SE446289B - Skyddsanordning for en turbogrupp - Google Patents

Description

15 20 ?5 50 8000104-3 2 exempel.

Hela den induktiva reaktansenvfï mellan generatorn G och nätet N (fig. 1) växer linjärt med strömmarnas cirkel- frekvens (kurva 1 i fig. 2a). Den seriekopplade kondensa- torn C fungerar som en negativ reaktans och har ett omvänt proportionellt samband med u)(kurva 2 i fig. 2a). I fig. 2b är införd den resulterande reaktansen SX mellan generatorns och nätspänningens inre subtransienta spänning, nämligen ou (XG*XT*XL)' å C702 som funktion av M1. Vid elektrisk resonansfrekvens är hela reaktansen i cirkeln noll.

Vid de dynamiska förloppen som exempelvis belastnings- minskning, bortkoppling av kortslutningen (i fig. 4 antydda genom en strömställare S respektive en blixtsymbol) osv. kan alltefter begynnelsevillkoren uppstå strömmar med reso- nansfrekvensentbè. Genom samverkan med det normala vridfältet (med den nominella frekvensentün) alstrar dessa strömmar vrid- moment, vilka pulserar med differensfrekvensen LU ._60 n e Sammanfaller nu denna frekvens med en av axelns egenfrekven- ser M/ _ ' ' mh) Wm(1)~.-= ”q .f We -. uppträder en elektromekanisk resonans. Det mekaniska vridmo- mentet kan inom respektive axelavsnitt inta otillåtligt höga värden. Då en med det nominella varvtalet löpande synkron- maskin för strömmar med frekvensen (A/(H/n uppträder som en asynkrongenerator är det möjligt att denna elektromekaniska resonans ytterligare stöds av generatorn. I detta fall kommer det mekaniska vridmomentet inom respektive axelavsnitt att 10 50 \ 40 å sooo1o4~s öka tills ett brott uppstår i axeln.

Grundtanken i de kända åtgärderna för att skydda turbo- grnpperna från subsynkron resonans består däri att man me- dels ett filter filtrerar bort strömmar med frekvenser vilka i axeln förorsakar en subsynkron resonans (fig. 2a).

Detta filter som i normal drift förblir kortslutet serie- kopplas med kretsen med hjälp av en kontrollkrets vid uppstå- ende av en subsynkron resonans. Den resulterande reaktansens beroende av frekvensen MJ ändras med inkopplingen av ett fil- ter (fig. Za). Detta beroende samt axelns betraktade resonans- frekvens M/m(í) är införda i fig. šb. Hela reaktansen blir inom den mekaniska egenfrekvensens Q/n -I1m(í)omràde oändligt stor. Den blir emellertid lika med noll för frekvenserna uzq och älg. Vid dynamiska förlopp kan följaktligen endast ström- mar med frekvenserna_uq ochlflg uppstå. Då ingen ström kan flyta med den elektromekaniska resonansfrekvensen Min - ü&(i), kan inte heller uppträda något vridmoment med axelns mekaniska egenfrekvens M/m(i). Härigenom förhindras en subsynkron reso- nans.

Axeln hos en turbogrupp har flera egenfrekvenser. Filtret måste således vara dimensionerat för flera egenfrekvenser ü¶¿1),M/m(2 ... Sådana filter anordnas exempelvis i genera- torns eller blocktransformatorns stjärnpunkt. Närmare detal- jer är beskrivna exempelvis i den amerikanska patentskriften 5 845 595 eller i Vol. 57-Proceedings of the American Power Conference, 1975, sid. 916-922.

Inkopplingen av filter som är avstämda till axelns egen- frekvens U)m(i) uppvisar emellertid ett antal olägenheter: a) Axelns egenfrekvenser ü/m(i) är endast med vissa toleran- ser kända. Filtrets avstämning kan följaktligen vara prob- lematisk och försvåras genom temperaturens inflytande. b) I vissa fall är ledningarnas ohmska motstånd rL så lågt att strömmarna med frekvensernaL01,6U2 osv. (jfr. fig.

Bb) ej dämpas. Strömmarna och följaktligen de aktiverande vridmomenten med frekvenserna Hg -Lflq, R/n -ur? osv. kan i sådana fall öka kraftigt. De mekaniska vridmomenten i axeln kan följaktligen trots filtret inta för höga värden. c) Kortslutningen av filtret efter ett dynamiskt förlopp med- för en språngartad övergång. Under vissa omständigheter kan detta framkalla ett utjämningsförlopp, vilket nödvändiggör __--. .. ......-una f--f-w. 10 15 20 25 50 55 40 8000104-3 i* filtrets inkoppling.

En annan i litteraturen beskriven möjlighet att dämpa de subsynkrona resonanserna består däri, att kompenserings- kondensatorn eller kondensatorerra mellan blocktransforma- torn och nätet shuntas genom ohmska motstånd och - i fall energiförlusterna i detta shuntmotstånd är för höga för den (normala) nätströmmen - nätströmmen hållas borta från shunt- motståndet genom ett enkelt nät (jfr. paper 70 TP 626-PWR - IEEE Trans. PAS-90, Vol. E, 1971, sid. 4505-1§11, särskilt sid. 1509, vänstra kolumnen nederst).

Detta förfarande kräver icke önskade ingrepp i överfö- ringsnäten samt dyra för näthögspänningen dimensionerade dämp- ningsnät. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en skydds- anordning mot synkrona resonanser, som ej är behäftad med' olägenheterna hos de tidigare kända anordningarna och har en ekonomisk konstruktion och hög driftssäkerhet för turbogruppen som skall skyddas vid alla driftstillstånd.

Denna uppgift löses enligt uppfinningen vid en skydds- anordning av den inledningsvis nämnda typen därigenom, att i serie med varje fas är inkopplat ett ohmskt dämpningsmot- stånd med vilket är parallellkopplad en till nätfrekvens av- stämd serieresonanskrets och att dämpningsmotstånden är anord- nade i blocktransformatorns och/eller genratorns stjärnpunkt i turbogruppen.

Grundtanken för skyddsanordningen enligt föreliggande uppfinning består således icke i filtreringen av enskilda ogynnsamma frekvenser utan däri, att man genom inkoppling av en dämpningsanordning, som endast är verksnför frekvenser som skiljer sig från nätfrekvensen, väsentligt ökar kretsens hela motstånd i det ogynnsamma frekvensområdet: De seriekopp- lade índuktiva och kapacitiva reaktanserna i serieresonans- kretsen är_lika stora vid nominell frekvens. Vid normal drift är följaktligen spänningsfallet över denna seriekoppling noll, så att någon ström ej flyter över dämpningsmotståndet. För avvikande frekvenser wfwn är däremot detta spänningsfall änd- ligt. För dylika frekvenser blir dämpningsmotstàndet automa- tiskt verksamt.

För att förstärka dämpningsanordningens verkan vid axelns låga mekaniska egenfrekvenser kan enligt en vidareutveckling 40 '15 IU \í1 50 55 40 5 8000104-3 av uppfinningen en induktans parallellkopplas med dämpnings- motståndet.

Det resulterande motståndet kan ökas genom en seriekopp- ling av flera enskilda motstånd, med vilka är parallellkopp- lad en till nätfrekvensen avstämd serieresonanskrets,eller ett givet motståndsvärde kan åstadkommas genom uppdelning i (mindre) motstånd.

Enligt en ytterligare vidareutveckling av uppfinningen kan den av dämpningsmotstånd och serieresonanskrets samt eventuellt med dessa parallellkopplad induktans bestående dämpningsanordningen överbryggas genom en strömställare, var- vid organ, exempelvis ett frekvensrelä, är anordnade för att aktivera (öppna) strömställaren vid uppträdande av frekvenser som skiljer sig från nätfrekvensen. Efter slutet av störning- en slutes strömställaren åter.

Uppfinningen förklaras närmare här nedan med hjälp av ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, där fig. 4 visar en förenklad nätkonfiguration för att för- klara problematiken, som utgör grunden för uppfinningsföremá- let, fig. 2 visar två diagram för att förklara hur subsyn- krona resonanser uppstår, fig. 5 är ett diagram för att för- klara funktionssättet för en på filterprincipen baserad skyddsanordning, fig. H visar ett utföringsexempel för en skyddsanordning enligt uppfinningen, där dämpningsanordningen är belägen i blocktransformatorns stjärnpunkt, fig. 5 visar ett utföringsexempel för uppfinningsföremàlet, där dämpnings- anordningen är belägen i generatorns stjärnpunkt, fig. 6 vi- sar tre diagram för att förklara dämpningsanordningarnas karakteristik, fig. 7 är grafiska framställningar vid vilka inflytandet från dämpningsanordningen enligt uppfinningen på statorströmmen, elektriska vridmomentet och det mekaniska vridmomentet i axeln för magnetiseringsmaskinen är jämförda med värdena utan skyddsanordning.

Enligt fig. 4 omfattar turbogruppen en turbin 1 som över en axel 2 driver en generator G. Den i föreliggande fall trefasiga synkrongeneratorn matar ett trefasnät N över en tre- fasig blocktransformator T. Blocktransformatorn T innehåller en i triangel (A) kopplad primärlindning 5 och en i stjärna (Y) kopplad sekundñrlindning H med lindningsgrenarna 5, 6 och 7. Varje lindningsgren har en högspänningsanslutning 8 40 '15 55 40 8000104-3 6 och en lågspänningsanslutning 9. Lindningsgrenarnas 5, 6 och 7 högspänningsanslutningar 8 är förbundna med motsva- rande ledningar 40, 14 och 12 hos trefasnätet N.

Vanligtvis är lindningsgrenarnas làgspänningsanslut- ningar 9 sammankopplade och förbundna med trefasnätets J jordledning 15 som detta är antytt i fig. 4 genom de streck- ade förbindelseledningarna. I ledningarna 10, 41 och 12 är dessutom inkopplade de för kompenseringen av nätets N induk- tiva reaktans tjänande kompenseringskondensatorerna 14, 45 och 16.

Enligt uppfinningen är förbindelseledningarna från blocktransformatorns stjärnpunkt till ledningsgrenarna 5,6, 7 uppdelade och till lågspänningsanslutningarna 9 är över förbindelseledningar 17, 18, 49 dämpningsanordningar 20, 21, 22 seriekopplade med lindningsgrenarna 5, 6,? mot jord.

Dessa dämpningsanordningar består vardera av ett ohmskt motstånd, 25, 24 respektive 25, med vilket är parallellkopp- lad vardera en av en kondensator 26, 27 respektive 28 och en induktans 29, 50 respektive 54 bestående serieresonanskrets.

Dessutom är med varje motstånd 25, 24, 25 parallellkopplad en induktans 52, 55, 54.

Serieresonanskretsarna 20, 24, 22 är avstämda till den nominella frekvensen Lvn, dvs. de induktiva och kapacitiva reaktanserna är lika stora vid nominell frekvens. Dimen- sioneringen av induktanserna 52, 55, 54 bestämmas genom stor- leken av de lägsta mekaniska egenfrekvenserna hos axeln som skall dämpas.

Vid det i fig. 5 visade utföringsexempl@;för en skydds- anordning mot subsynkrona resonanser är dämpningsanordningen belägen icke som vid den i fig. 4 visade anordningen i block- transformatorns T stjärnpunkt utan i generatorns G stjärn- punkt. Trefasgeneratorn G, vars tre statorlindningar är be- tecknade med 55, 56, 57, drives av turbinen 1 över axeln 2.

Generatorn matar trefasnätet N över blocktransformatorn T som är beskrivet i detalj i samband med fig. 4. De tre se- kundärlindningsgrenarna hos blocktransformatorn T är på låg- spänningssidan förbundna med varandra och anslutna till tre- fasnätets N jordledning 45.

I serie med statorlindningarna 55, 56, 57 är inkopplade dämpningsanordningarna 20', 24'. Dessa kan i princip ha 10 '15 i\) kr! 50 40 7 8000104-3 samma konstruktion som vid utföringsexemplet enligt fig. 4.

I föreliggande fall består emellertid dessa av tre serie- kopplade delmotstànd Eša, 25b, Bšc, 24a, 24b, 24c respektive 25% 25b, 2 2. Med varje delmotstånd är parallellkopplad en till nominell frekvens M/n avstämd serieresonanskrets som består av en seriekoppling av en kondensator 26a, 26b, 26c, 27a, 27b, 27c respektive 28a, Qêb, 28c och av en induktans 29a, 29b, ?9c, šOa, 50b, šOc respektive šfla, šlb, 51c. På samma sätt som i fig. 4 är induktanser šëa, öêb, 520, šša, ššb, Bšc respektive šüa, 54b, ößc parallellkopplade med del- motstånden.

Funktionssättet för skyddsanordningarna enligt uppfin- ningen enligt fig. 4 kommer att förklaras närmare med hjälp av den grafiska framställningen i fig. 6 och 7.

Såsom känt uppvisar en med nominellt varvtal löpande generator för strömmar med frekvenser Mw motstånd och verkar således som en källa. När det resulte- rande motståndet hos den här beskrivna dämpningsanordningen blir vid den betraktade frekvensen större än värdet för gene- ratorns negativa motstànd uppstår en verksam dämpning även om ledningarna ej skulle haft något ohm skt motstånd.

Vid normal drift, dvs. vid nominell frekvens uøn är spänningsfallet noll mellan lågspänningsanslutningarna 9 och jord, så att ingen ström flyter genom de ohmska mot- stånden 25, 24, 25. För avvikande frekvenser uwfïun är där- emot spänningen ej längre noll mellan làgspänningsanslutning- arna 9 och jord. För dessa frekvenser blir dämpningsmotstån- den 25, 24, 25 automatiskt verksamma. Efter det dynamiska förloppet är spänningen åter noll mellan lâgspänningsanslut- ningarna 9 och jord. Att dämpningsmotstånden blir verksamma och försvinner för att skydda axeln mot subsynkrona resonan- ser är således ett ständigt förlopp som ej kan förorsaka ytterligare instabilíteter.

Samma överväganden gäller för fallet då dämpningsanord- ningarna är belägna i generatorns stjärnpunkt (fig. 5).

Det genom dämpningsanordningen erhållna ytterligare motståndet A r är infört i fig. 6 som funktion av den norme- rade frekvensen M/Ayn, vavid diagrammet a) gäller för en dämpningsanordning enligt fig. 4 men utan de ytterligare in- duktanserna 52, šš och 54, diagrammet b) gäller för en dämp- 40 45 20 50 55 40 1 8000104-3 8 ningsanordning med ytterligare induktans och diagrammet c) för en av tre delmotstånd bestående dämpanordning enligt fig. 5. Som det framgår av de tre diagrammen kan alltefter fördelningen av de mekaniska egengrekvenserna ¿Um(i) använ- das en som grund för diagrammen liggande kopplingskonfigura- tion. Härigenom kan man för det önskade frekvensområdet upp- nå en tillräcklig dämpning. De vid dynamiska förlopp uppträ- dande strömkomponenterna med avvikande frekvenser tvfivn avklingar mycket snabbt under inverkan av de ytterligare dämp- ningsmotstånden. Härigenom minskas avsevärt såväl det aktive- rande elektriska vridmomentet som även de mekaniska vridmomen- ten i axeln.

I de grafiska framställningarna i fig. 7 jämförs inverkan av skyddsanordningen enligt uppfinningen beträffande genera- torns G statorström i det elektriska vridmomentet ïëoch det mekaniska vridmomentet Tu i axeln för generatorns magnetise- ringsmaskin med motsvarande värden utan skyddsanordning, var- vid grunden är en nätkonfiguration i motsvarighet till fig. H (utan överbryggningsströmställare 58, 39, 40), där den induk- tiva reaktansen är 0.3, den kapacitiva reaktansen är 0.2, dämpningsmotståndet är 0.2 och den induktiva reaktansen för den extra induktansen som är parallellkopplad med dämpnings- motståndet är 0.25.

En vid tidpunkten t uppträdande trepolig kortslutning i högspänningsledningen L har vid tidpunkten tg den genom de befintliga nätskyddsanordningarna förorsakak bortkopplingen av kortslutningen som följd. Genom samverkan mellan seriekon- densatorerna 14, 15, 16 och nätet uppträder exempelvis i mag- netiseringsmaskinens axel en subsynkron resonans (exempelvis vid uk/0% = 0.675 i motsvarighet till fig. 2b). Vridmomentet i magnetiseringsmaskinens axel~intar omedelbart mycket höga och otillåtliga värden (fig. 7c). Diagrammen i fig. 7d, 7e och 7f visar tidsförloppet för samma storheter vid användning av en seriedämpning enligt fig. 4 med en karakteristik för det verksamma motståndets förlopp enligt fig. 6. Det elektriska vridmomentet reduceras kraftigt, det mekaniska vridmomentet i magnetiseringsmaskinens axel (diagrammet enligt fig. ?f, där Tm är antydd 5 gånger förstorad gentemot fig. 7c) visar ej längre några resonansfenomen trots att resonansfrekvenserna har förblivit ungefär lika stora. 40 9 suoo1o4-3 Om så är nödvändigt kan dämpningswnordningarna 20, 21, 22 respektive 20', 21', 22' under den normala driften över- bryggas genom strömställare 58, 39, 40. Detta visas exempel- vis i fig. 4. Vid uppträdandet av frekvenser6Ufu% öppnas dessa strömställare medelst ett frekvensrelä 44. Frekvensre- läet 41 innehåller i huvudsak en frekvensdiskriminator som avger en utgàngssignal när ingàngssignalen utom nätfrekven~ sen uppvisar från nätfrekvensen avvikande komponenter.

På samma sätt kan även vid det i íig. 5 visade utförings- exemplet dämpningsanordningarna 20', 21' och 22' in- respek- tive frånkopplas i beroende av frekvensen.

Claims (4)

10 '15 20 8000104-3 Patentkrav

1. Skyddsanordning för en turbogrupp, som över en block- transformator arbetar på ett högspänningsnät, varvid turbo gruppens axel uppvisar en eller flera egenfrekvenser som är lägre än nätírekvensen och vilken skyddsanordning omfattar organ för att dämpa subsynkrona resonanser, k ä n n e - t e c k n a d av att i serie med varje fas är inkopplat minst ett ohmskt dämpningsmotstånd (23,24,25) med vilket är parallellkopplad vardera en till nätfrekven Qufi) avstämd serieresonanskrets (26,29; 27,šO;28,3fl) och att dämpningsmot~ stånden är anordnade i stjärnpunkten för turbogruppens block- transformator och/eller generator.

2. Skyddsanordning enligt krav 4, n a d av att dämpningsmotståndet består av flera delmot~ stånd (25a,2šb,25c; 24a,24b,24c; 25a,25b,25c), varvid med delmotstånden är parallellkopplade till nätfrekvensen avstäm- k ä n n e t e c k - da serieresonanskretsar.

3. E. Skyddsanordning enligt krav 1 eller 2, t e c k n a d av att parallellt med den av dämpningsmotstànd och serieresonanskrets bestående anordningen är inkopplad en induktans (52,55,54).

4. Skyddsanordníng enligt något av krav 1-5, av att den av dämpningsmotstànd och k ä n n e - k ä n - n e t e c k n a d serieresonanskrets bestående dämpningsanordningen (20,21,22) kan överbryggas av en strömställare (58,š9,40), varvid organ (41,42) är anordnade för att aktivera (öppna) strömställaren (41) vid uppträdande av frekvenser som avviker från nätfrek- vensen (w f il/n) .