روش مکان یابی خطای اتصال زمین شدن استاتور به صورت آنلاین برای ژنراتورهای سنکرون برپایه ی حفاظت صددرصد فرکانس پایین تزریقی به استاتور

توضیحات

عنوان فارسی: روش مکان یابی خطای اتصال زمین شدن استاتور به صورت آنلاین برای ژنراتورهای سنکرون  برپایه ی حفاظت صددرصد فرکانس پایین تزریقی به استاتور

عنوان انگلیسی:

On-line stator ground-fault location method for synchronousgenerators based on 100% stator low-frequency injection protection

چکیده

مکان یابی خطای زمین شدن سیم پیچ های استاتور کار بسیار سختی است خصوصا زمانی که ژنراتورها با امپدانس بزرگ زمین شده باشند. از طریق اندازه گری های رایج توان نمی توان به محل دقیق خطا در شرایط آنلاین پی برد چرا که مقاومت خطا نامعلوم است. این مقاله الگوریتمی برای مکان یابی خطای زیمین سیم پیچ استاتوردر شرایط آنلاین بر پایه ی  حفاظت تزریقی فرکانس پایین و دیگر اندازه گیری ها ارائه می کند برخی ساده سازی ها در الگوریتم کلی صورت گرفت و یک روش ساده برای ژنراتورهای زمین شده با ظرفیت کم بیان می شود. مکان یابی از طریق الگوریتم کلی و الگوریتم های ساده با شبیه سازی و آزمایشگاهی برای خطاهای با مقادیر مختلف  مقاومت خطا در نقاط مختلف سیم پیچ استاتور تست گردید. این الگوریتم ها دقتقابل قبولی برای رنج بسیار گسترده ای از مقاومت خطا بدون نیاز به تجهیزات اضافی دارد.

1. مقدمه

در حال حاضر حفاظت های الکتریکی تنها نگرانی برای حفظ قابلیت اطمینان سیستم قدرت نیست بلکه اطمینان از عملیات ایمن تحت خطا نیز وجود دارد. در نیروگاه ها سیستم های حفاظتی برای ایمنی کارکنان و به حداقل رسیدن آسیب های ماشین آلات و تجهیزات در طول حادثه حیاتی است.

یکی از اصلی ترین خطاهای ژنراتورهای سنکرون قدرت، خطای زمین شدن سیم پیچ آنهاست[1]. عواقب ناشی از این نوع خطاها کاملا به نوع زمین شدن ژنراتور بستگی دارد[2]. اگر مقاومت ژنراتور از طریق یک مقاومت کوچک زمین شده باشدممکن است جریان خطا بسیار برگ باشد[3]. در این نوع زمین شدن آسیب های ترمینال ها ممکن است بسیار شدید باشد چرا که سیم پیچ استاتور اتصال کوتاه شده است[4]. مکان یابی نقص در این مورد بسیار آسان است چون خطا قابل مشاهده است.

از سوی دیگر ژنراتورهای با اندازه  متوسط و بزرگ از طریق مقاومت بسیار بزرگ زمین شده اند که به طور کلی جهت کاهش جریان زمین شدن تعبیه گردیده است. در مورد خطای زمین شدن ترمینال ها مقدار خطا معمولا در حدود 5 تا 10 آمپر است[5]. این قضیه صدمه به استاتور را محدود می کند. که البته مکان یابی آن را نیز دشوار می سازد حتی اگر روتور بیرون آورده شده باشد.

اکثر طرح های حفاظت زمین شدن استاتور بر پایه ی اندازه گیری ولتاژ زمین (59N) و یا جریان زمین(51N) است[6]. از آنجا کهخطاهی زمین استاتور یک جریان گردشی زمین را نشان می دهند(و در نتیجه ولتاز زمین) ممکن است هر خطای اتصال زمین با اندازه گیری ها شناسایی شود[7]. با این حال تنظیم آستانه صفر برای این طرح توصیه نمی شود. چرا که وجود هر جریان گذرای زمین می تواند موجب دستور قطع ناخواسته شود. این نوع حفاظت ها “حفاظت 95 درصدی خطای استاتور” نامیده می شوند که میزان اطمینان از حفاظت استاتور را نشان می دهد.

جهت حفاظت 5 درصد باقی مانده طرح ای “صددرصد حفاظت اتصال زمین استاتور” استفاده شده اند[8و9].یکی از مهمترین این طرح ها اندازه گیری مولفه ی هارمونیک سوم ولتاژ زمین(27NTH) است[10]. بزرگی این مولفه عمدتا به مقدار خازن زمین استاتور ژنراتور و دیگر مولفه ها مانند بریکر ژنراتور یا step-up ترانسفورماتور وابسته است [11و12].بر طبق این، عملکرد 27nth به طور معمول در خلال پروسه ی Start-step و همچنین در طول توان عملکرد اکتیو یا راکتیو پایین بلاک می شود[5].

نتیجه ی این محدودیت، راه حل تزریق با فرکانس پایین (64S) است که براساس تزریق سیگنال ولتاژ فرکانس پایین(معمولا 12.5، 15 یا 20 هرتز) از طریق یک فیلتر انجام می شود. این حفاظت امپدانس معادل را با اندازه گیری جریان فرکانس پایین بدست می دهد که در طول خطا تغییر می کند. اگر چه که این طرح گرانقیمت است می تواند به طور گسترده ای استفاده شود چرا که می تواند برای ماشین های آفلاین نیز فعال باشد[5]. به طور کلی این طرح حفاظت یک موضوع تحقیقی فعال می شود[13-15]. چون دچار تریپ ناخواسته نمی شود. ویژگی دیگر این نوع حفاظت دقت اندازه گیری مقاومت معادل است که از مقامت خطا بدست می آید.

امروزه پس از آشکار شدن خطا ی زمین، ژنراتور از سرویس خارج می شود. در ابتدا سطح عایقی بررسی می شود و وجود خطا تایید می گردد. روتور فقط جهت اهداف مکان یابی بیرون کشیده می شود. این نوع عملکرد ممکن است واقعا سخت باشد خصوصا در ژنراتورهای با امپدانس بالا که حداکثر جریان خطا محدود به 10 آمپر می باشد. این جریان خطای پایین برای هسته استاتور مخرب نیست و همچنین پیدا کردن محل عیب را غیرممکن می سازد. سپس مکان خطا به شیوه های مختلف بدست می آید. بعضی از این تست ها جریان بسیار بالایی را به سیم پیچ خطادارتزریق می کنند و خطا آشکارسازی می شود. این جریان بالا می تواند به عایق لایه های آهن صدمه وارد کند. روش های دیگر از مکان یابی خطا شامل شیوه ها ی غیر مخرب می شود که شامل تقسیم سیم پیچ استاتور به دو بخش و سپس چک کردن سطح عایق هر کدام می باشد. پس از آن، بخشی از سیم های با سطح پایین از عایق دوباره به دو بخش تقسیم می گردد و دوباره سطح عایقی هر دو چک می شود. در این روش از طریق تقسیم سیم پیچ استاتور به بخش های مختلف  مکان خطا بدست می آید. این فرآیند مکان یابی و تعمیر خطا می تواند روزها زمان ببرد و بسیار هزینه بر است. اگر اطلاعاتی درباره ی مکان خطا بدست آید، زمان تعمیرات کاهش خواهد یافت. به عبارت دیگر، در موارد خاصی مکان یابی خطای اتصال زمین  به دلیل شکست عایقی بسیار دشوار است درنتیجه آزمون مکان یابی با استفاده از ولتاژ امکان پذیر خواهد بود.

 اگرچه که در تشخیص خطای اتصال زمین استاتور مطالعات زیادی صورت گرفته است[16-20] و مکان یابی خطا بر اساس میدان جریان بسیار کمک کرده است اما نه تنها رای ژنراتورهای سنکرون بزرگ [21و22] بلکه برای انواع دیگر ماشین های الکتریکی مانند سیم های ژنراتوربیان گردیده است[23]. در این مقاله الگوریتمی برای مکان یابی آنلاین خطای اتصال زمین ژنراتورها با 100 درصد فرکانس پایین استاتور و 95 درصد حفاظت ارائه گردیده است. در مرحله اول اندازه گیری ولتاژ و جریان نوترال(حفاظت 95 درصدی خطای زمین ) ارزیابی گردید و مکان یاب خطا(روش ساده شده  A) در بخش دوم که نتایج غیرقابل قبول را بیان می کند ارزیبای می شود. در مرحله دوم و در بخش سوم روش با دقت مکان یابی بالا بیان می گردد. که از مقاومت خطا استفاده می کند و حفاظت 100 درصدی خطا را با تزریق جران یا ولتاژ فرکانس پایین مهیا می کند و مقاومت خطا را بدست می دهد و مکان یابی صورت می گیرد. در انتها برخی ساده سازی ها در الگوریتم ژنراتور به منظور رسیدن به الگوریتمی ساده تر انجام می شود که قابل استفاده برای ژنراتورهای سنکرون با مقدار ظرفیت خازنی کوچک خطا است. اجرای این روش در رله های حفاظتی ساده تر خواهد بود. این روش ها با انجام شبیه سازی ها و آزمایشات تجربی ارزیابی گردیده و به همراه نتایج در بخش 4 و 5 تشریح شده است. با استفاده از روش جدید مکان یابی آنلاین ارائه شده در این مقاله، ممکن است سیستم های حفاظت پیشرفته هر دو مقدار مقاومت خطا و مکان ان را در حین تریپ به دست دهد که امکان تشخیص خطاهایی که در ژنراتورها با ولتاژ نامی رخ می دهد قابل تشخیص می شود و منجر به کاهش زمان تعمیرات پس از بیرون کشیدن روتورمی شود.

2. رویکرد تئوری مکان یابی خطای اتصال زمین سیم پیچ های استاتور

در ژنراتورهای سنکرون زمین شده با مقدار امپدانس بزرگ، خطاهای اتصال زمین استاتور عموما با استفاده از حفاظت ولتاژ نوترال (59N)، یا حفاظت اضافه جریانی(51N) انجام می شود. در برخی موارد، این حفاظت با طرح حفاظت خطای 100 درصد زمین انجام می شود که 5 تا 10 درصد از سیم پیچ استاتور را پوشش می دهد که به نقطه ی نوترال نزدیک است. در شکل 1 طرح ساده ای از نیروگاه را نشان می دهد که طرح ژنراتور 59N را ارائه می دهد. در این شکل خطای زمین در فاز A نشان داده شده است  , R_fمقاومت خطاست،I_f جریا خطا،U_n ولتاژ فاز ژنراتور و x بیانگر مکان دقیق خطا را از 0 پریونیت یا 0 درصد(نوترال،N) تا 1 پریونیت یا 100 درصد(ترمینال،A) نشان می دهد. این خطای زمین سبب آشکار شدن ولتاژ نوترال(V_N) می شود و جریان نوترال گردشی(I_N) با حفاظت های قبلی اندازه گیری می شود. در ژنراتورهای با اندازه بزرگ، چندین ظرفیت خازنی به زمین باید در نظر گرفته شود مانند خازن معادل به زمین سیم پیچ های استاتور(C_g) و C_z که شامل خازن به زمین بریکر ژنراتور،ترانسفورماتور step up ژنراتور، ترانسفورماتور کمکی و باس بارها است.

در نیروگاه ها، اندازه گیری های این طرح(شکل1) با I_N ،V، U_N و ولتاژ ترمینال(V_A) بدست می آیند.R_N مقاومت اتصال زمین است که در سیم پیچ اولیه ی  ترانسفورماتور گراند بیان می شود، اگر چه نصب این مقاومت درسیم پیچ ثاونیه متداول است.معمولا مقدار R_N با در نظر گرفتن محدود کردن جریان نوترال به 10 آمپردر پایانه های ژنراتو بدست می آید(5 آمپر نیز استفاده می شود). بر این اساس خطای اتصال زمین با مقادیر بزرگتر I_N نسبت به 51N با تنظیم آستانه(5 درصد مقدار 10 آمپر) و یا حتی مقادیر ولتاژ V_N بزرگتر از 59N (5 درصد U_n)شناسایی می شود. در هر دو مورد بالای 95 درصد از سیم پیچ استاتور حفاظت می شود.

توجه:

• برای دانلود فایل word کامل ترجمه لطفا اقدام به خرید فرمایید.
• پس از خرید بلافاصله لینک دانلود فایل برای شما ایمیل خواهد شد.