chránění alternátoru při vzniku zemních spojení statorového vinutí klade případ Ab) výrazně vyšší nároky na schopnost ochran rozpoznat místo poruchy.

3.2 Vliv provozu uzlu alternátoru – ovlivňuje chování stroje při zemním spojení
Kritériem pro způsob provozu uzlu alternátoru je velikost zemního (kapacitního) proudu. Za bezpečný zemní proud se u alternátorů ŠKODA považuje zemní proud 7 A a předpokládá se vypnutí stroje s následným odbuzením. Doba vypnutí by neměla překročit 10 s. U alternátorů AVK instaluje výrobce do uzlu rezistor, který omezuje proud při zemním spojení (zkratu) na hodnotu 10 A, s dobou trvání maximálně 10 s.

Teče-li při zemním spojení alternátoru teče místem poruchy proud menší než 7 A, lze obecně provozovat uzel alternátoru podle bodu Ba), v případě většího proudu než 7 A se doporučuje varianta Bb).

4. Indikace zemních spojení statoru alternátoru
Pro rozpoznání zemních poruch alternátoru se nejčastěji používají zemní ochrany, které indikují nulové složky napětí U₀ nebo proudu I₀, popř. složky jejich zdánlivého výkonu U₀·I₀, a to reálnou, činnou: P₀ = U₀·I₀·cos j₀, nebo imaginární, jalovou: Q₀ = U₀·I₀·sin j₀; pak jde o tzv. směrové ochrany činné nebo jalové.

Veličinu U₀ (nulové napětí) lze měřit v uzlu alternátoru na sekundárním vinutí transformátoru napětí (izolovaný uzel, Ba) nebo z otevřeného trojúhelníku transformátoru napětí na vývodu alternátoru. Veličinu I₀ (nulový proud) lze měřit na vývodu alternátoru pomocí průvlekového transformátoru (u kabelového vývodu) nebo pomocí tzv. Holmgreenova zapojení klasických transformátorů proudu (tj. paralelního zapojení transformátorů proudu).

Poznámka: Nulové složky napětí U₀ a proudu I₀ obsahují podle teorie souměrných složek koeficient 3.

Pro chránění 100 % statorového vinutí alternátoru by bylo zapotřebí doplnit měření nulové složky napětí U₀ základní harmonické (obvykle lze takto chránit až 95 % vinutí) o měření 3. harmonické napětí v uzlu a na svorkách alternátoru (tzv. Bermannův princip, který slouží pro indikaci zemních poruch i v blízkosti uzlu stroje).

5. Zemní ochrana statoru alternátoru
Při zapojení alternátoru Aa) – v blokovém zapojení – je při zemním spojení tzv. 90% ochrana, která chrání podle nastavení obvykle 80 až 95 % vinutí statoru od svorek směrem k uzlu. Ochrana na principu základní harmonické napětí se používá obvykle pro menší a středně velké elektrárenské jednotky; nesmí působit při zemní poruše na straně vvn blokového transformátoru, a z tohoto důvodu je i blokována nadproudovou ochranou na složku I0, která je zapojena v uzlu blokového transformátoru, nebo ji lze zpozdit až za dobu působení záložních ochran vedení.

Při zapojení alternátoru Ab) – přímo do systému vn, se projektuje zemní 90 % ochrana na složku U₀ před nafázováním alternátoru. Po nafázování slouží k indikaci zemních spojení v systému vn. Pro stanovení zemního spojení v alternátoru je nutné použít zemní směrové ochrany. V případě provozu uzlu alternátoru, nebo systému vn, do kterého je alternátor zapojen, jako izolovaného použije se zemní směrové ochrany na jalovém principu. Když jde o provoz s rezistorem nebo s kompenzační tlumivkou, použije se zemní směrové ochrany na činném principu.

Přehled vhodných statických a číslicových zemních směrových ochran je uveden v [6].

Na základě předchozího rozboru provozu alternátorů středních výkonů do 50 MV·A je nutné upozornit, že stávající norma ČSN 33 3051, kap. 6, nezahrnuje některé velmi důležité body:

• nerespektuje požadavky ostrovního (samostatného) provozu u alternátorů do 50 MV·A na vybavení frekvenčními ochranami (jsou předepsány jen u dieselgenerátorů) a podpěťovou ochranu,
• nerespektuje provedení budicího systému (kroužkový, bezkroužkový, tyristorový apod.) na chránění proti zemnímu spojení rotoru,
• nerespektuje způsob uzemnění uzlu alternátoru na chránění proti zemnímu spojení statoru,
• nadpěťová ochrana by měla být dvoustupňová nebo časově závislá,
• u alternátorů do 50 MV·A není při zemním spojení statoru respektován způsob vyvedení výkonu: přes blokový transformátor, přímo do systému vn, napájení vlastní spotřeby přes odbočkový transformátor nebo přes reaktor,
• u blokových transformátorů je uvedena jako zemní ochrana nádobová ochrana (přestože ve světě se kromě Francie nepoužívá), popř. se neuvádí jiná možnost.

6. Závěr
Pro chránění alternátorů středního výkonu do 50 MV·A lze použít číslicových souborů ochran zahraničních výrobců (ABB, Siemens, Alsthom, CEE, SEL), statických ochran (Protection & Consulting, ZEG Tychy).

Výrazný vliv na chránění alternátorů do 50 MV·A při zemních poruchách statorového vinutí a vývodu vn má zapojení do energetického systému (přes blokový transformátor, přímo do systému vn) a provoz uzlu (uzel izolovaný, kompenzovaný nebo uzemněný přes rezistor). V předcházejících kapitolách jsou uvedeny principy zemních ochran statoru alternátoru při provozu s blokovým transformátorem Aa), při zapojení alternátoru přímo do systému vn Ab) a připomínky ke stávající normě ČSN 33 3051, kap. 6, které respektují i ostrovní provoz alternátorů.

Tab. 1. Soubor elektrických ochran alternátoru