FI126257B - Sähkövoimajärjestelmän suojausjärjestely - Google Patents

Description

SÄHKÖVOIMAJÄRJESTELMÄN SUOJAUSJÄRJESTELY

Keksinnön ala

Esillä oleva keksintö kohdistuu sähkövoimajärjestelmän suojausjärjestelyyn. Erityisesti keksintö kohdistuu generaattoriin tai generaattoreihin asennettavaksi tarkoitettuun suoj ausj ärj estelyyn.

Tekniikan taso

Voimajärjestelmän (sähkövoimajärjestelmän) toimintahäiriöiden aikana on olennaista säilyttää generaattorin tahtikäynti, jotta toiminta voi jatkua vianerotuksen jälkeen. Merkittävä toimintahäiriö on esim. kolmivaiheinen oikosulku, joka johtaa järjestelmän jännitteen romahdukseen vikapaikalla ja saa siten voimalaitosyksikön ja verkon välisen tahdistusmomentin pienenemään huomattavasti.

Tyypillisesti näiden häiriötilojen aikana generaattorin ja verkon välinen napakulma alkaa avautua, koska verkon suuri inertia pitää verkkonopeuden (vaihekulman) vakiona. Vikapaikan lähellä sijaitseva yksittäinen generaattori kiihtyy kuitenkin johtuen kuormituksen häviämisestä (jopa lähes nollakuormitukseen jännitteen kadotessa) voimalaitteesta tulevan käyttövoiman (momentin) pysyessä lähes vakiotasolla.

Napakulma on generaattorin navalla sinimuotoisen tehokäyrän kulma, jossa pisteessä mekaaninen syöttöteho ja generaattorin tuottama sähkövoima ovat tasapainossa. Toisin sanoen generaattori toimii tietyllä tehotasolla ja tietyssä napakulmassa, jolla kulmalla generaattorin roottorin kulma ohjaa verkon kulmaa. Voimalaite on moottori, joka syöttää mekaanista tehoa generaattorille. Generaattorin ja moottorin yhdistelmää kutsutaan usein generaattorilaitteistoksi .

Generaattorin uudelleentahdistus on mahdollista, jos vianerotus tapahtuu riittävän nopeasti siten, että generaattorin pyörimisnopeuteen vian aikana syötetty energia on pienempi tai yhtä suuri kuin energia, joka voidaan syöttää verkkoon vianerotuksen jälkeen. Tämä on esitetty kuviossa 1 käyttämällä ns. pinta-alakriteeriä.

Verkon normaalitilassa generaattori tuottaa tehoa Pm niin paljon kuin verkko kykenee kuluttamaan. Piste 0 kuvaa tätä tilaa kuviossa 1. Sähkövoiman tuotto generaattorin navalla seuraa sinimuotoista käyrää 5. Pisteessä 0 sinimuotoisen käyrän kulma on δ0, joka on napakulma. Suuren verkkohäiriön, kuten kolmivaiheisen vian, seurauksena generaattorin napajännite laskee. Tämän vuoksi se generaattorin antoteho, joka on mahdollista siirtää verkkoon napakulmassa δ0, laskee äkillisesti. Sinimuotoinen käyrä 6 kuvaa tätä vikatilannetta, ja kuten on nähtävissä, sähkövoiman tuotto laskee pisteeseen 1. Generaattori kiihtyy ennen kuin vika on erotettu pisteessä 2. Alue Ax kuvaa energiaa, joka kiihdyttää generaattorin nopeutta. Pisteessä 2 napakulma on erilainen kuin pisteessä 1.

Vian erottaminen pisteessä 2 aiheuttaa taas muutoksen tehossa, joka siirrettävissä verkkoon. Näin toimintapiste muuttuu pisteestä 2 pisteeseen 3 mentäessä takaisen käyrälle 5. Näin sähkövoiman tuotto verkolle on suurempaa kuin generaattoria käyttävä mekaaninen teho, mikä aiheuttaa generaattorin hidastumista. Koska roottorin nopeus on suurempi kuin tahtinopeus pisteessä 3, napakulma δ jatkaa kasvuaan kunnes kiihdytyksen (alue Ai) aikana absorboitunut kineettinen energia on kulunut energian siirtämiseen verkkoon pisteessä 4. Alue A2 kuvaa kulutettua energiaa.

Generaattori palaa dynaamisesti stabiiliin toimintapisteeseen, mikäli alue A2 on suurempi tai yhtä suuri kuin alue Ax. Kuvion 1 esimerkki kuvaa myös maksimaalista napakulmaa 5max pisteessä 4, joka pitää järjestelmän dynaamisesti stabiilissa tilassa. Kriittinen erotuskulma 5cr pisteessä 2 on se napakulman raja, jossa vianerotus on vielä mahdollista. Kriittinen vianerotusaika riippuu voimalaitteen momentista, generaattorin momenttikäyrästä (ja herätetasosta), alun napakulmasta ja generaattorin hitausmomenttikertoimesta H. Voidaan havaita, että mitä suurempi kriittinen erotuskulma on, sitä pitempi on kriittinen erotusaika. Kuviossa 1 maksimaalinen napakulma on pisteessä 4, ja kriittinen erotusaika on pisteessä 2, mutta on huomattava, että vianerotus voi tapahtua ennen kriittistä erotuskulmaa 5cr tai kriittistä erotusaikaa, ja napakulma, jossa kiihdytysenergia on kulutettu voi olla pienempi kuin maksimaalinen napakulma 5max.

Generaattorit voivat palata normaalitilaansa pienten verkkohäiriöiden jälkeen. Suuremmat häiriöt käsitellään irrottamalla generaattorit verkosta, mikäli häiriöt eivät lakkaa lyhyessä ajassa, tyypillisesti 250 ms:ssa. Irrottamiseen käytetään suojareleitä ja -kytkimiä. Vianerotusten jälkeen generaattorit kytketään takaisin verkkoon, jolloin generaattorit on saatettava takaisin tahtinopeuteen. Irrottamisen ja jälleenkytkennän välinen aika on suhteellisen pitkä, joka merkitsee vahingollisia tai vakavia katkoja voimavirransiirrossa ja -jakelussa.

Keksinnön lyhyt kuvaus

Keksinnön tavoitteena on lievittää edellä mainittuja epäkohtia. Tämä saavutetaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa kuvatulla järjestelyllä ja menetelmällä. Epäitsenäiset patenttivaatimukset kuvaavat keksinnön erilaisia suoritusmuotoja.

Keksinnön mukainen sähkövoimajärjestelmän suojausjärjestely käsittää relejärjestelyn sähköverkon virran, jännitteen tai molempien mittaamiseksi. Relejärjestely on sovitettu havaitsemaan ylivirta, alijännite tai molemmat.

Suojausjärjestely käsittää myös relejärjestelyyn yhteydessä olevan nopeuden-/kuormansäätimen. Nopeuden-/kuormansäädin on järjestetty ohjaamaan generaattorilaitteiston voimalaitetta vasteena mainitulle havainnolle. Nopeuden-/kuormansäädin on liitettävissä mainittuun voimalaitteeseen. Yksityiskohtaisemmin ilmaistuna säädin on järjestetty ohjaamaan voimalaitteen antotehoa alhaisemmalle tasolle, kun ylivirtaa, alijännitettä tai molempia havaitaan.

Piirustukset

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin oheisten piirustusten kuvioiden avulla, joista piirustuksista kuviossa 1 on esimerkki pinta-alakriteeristä; kuviossa 2 on esimerkki keksinnön vaikutuksista käytettäessä pinta-alakriteeriä; kuviossa 3 on esimerkki keksinnön mukaisesta järjestelystä; ja kuviossa 4 on esimerkki keksinnön mukaisen menetelmän virtauskaaviosta.

Kuva us

Vianerotus tulisi tehdä suhteellisen lyhyessä ajassa, tyypillisesti alle 250 ms:ssa, jotta generaattorin tahtinopeus kyetään säilyttämään lähellä vikapistettä. Käytännössä verkon vikapiste on kytketty irti muusta verkosta ja välittömästi jälleenkytketty verkkoon vian vaikutusten rajaamiseksi. Mitä pitempi vianerotusaika on, sitä parempi on verkon luotettavuus ja generaattorin toiminta. Pitemmillä vianerotusajoilla vian häviämiselle on enemmän aikaa.

Pitempi vianerotusaika voidaan saavuttaa pienentämällä generaattorin poikkeutusmomenttia Pm vian aikana. Kuviossa 2 on esimerkki siitä, miten tämä vaikuttaa pinta-alakriteeriin. Jos oletetaan, että vika ja sen häviäminen ovat kuvion 1 kaltaiset, ovat myös pisteet 0, 1, 2, 3 ja 4 samoja. Vian jälkeen (ja mahdollisen irtikytkennän) (0 -> 1) poikkeutusmomentti pienenee seuraten linjaa 7. Kiihdytysenergia (alue Αχ) on nyt pienempi kuin kuviossa 1. Energiamäärä (alue A2), joka voidaan kuluttaa järjestelmään, on nyt suurempi kuin kuviossa 1. Tämän vuoksi kriittinen erotuskulma 5cr siirtyy suurempaan kulmaan 8, joka tarkoittaa myös pitempää kriittistä vianerotusaikaa. Myös maksimaalinen napakulma 5max siirtyy suurempaan kulmaan 9.

Mahdollistettaessa poikkeutusmomentin pienentäminen riittävän nopeasti, generaattorilaitteiston voimalaitetta täytyy ohjata nopeasti vian havaitsemisen jälkeen. Yleisesti oletetaan, että nopeudensäädöllä ei voida pienentää momenttia vian aikana. Syynä on tilanteen lyhyt kesto. Tämä johtuu siitä, että nopeudensäätö havaitsee nopeuden nousun suhteellisen pitkän viiveen jälkeen, ja lisäksi kuormituksesta riippuvan ohjauksen nopeuden viitearvo kasvaa kuormituksen hävitessä. Kuormituksesta riippuvaa ohjausta käytetään jakamaan verkon kuorma verkkoon kytkettyjen rinnakkaisten generaattorien välille.

Keksintö mahdollistaa poikkeutusmomentin pienentämisen hyvin nopeasti. Tarvittava ohjausnopeus voidaan saavuttaa, jos voimalaitteen nopeuden-/kuormansäädin järjestetään vastaanottamaan erityinen vianhavaintosignaali ja säätämään poikkeutusmomenttia vasteena havaintosignaalille. Kuviossa 3 on esimerkki keksinnön mukaisesta järjestelystä.

Järjestely käsittää relejärjestelyn 12 sähköverkon 15 virran, jännitteen tai molempien mittaamiseksi. Relejärjestely, esim. suojarele, on sovitettu havaitsemaan ylivirta, alijännite tai molemmat. Relejärjestelyn tavanomainen suoritusmuoto käsittää mittamuuntajan 13 sähköisten suureiden mittaamiseksi verkosta. Mittamuuntaja on yhteydessä varsinaiseen releeseen 14. On selvää, että relejärjestelyä voidaan hyödyntää usein eri tavoin.

Suojarele käsittää nk. ilmaisutoiminnon, joka perustuu valvontasignaaliin. Ilmaiseminen tapahtuu, kun signaali ylittää tietyn ennalta määrätyn rajan. Esimerkiksi kun generaattorin 10 antovirta ylittää ylävirran 15 rajan. Keksinnössä käytettävä havaintosignaali voi muodostua yksittäisestä lähteestä tai useista lähteistä, kuten ylävirrasta, alijännitteestä tai ylävirran ja alijännitteen yhdistelmästä.

Relejärjestely 12 on kytketty nopeuden-/kuormansäätimeen 16. Havaintosignaali 17 siirretään moottorin nopeuden-/kuormansäätimeen. Nopeuden-/kuormansäädin 16 on järjestetty ohjaamaan generaattorilaitteiston voimalaitetta 11 vasteena havainnolle. Nopeuden-/kuormansäädin on liitettävissä mainittuun voimalaitteeseen. Säädin 16 muodostaa ohjaussignaalin 18, joka siirretään voimalaitteelle. Ohjaussignaalin muodostamiseksi nopeuden-/kuormansäädin 16 käsittää vianilmaisuyksikön 19, joka on yhteydessä nopeuden-/kuormansäätimeen ja relejärjestelyn 12 väliseen tietoliikenneyhteyteen ja voimalaitteen 11 ja nopeuden-/kuormansäätimen 16 väliseen tietoliikenneyhteyteen. Vianilmaisuyksikkö 19 mahdollistaa, että ohjaussignaali muodostetaan suoraan ja nopeasti vasteena havaintosignaalille. Koska vianilmaisuyksikkö 19 voidaan toteuttaa usealla eri tavalla, se on kuvattu katkoviivalla kuviossa 3. Vianilmaisuyksikkö 19 voi olla esim. ohjelmistoyksikkö. Kannattaa huomata, että nopeuden-/kuormansäädin 16 käsittää myös tavanomaiset tekniikan tason mukaiset nopeuden-/kuormansäätövälineet, joiden kuvaamisella ei ole merkitystä keksinnön kannalta.

Relejärjestelyn 12 ja nopeuden-/kuormansäätimen 16 välinen yhteys voidaan järjestää nopeaksi. Voidaan käyttää esim. relejärjestelyn digitaalista antosignaalia tai ultranopeaa yhteyttä. Ylivirran, alijännitteen tai molempien havaitsemisen ja havaintosignaalin 17 välinen aika on alle 10 ms. Myös ohjaussignaalin 18 muodostamisaika on alle 10 ms nopeuden-/kuormansäätimessä 16. Näin ollen on mahdollista, että aika vianilmaisusta ohjaussignaalin muodostamiseen on alle 20 ms.

Yksityiskohtaisemmin ilmaistuna nopeuden-/kuormansäädin on järjestetty ohjaamaan voimalaitteen antotehoa alhaisemmalle tasolle, kun ylivirtaa, alijännitettä tai molempia havaitaan. Kun ylivirtaa, alijännitettä tai molempia ei enää havaita, nopeuden-/kuormansäädin on järjestetty ohjaamaan voimalaitteen antotehoa korkeammalle tasolle.

Voimalaitteen 11 antotehoa ohjataan siis kohti nollaa tai jotain muuta ennalta määriteltyä tehotasoa kohti. Tehoa voidaan rajoittaa sähköisesti tai mekaanisesti. Tämä ohjaus vähentää voimalaitteen antotehoa hyvin nopeasti ja tehonlasku voidaan saavuttaa jopa kymmenissä millisekunneissa. Voimalaite voi olla mitä tahansa tekniikkaa, joka sallii antotehon säätämisen ohjaussignaalilla. Tarvittava nopeus saavutetaan käyttämällä relejärjestelyä mittaamaan virtaa, jännitettä tai molempia ja välittämällä havaintosignaali suoraan nopeuden-/kuormansäätimeen, joka on järjestetty vastaanottamaan havaintosignaali ja muodostamaan ohjaussignaali voimalaitteelle vasteena havaintosignaalille.

Kuviossa 4 esitetään menetelmä sähkövoimajärjestelmän suojaamiseksi. Virtaa, jännitettä tai molempia mitataan 41 verkosta. Näitä suureita käytetään, koska viat vaikuttavat niihin suoraan. Vasteena mittaukselle muodostetaan 42 havaintosignaali, jos ylivirtaa, alijännitettä tai molempia esiintyy. Vasteena havaintosignaalille generaattorin voimalaitteen nopeuden-/kuormansäätöä sovitetaan 43. Säätö voidaan aikaansaada sovittamalla nopeuden-/kuormansäädin muuttamaan ohjaussignaalia havaintosignaalin perusteella. Ohjaussignaali ohjaa voimalaitetta. Yksityiskohtaisemmin ilmaistuna säätövaihe on järjestetty ohjaamaan voimalaitteen antotehoa alhaisemmalle tasolle vasteena havaintosignaalille. Vian hävittyä säätövaihe voidaan järjestää ohjaamaan voimalaitteen antotehoa korkeammalle tasolle, kun ylivirran, alijännitteen tai molempien havaintosignaali sammuu.

Kuvattu ohjaus vaikuttaa voimalaitteen 11 momenttiin voimakkaasti perustuen vianhavaintosignaaliin 17, joka on vastaanotettu generaattorin suojareleeltä/-järjestelyltä 12 tai vastaavalta laitteelta. Nopeuden-/kuormanvalvonnalta saatu ohjaussignaali voimalaitteelle voidaan muodostaa siten, että viive ainakin yhden sähköisen suureen ylityksen havainnoinnin ja muodostettavan ohjaussignaalin välillä on tarvittavan pitkä, ja kuormituksesta riippuvan ohjauksen vaikutusta ei oteta huomioon. Pienentämällä voimalaitteen momenttia vähennetään generaattorin 10 kiihdytystä. Lisäksi kriittinen erotusaika ja maksimaalinen napakulma kasvavat vian aikana ja keksinnön mukainen ohjaus pienentää momenttia vian jälkeisessä tahdistuksessa. Kun vika (havaintosignaali) katoaa, havaintosignaalin vaikutus voidaan poistaa välittömästi tai viiveen jälkeen tai se voidaan asettaa mille tahansa ennalta määrätylle tasolle.

Edeltävien esimerkkien valossa on selvää, että keksinnön suoritusmuotoja voidaan toteuttaa monella eri tavalla. On myös selvää, että keksintöä ei ole rajoitettu tämän tekstin mukaisiin esimerkkeihin, vaan keksintö voidaan toteuttaa missä tahansa muodossa patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (9)

1. Suojaus järjestely sähkövoimajärjestelmälle, joka sähkövoimajärjestelmä käsittää generaattorilaitteiston, , joka suojausjärjestely käsittää - relejärjestelyn (12) sähköverkon virran, jännitteen tai molempien mittaamiseksi, joka relejärjestely on sovitettu havaitsemaan vianerotusta vaativa häiriö, generaattorilaitteiston ollessa irrotettavissa sähköverkosta, kun vianerotusta vaativa häiriö havaitaan ja havaittu häiriö ei lakkaa ennen generaattorilaitteiston generaattorin kriittistä erotusaikaa, kriittisen erotusajan määrittäessä ajan jonka aikana generaattorilaitteiston uudelleentahdistus verkkoon on mahdollista, tunnettu siitä, että suojausjärjestely käsittää nopeuden-/kuormansäätimen (16), joka on yhteydessä relejärjestelyyn (12), joka nopeuden-/kuormansäädin on kytkettävissä generaattorilaitteiston voimalaitteeseen (11) ja järjestetty vian havainnoinnin vasteena ohjaamaan generaattorilaitteiston voimalaitteen (11) antotehoa alhaisemmalle tasolle, ohjauksen alkaessa vian aikana ja ennen generaattorilaitteiston generaattorin kriittistä erotusaikaa, jolloin saavutetaan lisää aikaa uudelleentahdistamiseen vianerottamisen yhteydessä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu vianerotusta vaativa häiriö havaitaan havaitsemalla ylivirta, alijännite tai molemmat.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että antotehon ohjaus alemmalle tasolle vian aikana ja ennen generaattorilaitteiston generaattorin kriittistä erotusaikaa pienentää generaattorin poikkeutusmomenttia siirtäen generaattorin kriittistä erotusaikaa, mahdollistaen pidemmän ajan vianerotukselle.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että nopeuden-/kuormansäädin (16) on järjestetty ohjaamaan voimalaitteen (11) antotehoa korkeammalle tasolle, kun ylivirran, alijännitteen tai molempien havaitseminen lakkaa.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että nopeuden-/kuormansäädin (16) käsittää vianilmaisuyksikön (19).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että relejärjestely (12) käsittää mittamuuntajan (13) .

7. Menetelmä sähkövoimajärjestelmän suojaamiseksi, joka menetelmä käsittää vaiheen sähköverkon vianerotusta vaativan häiriön mittaamiseksi (41), tunnettu siitä, että menetelmä käsittää edelleen vaiheet havaintosignaalin muodostamiseksi (42) mitattaessa vianerotusta vaativaa häiriötä, ja generaattorilaitteiston voimalaitteen nopeuden-/kuormansäädön sovittamiseksi (43) vasteena havaintosignaalille, että säätövaihe (43) on järjestetty ohjaamaan voimalaitteen antotehoa alhaisemmalle tasolle vasteena havaintosignaalille ohjauksen alkaessa vian aikana ja ennen generaattorilaitteiston generaattorin kriittistä erotusaikaa.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säätövaihe (43) on järjestetty ohjaamaan voimalaitteen antotehoa korkeammalle tasolle, kun vianerotusta vaativa häiriö sammuu.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vianerotusta vaativa häiriö mitataan mittaamalla ylivirtaa, alijännitettä tai molempia.