DE2431773C2

DE2431773C2 - Verfahren und Einrichtung zur Bildung minimal verzögerter Schließbefehle für Turbinenventile bei Netzkurzschlüssen

Info

Publication number: DE2431773C2
Application number: DE2431773A
Authority: DE
Inventors: Heinz Nussbaumen Bloch; Ernst Baden Wirth
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-05-31
Filing date: 1974-07-02
Publication date: 1982-11-18
Also published as: GB1495406A; FR2273156B1; US4071870A; FR2273156A1; SE7506109L; SE394722B; DE2431773A1; CH589785A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung minimal verzögerter Schließbefehle für Turbinenventile bei Netzkurzschlüssen, wobei größere Störungen, insbesondere Kurzschlüsse im Energieübertragungssystem, erfaßt werden ur.J auf das Regelsystem der Turbogruppe so einwirken, daß durch rasches Schließen der Turbinenventile das Außertrittfallen des Turbogenerators während oder nach der Störung verhindert wird, wobei andererseits eine Auslösung der Schließbefehle durch unbedeutende Störungen von kürzester Dauer und somit eine Störung des Energiegleichgewichts im Netz vermieden wird.

Bei Kurzschlüssen in elektrischen Energieübertragungssystemen bricht die Spannung zusammen, und folglich sinkt die transportierte Energie, obwohl die Ströme stark ansteigen. Dadurch verschwindet bei den betroffenen Energieerzeugern Turbogruppen) das Gleichgewicht zwischen mechanischem Antriebsmoment und elektrischem Bremsmoinent. und es resultiert eine Beschleunigung der Turborotoren. Je nach Dauer des Kurzschlusses kann dabei der Polradwinkel der dem Kurzschluß nächsten Produktionseinheit gegenüber dem restlichen Netz einen solchen Wert erreichen, daß diese Einheit trotz Beseitigung des Kurzschlusses und Schnellwiedereinschaltung außer Tritt fällt Wenn vom Zeitpunkt des Kurzschlusses an das Antriebsmoment der Turbogruppe durch möglichst unverzögertes und schnelles Schließen der Turbinenventile rasch reduziert wird, kann eine längere Dauer des Kurzschlusses ohne Verlust des Synchronismus beherrscht werden. Eine erfolgreiche Realisierung dieser Methode, die in der amerikanischen Literatur als »Fast Valving« oder »Early Valving« bezeichnet wird, setzt voraus, daß

a) ein eindeutiges Kriterium mit minimaler Verzögerung zum Auslösen des Schließbefehls zur Verfügung steht

b) die Ventile auf den Schließbefehl die Dampfzufuhr zur Turbine rasch drosseln.

Die »Fast-Valving«-Methode ist z. B. beschrieben in dem Buch »Power System Stability« von S. B, Crary (Wiley Sons Inc. New York 1945/1947), S. 195 ff,

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bildung minimal verzögerter Krite^ rien zur Reduktion des Turbinenantriebsmomentes zu

schaffen. Zur Auslösung des Schließbefehls sind bisher schon folgende Kriterien in Betracht gezogen worden:

1. Vergleich der mechanischen Antriebsleistung der Turbine erfaßt durch den dazu ungefähr proportionalen Dampfdruck vor dem Mitteldruckteil mit dem Generatorstrom oder/und der abgegebenen elektrischen Leistung.

Z Auswertung eines Sprunges der abgegebenen elektrischen Leistung.

3. Auswertung der Beschleunigung aus der Drehzahl des Turborotors.

Erfindungsgemäß sollen größere Störungen, insbesondere Kurzschlüsse im Energieübertragungssystem erfaßt werden, und das Regelsystem der Turbogruppe soll so beeinflußt werden, daß durch rasches Schließen der Turbinenventile das Außertrittfallen des Turbogenerators während oder nach dor Störung verhindert wird. Da bei »Fast-Valving« die zulässige Kurzschlußdauer maximal um einige Perioden verlängert werden kann, ist es entscheidend wichtig, daß die Auslösung innerhalb ca. einer Periode erfolgt Andererseits soll aber auch nicht durch unbedeutende Störungen von kürzester Dauer das Fast Valving ausgelöst und dauürch das Energiegleichgewicht im Netz gestört werden.

Im folgenden sei angenommen, daß die betrachteten Dampfturbogruppen Drehzahlregler mit Beschleunigungsbegrenzer zur Beherrschung der Überdrehzahl bei Lastabschattungen aufweisen, so daß das Abfangen der Drehzahl bei Lastabschaltungen nur eine sekundäre Rolle spielt

Bei den bekannten Einrichtungen, welche die mechanische Turbinenleistung mit der abgegebenen Generatorleistung vergleichen oder den Leistungssprung auswerten, ist die unterste Grenze der Ansprechverzögerung durch die Zeitkonstante des Leistungs-Meßwert-Umformers gegeben. Ausführungen mit kleineren Zeitkonstanten als 0.1 s sind nicht bekannt geworden. Auch bei Einrichtungen, die den Generatorstrom verwerten, ist mit solchen Verzögerungen zu rechnen, weil Ströme mit ähnlichen Meßwertumformern erfaßt werden. Auch Gleichrichtung zur Bildung des Strom-Meßwertes bringt keinen Gewinn, weil wegen der Gleichstromkomponenten der Kurzschlußströme selbst bei Mehrphasengleichrichtung eine große Komponente mit Netzfrequenz anfällt, deren Elimination mit Filtern wieder zu entsprechenden Verzögerungen führt

Bei der Erfassung der Beschleunigung des Turborotors ist schon aus rein physikalischen Ursachen eine wesentliche Verzögerung zu erwarten:

Im Synchrongenerator entstehen zu Beginn eines dreiphasigen Kurzschlusses so hohe Verluste, daß zuerst Polradwinkel und Drehzahl abnehmen und die Beschleunigung negativ wird (sog. back-swing-effect). Eine eindeutige positive Beschleunigung ist erst nach 2 Perioden (40 msec.) feststellbar, dies um so mehr, als in der Drehzahl eine starke netzfrequente Komponente enthalten ist.

Bei den bekannten Ausführungen sind keine Maßnahmen gegen unnötige oder falsche Auslösungen erwähnt. Es wird höchstens festgestellt, daß eine vorgängige Identifizierung der Störungsart erwünscht Wäre, aber Wegen der dadurch bedingten Auslöseverzögefüng nicht sinnvoll sei.

Bei einem Netzkurzschluß bricht die Spannung ohne Verzögerung zusammen. Wenn der Spannungsmeßwert rtu't geeigneten Methoden, durch Gleichrichtung der Spannungswandler-Sekundärspannungen erfaßt wird, z. B. mit 3-Phasen-Gegeßtaktgleichrichtüng, so kann dieser Meßwert wegen der kleinen Restwelligkeit (z. B. 5%) ohne Siebung oder mit einer minimalen Siebung auf Absolutwert oder Sprung bzw. Gradient ausgewertet werden. Das auf diese Weise gewonnene Kriterium hat damit praktisch keine Verzögerung gegenüber dem Beginn des Kurzschlusses.

Um die bei unverzögerten Kriterien naturgemäß mit größerer Wahrscheinlichkeit zu erwartende Fehlauslösung, insbesondere durch Ausgleichvorgänge im Zeitbetrieb, der Netz- und Transformatorzeitkonstanten, zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Auswertung des Spannungsmeßwertes mit der Erfassung der Beschleunigung des Turborotors unter Berücksichtigung der nicht vernachlässigbaren Totzeit der Ventil-Servomotoren derart kombiniert wird, daß beim Absinken des Spannungsmeßwertes unter einen Grenzwert- bzw. um mehr als einen gewissen Betrag unter seinem mit einer Verzögerungseinrichtung gespeicherten Wert vor der Störung- über ein Spannungs-Sprungrelair unmittelbar ein provisorischer Schließbefehl für die Turbinenventile ausgel Λ wird, welcher über einen eiekiruhydfauiischen Wanoier auf das Steuerflüssigkeitssystem der Turbinenregelung einwirkt, daß mit einer Einrichtung, welche die Differenzzeit je zweier aufeinanderfolgender Umdrehungen der Turbinenwelle mißt, die Beschleunigung ermittelt und durch Vergleich mit einem Grenzwert das Beschleunigungskriterium gebildet wird, daß unmittelbar bei Detektion eines eindeutigen Beschleunigungskriteriums der vom Spannungskriterium ausgelöste provisorische Schließbefehl für unbeschränkte Dauer wirksam wird, während andernfalls, wenn eine vorgegebene Zeit nach Anstehen des Spannungskriteriums kein Beschleunigungskriterium gebildet ist, der provisorische Schließbefehl rückgängig gemacht wird.

Trotz des »back-swing« Effektes kann also auf diese Weise spätestens zwei Umdrehungen nach einem Kurzschluß unzweideutig ein zuverlässiges Beschleunigungskriterium gebildet werden. In diesem Fall wi.d der vom Spannungskriterium ausgelöste Schließbefehl aufrechterhalten. Andernfalls, d.h., wenn ca. 40—50ms nach Anstehen des Spannungskriteriums kein Besuhleunigungskriterium vorhanden ist, wird der Schließbefehl rückgängig gemacht Wegen der Totzeit werden sich die Ventile während dieser Zeit nicht merk lieh bewegt haben, und somit wird eine Fehlauslösung ohne Wirkung bleiben.

Die Erfindung wird jetzt anhand der einzigen Figur näher erläutert Die Turbine 1 treibt den Generator 2 an. der über den Transformator 3 mit dem Hochspannungssystem 4 gekuppelt ist Die Dampfzufuhr zur Turbine wird mit den Ventilen 5 durch den Turbinenregler 6 über das Steuerflüssigkeitisystem 7 geregeif.

Die 3p<annung im Hochspannungssystem wird über Spannungswandler 8 mit dem Mehrphasengleichrichter 9 in den Spannunganeßwert umgesetzt Von Grenzwertbildner 10 wird ein Setzbefehl KUan den Speicher 11 ausgegeben, wenn U{ U\. Dadurch betätigt das Ausgangssignal ASdes Speichers das Magnetventil 12. welches den Druck im iteuerflüssigkeitssystem so weit absenkt, daß die Ventile ganz oder teilweise schließen. Das Signal AS wird zudem über ein Verzögerungsglied 13 auf ein UND-Gatter 14 geführt

Die Drehzahl des Turborotors wird mit dem Geber 15 erfaßt und gelangt auf die Auswerteeinrichtung 16. Diese mißt die Differenzzeit je zweier aufeinanderfolgender Umdrehungen der Türbinenwelle und ermittelt daraus den Morrientanwert B der Beschleunigung, der

im Grcnzwertbildner 17 das Signal KB auslöst, wenn B gfößer ist als ein vorgegebener Grenzwert Bi. Dieses Signal KB wird dem invertierenden Eingang des UND-Gatters 14 zugeführt Der Ausgang des UND-Gatters geht auf den Rückstelleingang des Speichers 11. Damit wird dieser zurückgestellt, wenn nach der Ye rzögerungszeit von 13 das Beschleunigungssignal B kleiner ist als der Grenzwert B\.
Die ODER-Gatter 18a,ö am Setz- bzw. Rückstelleingang des Speichers 11 erlauben die Einführung weiterer Signale zur Ansteuerung der betreffenden Funktionen »Setzen bzw. Zurückstellen«.

Als Variante kann zusätzlich zum Grenzbildner 10 oder statt seiner eine Einrichtung (Spannungssprungdetektor) vorgesehen werden, die nur auf sprunghafte Veränderung der Eingangsgröße Uanspricht und damit bei einer sprunghaften Spannungsverminderung AU> AUt mit Kriterium KUden Speicher 11 setzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung minimal verzögerter Schließbefehle für Turbinenventile bei Netzkuirzschlüssen, wobei größere Störungen, insbesondere Kurzschlüsse im Energieübertragungssystem, erfaßt werden und auf das Regelsystem der Turbogruppe so einwirken, daß durch rasches Schließen der Turbinenventile das Außertrittfallen des Turbogenerators während oder nach der Störung verhindert wird, wobei andererseits eine Auslösung der Schließbefehle durch unbedeutende Störungen von kürzester Dauer und sDinit eine Störung des Energiegleichgewichtes im Netz vermieden wird, dadurch gekennzeichnet,daß die Auswertung des Spannungsmeßwetes mit der Erfassung der Beschleunigung des Tu:-borotors unter Berücksichtigung der nicht vernachlässigbaren Totzeit der Ventil-Servomotoren derait kombiniert wird, daß beim Absinken des Spannun jsmeßwertes (U) unter einen Grenzwc."* (UO — bzw. um mehr als einen gewissen Betrag (Vt) unter seine ι mit einer Verzögerungseinrichtung gespeicherten Wert (U) vor der Störung — über ein Spannungs-Sprungrelais (10) unmittelbar ein provisorischer Schließbefehl (AS) für die Turbinenventile ausgelöst wird, welcher über einen elektrohydraulidien Wandler (12) auf das Steuerflüssigkeitssystem (7) der Turbinenregelung einwirkt, daß mit einer Einrichtung (16), welche die Differenzzeit je zweier aufeinanderfolgender Umdrehungen der Turbinenwelle mißt, die Beschleunigung (B) ermittelt und du^rch Vergleich mit einem Grenzwert (BO das Beschleunigungskriterium (KB) gebildet wird, daß unmittelbar bei Detektion eines eindeutigen Beschleunigungskriteriunis (KB) dtr vom Spannungskriterium ausgelöste provisorische Schließbefehl (AS) für unbeschränkte Dauer wirksam wird, während andernfalls, wenn eine vorgegebene Zeit nach Anstehen des Spannungskriteriums (KU) kein Beschleunigungskriterium (KB) gebildet ist, der provisorische Schließbefehl (AS) rückgängig gemacht wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !,gekennzeichnet durch einen ersten Grenzwertbildner (101 der einen Setzbefehl (KU) an einen Speicher (11) ausgibt, wenn der aus dem Hochspannungssystem über einen Spannungswandler (8) mit einem Mehrphasengleichrichter (9) gewonnene Meßwert (U, AU) einen vorgegebenen Grenzwert (Uu AUi) unterschreitet, mit einem Magnetventil (12), das durch das Ausgangssignal ι ¹ S) des Speichers (11) betätigt wird und den Druck m einem zur Regelung der Dampfzufuhr zur Turbine (1) mit den Ventilen (fi) durch den Turbinenregler (6) vorgesehenen Steuerflüss;igkeitssystem (7) so weit absenkt, daß die Ventile ganz oder teilweise schließen, wobei das Speicher-Ausgangssignal (AS) zudem über ein Verzögerungsglied (13) auf den direkten Eingang eines UND-Gatters (14) mit einem direkten und einem invertierenden Eingang geführt wird, mit einer Auswerteeinrichtung (16). welche die mit einem Geber (15) erfaßte Drehzahl des Turboro* tors erfaßt, die Differenzlceit je zweier sukzessiver Umdrehungen mißt und daraus ein dem Beschleunigüngs-Mörnentanwert entsprechendes Beschleunig gungssignal (B) bildet, welches in einem zweiten Grenzwertbildner (17) ein Signal (KB) auslöst,

wenn das Beschleunigungssignal (B) größer ist als ein vorgegebener Grenzwert (BO, wobei dieses Signal (KB) dem invertierenden Eingang des UND-Gatters (14) zugeführt wird und der Ausgang des des UND-Gatters (14) mit dem Rückstelleingang des Speichers (11) verbunden ist

3. Einrichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Grenzwertbildner (10) ein reiner Spannungsdiskriminator ist, der den Setzbefehl (KU) an den Speicher (11) ausgibt, wenn der Eingangsmeßwert (U) einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert (UO unterschreitet

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Grenzwertbildner (10) ein Spannungssprungdetektor ist, der nur auf sprunghafte Veränderungen (A U) der Eingangsgröße (U) anspricht und damit den Setzbefehl an den Speicher (11) ausgibt, wenn die sprunghafte Spannungserniedrigung (A U) größer ist als ein vorgegebener Wert (AU).