Universitatea Politehnica din BucuretiFacultatea de Energetic

Referat de cercetare tiinific pentru dizertaie 4

Student: Son Adnana-ElenaGrupa MS 11, Master anul IConductor stiinific: Prof.dr.ing. S. St. ILIESCUConsultant tiinific: dr.ing. Onia Calot

Bucureti 2015

Cuprins

1.Introducere..3

2.Concepte de redundan..5

3.Scheme monofilare de protecie pentru generatoare de mic putere (< 5-10 MW)9

4.Scheme de protecie pentru generatoare de putere medie (10-50 MW)..14

5.Scheme de protecie pentru generatoare de mare putere ( >50-100 MW)..14

Scheme de protecie pentru generatoare de tipul SIPROTEC 41.Introducere

Scheme de proteciei pentru generatoare de tipul SIPROTEC 4 cu dispozitiv de protecie 7 UM6 i dispozitive auxiliare 7 UT6 si 7SJ6.

Fig. 1 Dispozitive de protecie pentru generatoare de tip Siprotec

n cazul schemelor de proteciei pentru generatoare de tipul SIPROTEC 4 dac utilizatorul cere suport pentru ntreinerea i reparaia proteciei, atunci este necesar o schema monofilar care s descrie configuraia centralei. Cele mai importante informaii la alegerea sistemului de protecie sunt cele legate de amplasarea transformatorului de msurare n cadrul staiei electrice, descrierea detaliat a caracteristilor acestuia (categorie, raport de transformare, clas de precizie, distana fa de protecia de ni pentru calculul sarcinii) i date generale ale centralei electrice i ale ntreruptorului.n cazul n care generatoarele sunt conectate direct la sistemul de bare colectoare pentru a dimensiona sistemul de protecie mpotriva punerii la pmnt sunt necesare informaii referitoare la tipul de conexiune.se reflect pe de o parte n preul de cost total i pe de alt parte n importana strategic a centralei (disponibilitate, minimizarea daunelor). n tabelul 1 este prezentat gama dispozitivelor de protecie, se observ zona de aciune a proteciei crete o dat cu creterea puterii nominale a generatorului.Tipul protecieiANSIGenerator Putere nominl (MVA)

< 55 - 5050 - 200> 200

Protecia mpotriva punerii la pmnt statorice 90 %64, 59N, 67NXXXX

Protecia mpotriva punerii la pmnt statorice 100 %64(100%)XX

Protecia diferenial87G, 87ToXXX

Protecia de suprasarcin50, 51VXXoo

Protecia de impedant21XX

Rotor earth fault64RoXXX

Protecia mpotriva punerii la pmnt rotorice46XXX

Protecia mpotrivareducerii/pierderii excitaiei40oXXX

Protecia mpotriva suprasarcinii statorice49XXXX

Protecia mpotriva suprasarcinii rotorice49RX

Protecia de maximal tensiune59XXXX

Protecia la creterea frecvenei81XXXX

Protecia la scderea frecvenei81XXX

Protecia de putere invers32XXXX

Protecia de maximal tensiune27YYYY

Tabel 1 Gama Protecia mpotrivacreterii excitaiei dispozitivelor de protecie (o = operaie opionala, Y = staie electric de evacuare a energiei produs ntr-o central cu acumulare prin pompare)

Mai mult dect att experiena utilizatorului (concepte de protecie utilizate n trecut, i experiena dobndit n urma unor defecte ale sistemului) joac un rol important n structura schemelor de protecie. Dispozitivele numerice de protecie cu funcionaliti multiple sunt foarte avantajoase. Prin scalarea funciilor unui singur dispozitiv, pot fi satisfcute diferite cerine, pstrnd n acelai timp un anumit grad de standardizare pentru diverse aplicaii i terminale.2. Concepte de redundanRedundana reprezint o metod de cretere a nivelului de siguran prin dublarea mijloacelor de detectare a unui pericol sau a msurilor de protecie. Redundana asigur funcionarea sistemelor de protecie chiar i n cazul n care una dintre componente cedeaz. n cazul sistemelor cu funcii critice, redundana poate nsemna alimentarea cu energie dintr-o sursa principal (reeaua electric) precum i dintr-o surs de rezerv (un generator electric). Redundana trebuie folosit acolo unde riscurile sunt mari, dar nu trebuie scpate din vedere dezavantajele: costuri mai ridicate, echipamente cu gabarit mai ridicat s.a. Pentru a gsi soluia optim este util analiza cost-beneficiu.Structura sistemelor de protecie este n mare msur determinat pe considerente de redundan. Principiul n-1 este un principiu de baz n faza de proiectare. Acest lucru asigur c defectarea unei singure componente nu conduce la defectarea ntregului sistem. Acest principiu nu se aplica ns ntotdeauna, n cazul centralelor de mic putere are loc un compromis ntre redundan i costuri.n practic se folosesc urmtoarele tipuri de scheme:

a) Scheme de protectie fr redundan:n figura 1, este prezentat conceptul de baz. n cazul n care componenta de protecie se defecteaz ca de exemplu automonitorizarea - atunci nu mai este posibil o operaiune suplimentar fr riscuri. Disponibilitatea global (minimizarea timpului de defectare a centralei), poate fi crescuta prin aplicarea rapida a unei strategii de mentenan corectiv (folosirea de piese de schimb etc.). Acest tip de schema de conexiune poate fi folosit pentru generatoare de mic putere.

Fig. 2 Schema de protectie fr redundan

b) Schema de protecie cu redundan parialn acest tip de schema, sunt utilizate cel puin dou dispozitive de protecie, aa cum se prezint n figura 2. Dispozitivele de protecie se aleg astfel nct centrala electrica s poate rmne n funciune atunci cnd unul dintre cele dou dispozitive se defecteaz. Trebuie s fie ns acceptate anumite restricii, de exemplu, dispozitivele de protecie s fie conectate la acelai transformator. Sarcina impus de tipul proteciei este neglijabil n acest caz.Acelai lucru se aplic i n cazul circuitului de alimentare de rezerv, ambele dispozitive trebuie s fie conectate la aceeai surs, ntreruptorul are, de obicei, o singur bobina de declanare. Astfel durata de timp disponibil pentru reparare este mai mare. Reparaia poate fi programat s fie inclus ntr-un ciclu de mentenan planificat.

Fig. 3 Schema de protectie cu redundan parial

c) Scheme de protecie cu redundan completRedundana reprezint principiul de baz n cazul proiectrii structurii acestei scheme de protecie. Toate componentele de circuit eseniale sunt dublate, aa cum se arat n figura 3, principiul de redundana n cazul acestei scheme ncepe distinct cu transformatoarele de msur, de exemplu cu miezul transformatoarelor de curent, continu cu dispozitivele de protecie i semnalul de declanare, care este direcionat prin surse auxiliare separate ctre instalaiile de comand, utiliznd dou bobine de declanare. Funciile de protecie pot pe de o parte s fie duplicate n dispozitivele de protecie, pe de alt parte, funcii suplimentare de protecie cu diferite tehnici de msurare sunt de dorit. Exemple tipice sunt defectele de scurtcircuit i punere la pmnt.Defectele de punere la pmnt fr curent de scurtcircuit pot fi detectate pe aproximativ 90% din zona protejat prin msurarea tensiunii reziduale. O tehnic de msurare cu totul diferit folosind principiul de injecie n stator a unui semnal cu frecvena de 20 Hz - asigur o protecie pe 100% din zona protejat.Acelai lucru este posibil i pentru protecia mpotriva scurtcircuitului. Protecia principal este asigurat de protecie diferenial de curent, fiind rapid i selectiv, acesta este suplimentat de protecia de impedan.

Fig. 4 Schema de protectie cu redundan complet

Manevra de declanareProtecia generatorului, altele dect sistemele de protecie obinuite, trebuie s declaneze diferite echipamente de comutaie n funcie de natura defeciunii. Numrul defectelor este dependent de configuraia centralei electrice. De obicei, unitile de producie a energiei electrice de putere mai mare au mai multe echipamente de comutaie de acionat. Spre exemplu centralele hidroelectrice au manevre unice de declanare.Principiul fundamental este prezentat n figura 4. Pe ecranul de comnd este afiat pe o parte ntreruptorul care trebuie operat i pe cealalt parte funciile de protecie care realizeaz comanda de declanare. Programul de declanare depinde de condiiile de funcionare, n acest sens, exist dou teorii prima variant folosind o matrice de declanare (o matrice software cu tehnologie digital) astfel programul de declanare este definit individual i ntreruptorul este acionat direct i o a doua variant folosit n SUA, reduce manevra de declanarea n dou etape: de exemplu izolarea generatorului fa de defect i apoi a unitii de producie a energiei electrice. ntreruptorul este comutat prin intermediul releelor lock-out. Protecia necesit n acest scop doar un numr limitat de contacte declanare.

ntreruptor de generator ntreruptor excitaie generator Oprirea rapid a turbine ntreruptor reea de T ntreruptor auxiliar de rezerv 1 ntreruptor auxiliar de rezerv 2 Comutator auxiliar de rezerv SEE/SFC, Unitate trafo SEE/SFC, Aux. Trafo Rezerv Manevre de declanare special centrale hidroelectrice

Fig. 5 Matricea menevrei de declanarea

3. Scheme monofilare de protecie pentru generatoare de mic putere (< 5-10 MW)Sunt menionate apte exemple de scheme de protecie pentru generatoare mici, numai un singur dispozitiv de protecie este folosit din considerente de cost, iar redundana este neglijat. Pentru o putere sczut de 0,5-3 MW tipul de protecie 7UM61 ofer funcionalitate adecvat, dac este necesar o protecie diferenial de curent, poate fi folosit protecia de tip 7UM621. Decizia referitoare la puterea maxim a generatorului pn la care se poate folosi o schem de protecie fr redundan se bazeaz n general pe criterii de cost.

Dispozitivele de protecie multi-funcionale ndeplinesc, de asemenea, toate cerinele de protecie pentru o main electric de 10 MW. Schem de protecie tip 7UM61_LV_1

Fig. 6 Schema de protecie tip 7UM61_LV_1

Schema se refer la un generator de joas tensiune. Pentru msurarea tensiunii este necesar un transformator de tensiune. Cerinele transformatorului de tensiune stabilite de protecie sunt minime. Sarcina n circuitul de tensiune se ridic la aproximativ 0,3 VA, astfel nct un transformator de tensiune cu puterea nominal de 1 VA este suficient. Se recomand clasa de precizie 1.Poarta I in matricea de declanare indic faptul c protecia mpotriva scderii frecvenei trebuie blocat printr-un contact auxiliar al ntreruptorului generatorului, n acest scop este disponibil o intrare binar. Schem de protecie tip 7UM61_MV_1

Fig. 7 Schema de protecie tip 7UM61_LV_1

Aceasta schema prezint un generator care este conectat direct la sistemul de bare colectoare de medie tensiune. Pentru a realiza protecia mpotriva punerii la pmnt, un rezistor primar este conectat la punctul de conexiune stea. Pentru a preveni funcionarea n cazul unui defect la sistemul de bare colectoare, sunt conectate n paralel dou transformatoare de curent.n plus, variaia potenialului punctului neutru este folosit ca un criteriu de punere n funciune. n timpul pornirii (deschiderea ntreruptorului de generator), monitorizarea variaiei potenialului punctului neutru este suficient, aceast stare poate fi definit n dispozitivul de protecie, prin intermediul unei intrri binare. Funcia de protecie se schimb automat la variaia potenialului punctului neutru (vezi 1. Poarta SI din matricea de declanare). Terminaiile rmase corespund standard comun.Schema de protecie tip 7UM61_MV_2

Fig. 8 Schema de protecie tip 7UM61_MV_2

n general, structura de aseaman cu tipul 7UM61_MV_1, diferenta fiind protecia mpotriva punerii la pmnt, pentru a obine curentul de punere la pmnt rezidual, un transformator de mpmntare este conectat la sistemul de bare colectoare. Pentru selectivitate se folosete o protecie maximal direcional. Curentul de punere la pmnt este msurat prin intermediul unui transformator de msurare a curentului.Schem de protecie 7UM61_MV_3

Fig. 9 Schema de protecie tip 7UM61_MV_3

Acest schem descrie un dispozitiv de protecie pentru un bloc-generator. Pentru eliminarea rapid a defectelor n transformator se folosete o protecie de minim impedan.Protecia mpotriva punerii la pmnt este implementat prin evaluarea variaiei potenialului punctului neutru. Dac variaia potenialului punctului netru n secundarul transformatorului de legare la pmant este mai mare de 200 V, acesta este redus prin intermediul unui divizor. Pentru protecia mpotriva simplei i dublei puneri la pmnt rotorice este msurat curentul de punere la pmnt. Semnalele non-electrice relevante din transformator sunt introduse printr-o intrare binar4. Scheme de protecie pentru generatoare de putere medie (10-50 MW)Schemele de protecie pentru generatoare de putere medie aplic principiul de redundan parial, aa cum a fost prezentat n figura 3, iar n ceea ce privete preul de cost se respecte criteria stricte de reducere a acestuia. n ceea ce privete structura sistemului de protecie dispozitivul 7UM621 este dispozitivul principal.5. Scheme de protecie pentru generatoare de mare putere ( >50-100 MW)

Fig.10 Schema de protecie tipic cu redundan pentru generatoare cu o putere >100 MW

Protecia mpotriva punerii la pmnt statorice

Fig.11 Protecia mpotriva punerii la pmnt statorice

Acelai principiu se aplic att pentru generatoarele ce echipeaz centralele electrice cu acumulare prin pompare ct i pentru celelalte tipuri de centrale. Simpla punere la pmnt a statorului nu produce daune generatorului dac tranformatorul de legare la pmnt i rezistorul de ncrcare au fost corect proiectate. A doua punere la pmnt statoric ar produce valori ridicate ale curentului de scurtcircuit i generatorul ar avea daune nsemnate. Din acest motiv, simpla punere la pmnt statoric trebuie sa fie detectat ntr-un stadiu incipient i cel puin semnalizat. Protecia mpotriva punerii la pmnt statorice 100 % cu surs de alimentare suplimentar funcionnd la frecvena de 20 Hz, ndeplinete toate cerinele de protecie pentru detectarea unui defect n nfurarea statoric. Alimentarea extern cu un generator funcionnd la frecvena de 20 Hz, face ca generatorul s fie testat la posibile puneri la pmnt statorice nainte de punerea n funciune. Releul de protecie calculeaz componenta rezistiv a curentului de punere la pmnt, rezultatul este independent de capacitatea fa de pmnt a statorului. Acest avantaj este deosebit de eficient n cazul generatoarelor hidroelectrice de mare putere care au o capacitate mare fa pmnt. Starea izolaiei statorului pus la pmnt poate fi afiat pe ecranul releului de protecie, oferind astfel operatorului informaia dac echipamentul poate funciona pn la urmtoarea oprire planificat. Protecia mpotriva punerii la pmnt rotorice

Fig.12 Protecia mpotriva punerii la pmnt rotorice

n cazul generatoarelor de mare putere monitorizarea strii rotorului necesit o atenie special, acest monitorizare include izolaia, bobinajele i de asemenea starea de nclzire a bobinajelor. Pentru a monitoriza izolaia statorului, se folosete un principiu care analizeaz influena capacitii fa de pmnt a rotorului asupra valorii tensiunii din nfurarea de excitaie. Un impuls de tensiune de form dreptunghiular cu frecven de la 1 la 3 Hz, este aplicat ntre circuitul rotorului i pmnt. Valoarea circulaiei de curent de echilibrare rmas dup scderea componentei capacitive a curentului de ncrcare este o metod de determinare a rezistenei izolaiei rotorice. Releul de proteciei msoar doar componenta rezistiv a impedanei de legare la pmnt fr a fi influenat de valoarea capacitaii fa de pmnt a rotorului. Diferena msurat a componentei rezistive a curentului de polaritate pozitiv i negativ compenseaz pe de o parte perturbaiile tensiunii de excitaie i stopeaz erorile de msur datorate variaiilor tensiunii de excitaie. Acesta metod permite msurarea rezistenei izolaiei pentru valori mai mari de 80 k.

ConcluziiGeneratoarele sincrone sunt elementele cele mai sensibile care intr n compunerea unui sistem energetic. Ele sunt elemente de baz ale producerii energiei electrice i, n afar de cazul puterilor mici, ele sunt i foarte scumpe de aceea acestea necesit cerine speciale cu privire la sistemul de protecie.

Bibliografie[1] ***, Generator Protective Relays, Siemens[2] ***, Unit Protection System for Pumped-Storage Power Stations, Siemens.

2