Relejna zastita elektroenergetskog sustava_zbornik

Str. 179 B5 – 01 Slika 4.: Snimanje valnih oblika struja na ulazu u stati ku diferencijalnu zaštitu U tablici IV. prikazana je frekventna analiza diferencijalnih i pogonskih struja u trenutku proradestati ke diferencijalne zaštite. Iz tablice je vidljivo da je najve i dio te struje istosmjerne komponente štoo ito predstavlja problem za stati ki relej koji prora uje. Za razliku od toga, numeri ki relej ostaje stabilante tek pred sami kraj procesa elektri nog ko enja mjeri maksimalno od 1 do 2 % diferencijalne struje iostaje stabilan u tijeku cijelog procesa ko enja. Tablica IV. Harmoni ka analiza valnih oblika struja u ulazu u diferencijalne zaštite generatora5. ZAKLJU AK Potpuna automatizacija, visok stupanj pouzdanosti opreme elektri kog ko enja, garantira dug isiguran rad agregata te pove anje raspoloživosti i pouzdanosti postrojenja. Proces elektri nog ko enjaomogu ava brže zaustavljanje agregata nakon izlaska s mreže i time bržu raspoloživost istog u slu ajupotrebe . Kod samog projektiranja elektrane potrebno je posvetiti dužnu pažnju odabiru strujnih mjernihtransformatora kako bi se postigao optimalni raspored zaštita po jezgrama i zadovoljili zahtjevi koji sepostavljaju prema ugra enim sekundarnom opremom u postrojenju. U tom smislu je potrebno koristitipreporuke za odabir mjernih transformatora koje su prihva ene unutar HEP-a. 7

Str. 180 B5 – 01 Strujni transformatori u zvjezdištu i na izvodu generatora moraju biti identi nih karakteristika. Kododabira strujnih mjernih transformatora s naslova frekventne karakteristike mora se voditi ra una o tomeda isti mora biti u cijelom podru ju od 50 Hz do 0 Hz u klasi to nosti. Posebnu pažnju treba posvetitiispitivanju u tvornici proizvo a a po svim zahtjevnim parametrima za potrebe sustava relejne zaštitegeneratora. Korištenje modernih sustava za mjerenje i analizu valnih oblika elektri nih veli ina uvelike moguolakšati u analizama i rješavanju problema vezanih na sli ne procese u pogonu. Prednosti i mogu nostikoje pružaju numeri ke zaštite znatno mogu olakšati realizaciju tehni ki kvalitetnijih rješenja u razli itimprocesima s kojima se susre emo u postrojenjima. Analiza cijelog projekta zamjene uzbude i mjernih transformatora ukazuje kako je nužno koristitinumeri ku tehnologiju u relejnoj zaštiti. Postoje i stati ki sustav zaštite ne može dovoljno kvalitetnoodgovoriti na nove uvjete rada generatora u procesu elektri nog ko enja. Neselektivne prorade zaštite suopasne, jer postoji mogu nost previda ako se one esto ponavljaju te se po inju zanemarivati.Numeri kim generatorskim relejima se može uspješno štititi generator u svim režimima rada. LITERATURA[1] ABB: REG316*4 Numerical Generator Protection, Technical reference manual, 1MRB520049-Uen/ Rev. B, ABB Power Automation, Baden, Switzerland, 2001.g.[2] Kon ar INEM: Diferencijalna zaštita generatora RDIM 111, 1997.g.[3] V. Bego: Mjerni transformatori, Školska knjiga – Zagreb, 1977.g.[4] Kon ar mjerni transformatori: Izvješ e o tvorni kim ispitivanjima mjernih transformatora, 2004.g.[5] Kon ar INEM: Prijenosne funkcije kon arevog sustava uzbude sinkronih strojeva sa digitalnim regulatorom napona tip “DRN”, 2001.g. 8

Str. 181mr.sc. Ivan Viši , dipl.ing. B5 – 10EXOR Informati ki Inženjering d.o.o., Zagrebprof.dr. Ante Maruši , dipl.ing.Fakultet elektrotehnike i ra unarstva, Zavod za visoki napon i energetiku, Zagreb USPOREDNA ANALIZA VISOKOOMSKOG I REZONANTNOG UZEMLJENJA ZVJEZDIŠTA GENERATORA U BLOK SPOJU SAŽETAK Zemljospoj statorskog namota naj eš i je kvar sinkronog generatora i uzrok ošte enja statorskognamota generatora. Osim toga direktni je uzrok i me ufaznih kvarova na generatoru. Svrha uzemljivanjazvjezdišta generatora preko odre ene impedancije je ograni enje štete na mjestu kvara, ograni enjeprijelaznih prenapona i osiguranje osjetljive detekcije zemljospojeva na statorskom namotu generatora. Uradu je prikazana usporedna analiza visokoomskog i rezonantnog uzemljenja generatora u blok spoju.Rezultati analize pokazuju da je kod rezonantnog uzemljenja šteta na mjestu kvara znatno manja, dok jeosjetljivost detekcije zemnih spojeva na bilo kojem mjestu u namotu generatora pove ana. Kodrezonantnog uzemljenja naponi preneseni iz mreže ve i su nego kod visokoomskog uzemljenjageneratora, no ispravnim odabirom konstante prigušnice K mogu se svesti na normalne iznose. Klju ne rije i: generator, visokoomsko uzemljenje, rezonantno uzemljenje, neutralizator zemnog spoja, zemljospoj, zemljospojna zaštitaBLOCK CONNECTED GENERATOR NEUTRAL HIGH RESISTANCE AND RESONANT GROUNDING COMPARATIVE ANALYSISSUMMARY Ground fault in stator windings is the most frequent fault in the synchronous generator and directcause of phase-to-phase faults. The objective of grounding a synchronous generator system through theimpedance is minimizing damage at the point of the fault, limiting transient over voltages and providingsensitive detection of ground faults in generator system. A detailed comparative analysis has been donefor high resistance and resonant grounding methods on unit-connected generators. The results outlinesthe damage at the point of the fault is greatly reduced and the sensitivity of the detection for localizeddeterioration of insulation at any location in generator system is increased. Impressed over voltages ongenerator system from transmission system will be higher in magnitude with resonant grounding than withresistor grounding but it can be controlled within acceptable limits by the proper selection of reactor coilconstant K.Key words: generator, high resistance grounding, resonant grounding, ground fault neutralizer, ground fault, ground fault protection 1

Str. 182 B5 – 101. UVOD Elektroprivredne statistike ukazuju na injenicu da je zemljospoj statorskog namota naj eš i tipkvara sinkronog generatora. Naj eš i uzroci proboja statorskog namota prema masi jesu loša izolacija,prenaponi i odre ena mehani ka ošte enja. Veli ina struje zemnog spoja ovisi o udaljenosti mjestazemljospoja od zvjezdišta, o na inu uzemljenja zvjezdišta i o kapacitetima prema zemlji. Osnovni cilj priuzemljivanju zvjezdišta sinkronih generatora jest zaštita samog generatora i ostale opreme od šteta kojemogu biti uzrokovane nenormalnim elektri nim uvjetima. Zahtjevi pri tome su sljede i: a) smanjivanje štete pri zemnim spojevima statorskog namota generatora, b) ograni avanje mehani kih naprezanja u generatoru pri vanjskim zemnim spojevima, c) ograni avanje povremenih i prijelaznih prenapona na izolaciji generatora, d) osiguranje na ina detekcije zemnog spoja i zaštite generatora i e) koordinacija zaštite generatora sa zahtjevima ostale opreme na generatorskom naponu Odabir vrste uzemljenja ovisi o relativnoj važnosti korisniku svake od gore navedenih to aka.2. METODE UZEMLJENJA GENERATORA Metode uzemljenja statorskog namota generatora možemo podijeliti u sljede e kategorije: a) efektivno uzemljenje, b) niskoinduktivno uzemljenje, c) niskoomsko uzemljenje, d) rezonantno uzemljenje, e) visokoomsko uzemljenje i f) izolirano zvjezdište generatora U lanku se obra uju visokoomsko i rezonantno uzemljenje generatora. Razmatra se sustav ukojem se generator spaja na sabirnice sustava preko bloktransformatora u spoju Yd.2.1. Visokoomsko uzemljenje generatora Rješenje koje se primjenjuje naj eš e u Hrvatskoj elektroprivredi je visokoomsko uzemljenjepreko otpornika u zvjezdištu generatora. Ekvivalentno ovome, rješenje koje se naj eš e susre e usvjetskoj praksi je visokoomsko uzemljenje preko distributivnog transformatora u zvjezdištu generatora.Uzemljenje je izvedeno u formi maloomskog otpornika koji se spaja na sekundar distributivnogtransformatora iji je primarni namot spojen izme u zvjezdišta i zemlje. Ovdje e se pri daljnjemrazmatranju visokoomskog uzemljenja generatora razmatrati uzemljenje preko distributivnogtransformatora. Struja kroz zvjezdište generatora pri zemljospoju ograni ena je na 5 do 15 A, ovisno oveli ini generatora i kapacitetima u nultoj mreži generatorskog kruga. Ograni enje prijelaznih prenaponakod visokoomskog uzemljenja generatora postiže se odabirom otpornika iji je otpor izražen u manji ilijednak omskoj vrijednosti trofaznog dozemnog kapaciteta generatorskog sustava. Op enito gledano,uzemljenje generatora preko distributivnog transformatora ima sljede e karakteristike: a) mehani ka naprezanja i štete uslijed kvara ograni ene su strujom kvara 5 do 15 A, b) prijelazni prenaponi ograni eni su na sigurne vrijednosti, c) sklop za uzemljenje je ekonomi niji od otpornika u primarnom krugu, d) osjetljivost releja je zadovoljavaju a osim što opada za kvarove u blizini zvjezdišta generatora, e) odvodnici prenapona moraju biti odabrani na temelju viših povremenih prenapona za vrijeme zemnih spojeva i f) može biti potrebno duže trajanje do isklopa zaštite.2.2. Rezonantno uzemljenje generatora Rezonantno uzemljenje ili tzv. Neutralizator zemnog spoja je vrsta uzemljenja generatora kodkoje se na sekundaru distributivnog transformatora postavlja prigušnica. Prigušnica je takvihkarakteristika da je kapacitivna struja za vrijeme zemljospoja neutralizirana s jednakom komponentom 2

Str. 183 B5 – 10induktivne struje proizvedenom od strane neutralizatora. Struja kvara je dakle reducirana paralelnimrezonantnim krugom i u fazi je s naponom kvara. Distributivni transformator u zvjezdištu generatora iprigušnica na njegovom sekundaru ine osnovne elemente rezonantnog uzemljenja generatora.Prigušnica se odabire takva da je rezultantna reaktancija prera unata na primarnu stranu distributivnogtransformatora jednaka trofaznoj dozemnoj kapacitivnoj reaktanciji generatorskog sustava. Zemljospoj nageneratorskom namotu detektira se mjerenjem struje ili napona u sekundarnom krugu distributivnogtransformatora. Otpor kvara i rezonantni LC krug su u serijskom spoju i ine djelitelj napona. Osjetljivost detekcije zemljospoja je vrlo visoka zbog efektivnog poja anja rezonantnog kruga.Ovakva vrsta uzemljenja može poja ati nulti napon koji se prenosi iz visokonaponske mreže prekokapacitivne veze me u namotima bloktransformatora. Ovaj se napon može kontrolirati odabiromkonstante K u opsegu od 10 do 50 bez smanjivanja osjetljivosti detekcije. Nulti napon i napon tre eg harmonika, koji su sastavni dio generatorskog napona, mogu poja atinulte struje i struje tre eg harmonika u generatorskom sustavu. Ove struje teku preko neutralizatorazemljospoja i dozemnih kapaciteta prema zemlji. Kod rezonantnog uzemljenja ove se struje poja avaju, aisto tako pove ani su i harmoni ki naponi na prigušnici. Amplituda napona zvjezdišta ovisi o amplitudinultog napona i približno iznosi V0/K (3). Ovaj se efekt može kontrolirati ispravnim odabirom konstanteprigušnice Rezonantno uzemljenje ima sljede e karakteristike: a) ograni avanje struje zemljospoja prakti ki na nulu te na taj na na in smanjivanje mehani kih naprezanja i mogu nosti gorenja željeza pri kvarovima u generatoru, b) mogu nost kontinuiranog rada generatora nakon pojave zemljospoja do normalnog zaustavljanja bloka (ovdje treba naglasiti opasnost od drugog zemnog spoja i na taj na in kratkog spoja u generatoru kada struje više nisu tako male), c) sprje avanje pojave prijelaznih prenapona koji se javljaju kao posljedica intermitiraju ih zemnih spojeva, d) osiguranje visoke osjetljivosti detekcije zemnih spojeva pa tako i detektiranje lokalnih smanjenja izolacijske vrsto e generatora. e) kod automatskog isklopa možda ne e biti mogu a koordinacija s osigura ima naponskih transformatora generatora, tj. kvarovi u sekundarnim krugovima naponskih transformatora mogu uzrokovati indikaciju zemljospoja ako se koriste yy naponski transformatori, f) mogu i su visoki nulti naponi u generatorskom sustavu ako se odabere prevelika konstanta prigušnice K, g) odvodnici prenapona moraju biti odabrani na temelju visokih povremenih napona za vrijeme zemljospojeva.3. USPOREDNA ANALIZA VISOKOOMSKOG I REZONANTNOG UZEMLJENJA Za usporednu analizu visokoomskog i rezonantnog uzemljenja generatora odabrana je RHEVelebit zbog dostupnosti podataka. Sinkroni stroj, motor-generator spojen je na mrežu prekobloktransformatora. Nulto ka generatora uzemljena je preko otpora u zvjezdištu. Razmatra se sustavgenerator MG2 – bloktransformator BT2. Iz poznatih podataka generatora, generatorskih sabirnica ibloktransformatora izra unati su podaci za opremu kod obje vrste uzemljenja (1). Izra unati podaci su :3.1. Visokoomsko uzemljenje generatora Rsek 0,25 otpornik na sekundaru PR 75,3kVA nazivna snaga otpornika S ' 27,7kVA termi ka opteretivost distributivnog transformatora3.2. Rezonantno uzemljenje generatora X L 1100 R0 65405 induktivni otpor prigušnice na sekundaru ekvivalentni otpor rezonantnog kruga 3

Str. 184 B5 – 10konstanta prigušnice K 39,6termi ka opteretivost distributivnog transformatora S ' 93,1kVA Na slici 1. prikazana je ekvivalentna nulta shema za obje vrste uzemljenja. Iznos otpora kvarapretpostavljen je rf od 5000 . Slika 1. Nadomjesne sheme kod visokoomskog i rezonantnog uzemljenja Kod odabira vrste uzemljenja vrlo je važno ograni avanje ošte enja generatora. Ošte enjegeneratora uslijed zemnog spoja proporcionalno je energiji na mjestu kvara. Usporedba je napravljena zaslu aj zemljospoja na stezaljkama generatora. Sli na razmatranja vrijede i za kvar negdje u statorskomnamotu generatora. Ukupna struja kvara za rezonantno uzemljenje je:I nf 3 I nf 0 3 U gen 15750V 0,339 A (1) 3 (R0 3rf ) 3 (65405 3 5000)Gubici snage na mjestu kvara mogu se izra unati iz: Wnf I 2 rf 0,3392 A2 5000 575,5W (2) nfKod visokoomskog uzemljenja ukupna struja kvara iznosi:I rf 3 I rf 0 3 U gen 1 1,626 A (3) 3 j3Rekv X 0c 3r f 3Rekv jX 0cDisipacija snage na mjestu kvara kod visokoomskog uzemljenja iznosi: Wrf I 2 rf 1,6262 A2 5000 13219,4W (4) rf Mogu e postotno smanjenje ošte enja prilikom kvara kod rezonantnog uzemljenja u odnosu navisokoomsko uzemljenje iznosi: W Wrf 100 13219,4 100 2297% (5) Wnf 575,5Pomak napona zvjezdišta kod rezonantnog uzemljenja iznosi: 4

Str. 185 B5 – 10 Vn0 I nf 0 R0 0,113A 65405 7390,7V (6)Izrazi li se to u postocima nazivnog napona generatora dobiva se: vn Vn0 100 7390,7V 100 81,3% (7) Vgen 9093,3VPomak napona zvjezdišta pri istom kvaru kod visokoomskog uzemljenja iznosi: Vr 0 I rf 0 j3Rekv X 0c 1262V (8) 3Rekv jX 0cIzrazi li se to u postocima nazivnog napona generatora dobiva se: vr Vr 0 100 1262V 100 13,9% (9) Vgen 9093,3V Postotno poboljšanje osjetljivosti kod rezonantnog uzemljenja u odnosu na visokoomskouzemljenje generatora iznosi: v vn 100 81,3 100 584,9% (10) vr 13,9Rezultati prora una grafi ki su prikazani na slici 2.100.00Gubici snage na mjestu kvara(kW) Pomak napona zvjezdišta (%)10.00 energija rez. 1.00 1,140410005100000,,,,,,,15200000005000000000000000000000...........0000000000000000000000 energija vis. napon rez. napon.vis0.10 Otpor kvara (ohm) Slika 2. Pomak napona zvjezdišta i gubici snage na mjestu zemljospoja u ovisnosti o otporu kvara za rezonantno i visokoomsko uzemljenje generatora u RHE Velebit Na slici 2. prikazana je ovisnost pomaka napona zvjezdišta i gubici snage na mjestu kvara ootporu kvaru za visokoomsko i rezonantno uzemljenje. Krivulja ozna ena rombovima predstavlja energijuna mjestu kvara kod rezonantnog uzemljenja dok je kvadrati ima ozna ena krivulja ovisnosti energije namjestu kvara o otporu kvara kod visokoomskog uzemljenja. Trokuti ima je ozna ena karakteristikapomaka napona zvjezdišta kod rezonantnog uzemljenja dok je s iksevima ozna en pomak naponazvjezdišta kod visokoomskog uzemljenja. Rezultati analize prikazane na slici 2 mogu se sažeti u sljede em: 5

Str. 186 B5 – 101. Prema rezultatima usporedne analize pri rezistivnom kvaru od 5000 gubici snage na mjestu kvara su kod visokoomskog uzemljenja 23 puta ve i u usporedbi sa rezonantnim uzemljenjem.2. Rezonantno uzemljenje osigurava osjetljiviju detekciju lokalnih smanjenja izolacijske vrsto e statorskog namota generatora na bilo kojem mjestu u namotu znatno prije pojave vrstog zemljospoja. Kao što je na slici 2 prikazano, s rezonantnim uzemljenjem, rezistivni kvar od preko 400000 na izvodima generatora biti e detektiran zemljospojnim relejom udešenim da štiti 95% statorskog namota generatora. Jednako udešen relej kod visokoomskog uzemljenja generatora ne e vidjeti niti rezistivni kvar veli ine 40000 . Kod rezistivnog kvara veli ine 5000 pove anje osjetljivosti detekcije zemljospoja kod rezonantnog uzemljenja u odnosu na visokoomsko uzemljenje je prema (10) 584,9%.3. Prenaponi u mreži ne e se pojaviti izme u zvjezdišta generatora i zemlje zbog Yd spoja bloktransformatora.4. Prijelazni prenaponi na fazama koje nisu u kvaru, a koji su uzrokovani zemnim spojevima pra enim pojavom luka ograni eni su kod rezonantnog uzemljenja zbog male vrijednosti struje zemljospoja.5. Nulti napon koji se pojavljuje u mreži uslijed zemljospoja prenosi se na generatorski sustav. Ovaj napon ovisi o kapacitetu me u namotima bloktransformatora i nultoj impedanciji generatorskog sustava. Preneseni napon e biti ve i kod rezonantnog uzemljenja nego kod visokoomskog uzemljenja generatora. Kod rezonantnog uzemljenja ga treba kontrolirati ispravnim odabirom konstante prigušnice K.4. ZAKLJU AK U Hrvatskoj elektroprivredi zvjezdište generatora u blok spoju naj eš e je visokoomski uzemljenopreko primarnog otpornika. Pogonska iskustva s ovom vrstom uzemljenja su zadovoljavaju a i do sadanije bilo ve ih problema. No iz rezultata analize, kao i iz svjetskih iskustava (5) o ito je da postojeodre ene prednosti rezonantnog uzemljenja generatora u blok spoju. Generator je vrlo važan i relativnoskupi dio elektroenergetskog sustava. Stoga, ako bi primjena odre ene vrste uzemljenja pomogla uprodužavanju njegovog životnog vijeka i u sprje avanju ve ih ošte enja potrebno je razmotriti primjenu tevrste uzemljenja generatora. LITERATURA[1] Ivan Viši : Analiza na ina uzemljenja zvjezdišta sinkronog generatora, Magistarski rad, FER, ZVNE, 2003, Zagreb[2] Group of Authors: IEEE Std C37.101-1993;IEEE Guide for Generator Ground Protection Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1994., New York, USA[3] Group of Authors: IEEE Guide for Application of Neutral; Grounding in Electrical Utility Systems Part II Grounding of Synchronous Generator Systems, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1994., New York, USA[4] Grupa autora.: Zaštita od prenapona postrojenja RHE Velebit, Studija, FER, ZVNE, 1998, Zagreb[5] Gulachenski E.M., Courville E.M.: New England Electric's 39 years of experience with Resonant Neutral Grounding of Unit – Connected Generator, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.6, 1991 6