AllASEA BROWN BOVERI

ABB Relays

GeneratorskyddApplikationsguide

Författare: M glienSenior applicalion engineer

~

December 1986Ersätter AO3-0211

Generatorskydd AG03-4005Sida 2

ABB Relays

Innehållsförteckning

lida

Sida12133

3

1516161718

45

866788

191920

MinusföljdsströmsskyddUndermagnetiseringsskyddJämförelse mellan riktat relä ochoffset-m ho reläÖVerm agnetisering sskyddÖverspänningsskyddUnderfrekvensskyddBakeffektsskyddLagerströmsskyddSkydd mot obefogad magnetise-ring

Speciella skydd för generatorer ipump kraftverk

Känsligt differentialskyddKänsligt jordfelsskydd för statornKortslutningsskydd vid låga fre-kvenser 2C

IntroduktionUtlösningsfunktionIndikering

Reläskydd för generator-transfor-matoraggregat

Jordfelsskydd för statorn95 % -skydd100 % -skyddSkydd för generator direkt ansluten tillett nätJordfelsskydd för rotornLs-injiceringVs-injiceringKortslutningsskyddDifferentialskyddDifferentialskydd för generator ochtransformatorReservskyddVarvkortslutningsskyddÖverlastskydd (terrniskt) Överva kn i ng sutrustn i ng

VarvtalsövervakningTemperaturövervakning

202020

Reläskyddssystem

SidaAg. 18 Funktionskarakteristik tör RAGPC 14Ag. 19 Funktionskarakteristik tör

övermagnetiseringsskydd RA TUB 15Fig. 20. Exempel på inställning av RA TUB 15Ag. 21 Frekvensgränser tör en ångturbin 16Ag. 22 Uttagsschema tör under frekvensskydd 16Ag. 23 Bakeffektskydd med ett tidssteg 17Fig.24 Bakeffektskydd anslutet till V-kopplade

spänningstranstormatorer 18Ag. 25 Lagerströmsskydd RARIC 19Ag. 26 Förenklat schema tör RAGUA

(död-maskinskydd) 19Ag. 27 Funktionskarakteristik tör känsligt

differentialrelä vid uppstart 20FIg. 28 Funktionskarakteristik tör kortslutnings-

skydd vid uppstart (låga frekvenser) 20Ag. 29 Principschema tör varvtals

övervakningsutrustning RAGNA 20Fig. 30 Principschema tör temperatur

övervakningsutrustning RANVB 21Ag. 31 Reläskydd tör en medelstor generator 23Ag. 32 Reläskydd tör en stor turbogenerator 23Fig. 33 Reläskydd tör en stor vattenkraft -

generator 24

445

666

78

8

9

1010

1113

3

Ag. 1 Reläskydd för generator-

transformatoraggregatAg. 2 95 % statoljordfelsskyddAg. 3 100 % statoljordfelsskyddAg. 4 Jordfelsskydd för en generator

direkt ansluten till ett nätAg. 5 Rotoljordfelsskypd RXNB 4Ag. 6 Funktionsvärde for RXNB 4Ag. 7 Blockschema för stato~ordfels-

skydd RAGRAFIg. 8 Funktionsvärden för RAGPAAg. 9 Högimpedansprincipen

(diff.skydd)Ag. 10 Principschema för differential-

skydd RADSGAg. 11 Kortslutningsströmmens tids-

beroendeAg. 12 Impedansskydd RAKZAAg. 13 Varvkortslutningsskydd (stator)Ag. 14 Standardschema för övertast-

skyddRVABAg. 15 Minusföljdsströmsskydd RARIBAg. 16 Typisk kapacitets kurva för

tl,jrbogeneratorAg. 17 Skydd för uridermagnetisering

PAGPC

AGO3-4005Sida 3

Introduktion Generatorer är konstruerade för att arbeta vid en 4hög effektfaktor undet ett stort antal år och sam-tidigt under begränsad tid tillåta vissa ononnala ar-betsförhållanden. Maskinerna är öveNakade för att 4hålla dessa incidenter nere på ett minimum. Dockkan elektriska eller mekaniska fel inträffa och gene-ratom måste därför förses med reläskydd, vilka vidett fel snabbt kopplar bort maskinen från nätet och j

om nödvändigt ser till att generatorn stoppas helt.4

Inga intemationella nonner existerar beträffandeomfattningen av reläskydd för olika storlekar ochtyper av generatorer. Den s k nonnala standardenvarierar mellan olika länder och också mellan olikakraftbolag beroende på tidigare erfarenhet och olikasätt att behandla felstatistiker. En relätillverkare somarbetar på den internationella marknaden måstekunna erbjuda ett modifierbart reläskyddssystem föratt kunna tillfredsställa olika användare.

Utlösningsfunktion

Utlösningsreläerna är normalt placerade i sammaskåp som reläskydden. Vippreläer med magnetiskhållning och med elektrisk eller manuell återställningkan erhållas.

ASEA's reläskyddssystem i byggsystem COMSI.FLEX är huvudsakligen uppbyggt av standardisera-de insticksenheter och ger därmed följande fördelar:

Utlösningsrelät som aktiveras av differentialrelät haren utfösningskombination bestående av ett snabbtrelä (3,5 ms) parallellkopplat med ett relä med kon-takter som har hög brytförmåga (för att kunna brytaupp brytarmagnetens krets). Denna kombinationger således en mycket kort utlösningstid. Om varjereläskydd har sitt eget utlösningsrelä kan skydds-kombinationen mycket lätt anpassas till nya krav omkraftstationema modifieras.

.Stor flexibilitet i montering och koppling vilket geranpassning till användarens praxis beträffande relä-skydd, dess indikeringar och utlösningsfunktioner.Reläskydden kan erhållas med valfritt antal utlös-ningskontaker för utlösning och fjärrindikering. Inomskyddet erhålls flaggindikering eller indikering medlysdioder för start och utlösningsfunktioner

.Modifieringar och senare utbyggnad kan lätt göras Indikering

Varje enskilt reläskydd kan förses med flaggor eller

iysdioder för indikering av start och utlösning i före-

.kommande fall, även 1 vilken fas felet inträffat. Nor-

malt finns ett flertal potentialfria kontakter tillgängliga

för externa funktioner såsom signal, start av

följdskrivare osv. Alla signalreläer med indikerings-

flagga kan också grupperas ihop och placeras i den

övre delen av reläskåpet.

.Färdigkopplade

och provade reläskyddsutrustning-ar i reläskåp (kontrollskåp) medför enkel installationoch reducerar idriftagningsarbetet till ett minimum.Statiska

reläer med låg effektförbrukning i mätkret-sen reducerar bördan på strömtransformatorernaoch därmed kan mättningsfenomenet lättare und-vikas

.Inbyggt provningssystem COMBITEST förenklaridrifttagning och rutinprovning.Antal

reservreläer reduceras genom användning avsamma typ av insticksenheter i flera reläskydd

-AG03-4005Sida4

GeneratorskyddABS Relays

Reläskydd för generator-transformator-aggregat

Fig. 1 är en översikt över standard reläskydd för ettgenerator-transformator aggregat. Ett rekommen-derat minimum av reläskydd för olika storlekar avgeneratorn har sammanställts i slutet av denna bro-schyr i tabellform och som översiktsscheman.

Det vanligast förekommande felet i generatorer äröverslag mellan statorlindningen och plåtkärnan istatom. Felet uppkommer oftast genom mekaniskafel eller termisk skada hos isolermaterialet i stator-lindningen. VaNkort slutningen, vilken normalt ärsvårt att upp täcka övergår snabbt till ett jordfelochlöses ut av statoljordfelsskyddet.

Jordfel orsakade av mekaniska fel kan ske mycketnära nollpunkten. Idag är trenden den att man villskydda hela statorlindningen mot jordfel (100% sta-to~ordfelsskydd) .

{r-III

~

Block-transformator

95 % statoriordfelsskvdd för en Qenerator med upp-transformator

~

Block ditt. relä ~i~~~~RADSB ~ ~ ---

'---(]D-,Statorjordtelsrelä rii:il I(95%) &-~::J;:$--Övermagnetiserings- r<1)"l-4 Iskydd RA TUB ~ I I

Över spännings- 1j"i:"L-~:skydd ~ IUnderma9netiserings- ~-~ I r--{1skydd RAGPC 6~- -+ I

Termiskt överlastrelä ~-I--~ IRVAB ~ I I I I

Minusströmsskydd ~-t I IRARIB ~-t--tUnderimpedansskydd r:;-:l--J. I IRAKZA ~-t--+ IStator jordtelsskydd ~~ I IRAGEA (100%) ~-h I IGenerator ditt. skydd ~ I I I IRADHA eller RADSG ~-t -t-+"'--'

Bakettektskydd ~J : ~--(;RXPE I. ~J---~ 111---(1

.,.. I ~

)--, Över-

I ströms-I I > kI skydd -

I RXIDF2HI Lokal-

eI transfor-ImatorIIL {)

För generatorer med en hägohmigt jordad upp-transformator (nollpunktsmotstånd) används ettnollpunktsspänningsrelä med övertonsstabiliseringoch konstanttidsfördröjning. Relät mäter endera påen transformator i nollpunkt en av generatom ellerpå öppna deltat i spänningstransformatorsatsen pågeneratoms nät sida, se Fig. 2.

Relät ställs för funktion normalt på 5 % av total noll-punktsspänning med en tidsfördröjning på 0,3-0,5 s. Med denna inställning skyddar relät ungefär95 % av statorlindningen. Det skyddar också gene-ratorskenan, upptransformatoms lågspänningslind-ning och högspänningslindningen hos lokaltransfor-matom.

I)

l'"

) .--L~RotorjordfelsskyddRAGRA ellerRXNB 4

Det spänningsmätande relät är försett med ett filtermed en dämpfaktor 1 5 för den tredje övertonen(150 Hl).

)

i)r

I)

I) Instrumen

i---(O I)

Frg. 1 Reläskydd för generatortransformator

aggregat

Statorjordfelsskydd

Normal praxis i olika länder är att jorda generatoms

nollpunkt över ett motsånd som begränsar feIström-

men till 5-10 A. Avstämda reaktorer som begrän-

sar felströmmen till under 1 A används också. I bå-

da fallen är spänningsstegringar i statom under in-

termittenta fel dämpade till en acceptabel nivå och

jordfel som bortkopplas inom några sekunder kom-

mer endast att åstadkomma mycket små skador i

statorplåten.

r

Utlösnings-relä -

Alte,nativ Iinkoppling,

Vid jordfel i uppnätet begränsar nollpunktsmotstån-det den nollpunktsspänning som erhålls från trans.formatorns uppsida via den kapacitiva kopplingentransformatom till 2-3 % av generatoms märktas.spänning. 95 % statorjordfelsskyddIg.2

Generatorskydd AGO3-4005Sida 5

ABB Relays

.r v'\.-

GeneratorU3

---'~ NoUpunk~-r1~ i motstånd-2

I

3

--111

2~'"'-' ~

Skata0.15-0.45 V

~I+)b

+J-.J-:}=J

Till signalel. -

utlösningsrelä

,95% skydd

Skala5-15 V:=+~~~~~J~

J- ( + )

U3 = Generatorns

3:dje tonsspänningCg =Kapacitans mellan stator

lindning och jord-

stator (järn)4 = Kapacitans till jord

på nätsidan

1]= Tredjetonsströmmen

Utl.-relä

Ag. % statorjordfelsskydd

1 00 % statoriordfelsskvdd för Qenerator -transfor-mator aQQre.Qat

Generatorer som producerar mer än 1 % tredje-tonssträm under alla driftförhållanden, kan försesmed ett 1 00 % stato~ordfelsskydd som såledestäcker hela statorlindningen ner till nollpunkten.

Principschemat för skyddet visas i Rg. 3. Skyddetbestår av ett 95 % skydd (1), som täcker statorlind-ningen från 5 % och uppåt och ett tredjetonsrelä (2)som skyddar resten av statorlindningen ned till noll-punkten. Tredjetonsrelät är anslutet till spännings-transformatom i generator-nollpunkten (3) och harstandard skaJområde 0,15-0,45 V, 150 Hl och ettfilter som ökar funktionsvärdet vid märkfrekvensmed en faktor 25. För generatorer med tredjetons-spänning mindre än 1 % finns ett filter med endämpfaktor större än 100.

För en generator direkt ansluten till ett nät (skena)kan inget selektivt jordfelsskydd för generatorn er-hållas med ett nollpunktsspänningsrelä eftersom re-lät fungerar för jordfel i hela systemet som är galva-niskt ihopkopplat med generatorn.

Ett selektM jordfelsskydd med primärt funktionsvär-de ner till 1 -2 A kan erhållas genom att använda ettöverströmsrelä RXlG 28 med extremt låg effektför-brukning i mätkretsen anslutet till summaströms-kopplade strömtransformatorer enligt Ag. 4.

För att säkerställa stabilitet på skyddet vid yttre feloch vid kortslutningar läggs frigivning in i form av ettnollpunktsspänningsretä (3) och blockering frånstartkontakten på överströmsrelät (2). Tidsfördröj-ningen är normalt 0.5-1 s.

När en generator går och det inte finns något jordfelnära nollpunkten (5 %), är både tredjetonsrelät (2)och spänningsrelät (4) aktiverade och kontakt (b) äröppen. Om ett jordfel inträffar nära nollpunkten pågeneratom kommer tredje tonsrelät att återgå, kon-takt (b) sluter och signal och utlösning erhålls.

Om ett nollpunktsmotstånd är anslutet till genera-torn måste ett differentialkopplat jordfelsskydd an-vändas som även mäter i nollpunkten via en ström-transformator. Denna skall vara samma typ och hasamma vaNtaisomsättning (ingen varvkorrigering)som strömtransformatom på nätsidan.

Spänningsrelät (4) är inkluderat för att för hindra fel-funktion från relä (3) vid stillastå ende generatorunder uppstart eller stopp av generatom.

Min. inställning på mätrelät RXIG 28 är ibland bero-ende av läckkapacitansen till jord hos generatomoch kablar, inom skyddszonen. Vid ett extemt jordfelger denna läckkapacitans upphov till en liten noll-följdsström vilken påverkar relät vid för låg inställ-ning.

Ett gemensamt nollpunktsmotstånd anslutet 1samlingsskenan (alt. 1 Ag. 4) rekommenderas atflera generatorer är anslutna till samma skena.

Btock-transformator

--""'""'-,I

~-.J~ ~

I!

Skala40-120V

GeneratorskyddABB Relays AG03-4005Sida 6

ig.4 Jordfelsskydd för en generator direkt anslu.ten till ett nät

Rotorjordfelsskydd

Fältkretsen kan utsättas för onormala mekaniska el-ler termiska påfrestningar beroende t ex på vibratio-ner, höga strömmar eller försämrad kylning. Dettakan resultera i förstöring av isolationen mellan fält-lindning och järnet i rotom på något ställe. Fältkret-sen är normalt isolerad mot jord. Ett enkelt jordfel ifältlindningen eller i fältkretsen ger upphov till ennegligerbar felström och medför ingen omedelbarfara. Om ett andra jordfel inträffar uppkommer dockhöga felströmmar och en mekanisk obalans leda tillatt svåra skador kan uppstå. Det är därför väsentligtatt uppkommande isolationsfel upptäcks i tid, ochatt maskinen tas ur drift så snart som möjligt. Nor-malt låter man rotorjordfelsskyddet lösa ut maski-nen med en kort tidsfördröjning.

Roto~ordfelsskydd RXNB 4Rg. E

Roto~ordfelsskyddet med mätrelä RXNB 4 injiceraren likspänning på 48 V på fältkretsen och mäterläckströmmen (Is) genom isolationen till jord, seFig. 5. När ett fel inträffar på annat ställe än minus-skenan erhålls ett till skott till injektionsspänningenberoende på fältspänning och var i fältlindningenfelet inträffar.

Rx (kIlI

Återgån9skurvaIfrån-varde) -'

Reläts känslighet. som funktion av spänningen Ux.visas i Fig. 6. En tidsfördröjning på 11 s är inbyggdför att förhindra obefogad funktion på relät. t ex be-roende på kapacitiva jordslutningsströmmar somkan uppstå vid snabb reglering av fältspänningen.Ett filter blockerar effektivt växelströmmen som flyterin i mätkretsen. Därför påverkas ej heller relät avövertoner I fältspänningen.

~Funkl;on.kur'a1';II-,ärdel

~

~~o

Ux300100 zOo

Rg.6

jr

RXNB 4

Inktior

ärdE

Generatorskydd

Jfelsskvdc

Rotonc

u

220-;110-15001.

35rYTT'

3äkring3eparat anpassningsenhe

l:iHA

ABB Relays Generatorskydd AGOO-4005Sida 8

RLnIJ

10kt-Principen för hägimpedansrelät RADHA visas i tig. 9.Strömtransformatorema på nollpunktssidan och pånätsidan bör ha samma vaNtaisomsättning ochlikartad magnetiseringskarakteristik Därmed är un-der normala driftförhållanden och vid yttre fel medomättade strömtransformatorer spänningen Ureöver relät mycket liten. I sämsta fall kan den enasidans transformator bli helt mättad medan denandra sidans strömtransformator är omättad. Maxi-mal spänning över relät blir då:

UrTlS< = Is", (Rc + AJ, där:

sekundära subtransienta ström mervid kortslutning

1 "-s -

Rc1 resistansen i sekundärlindningen rströmtransformatom

RL= resistansen i hjälptrådama mellanströmtransformatorema och relät(sammankopplingspunkten). Räknamed längsta avståndet från enderaströmtransformatorsat senAg. 8 Funktionsvärden för RAGRA

Relät ställs in med funktionsvärde över eller lika medUmax. Strömtransformatorema bör då ha en mätt-ningsspänning som ligger minst dubbelt över relätsfunktionsvärde. Skyddet skall anslutas till separataströmtransformatorkärnor (egen kärna).

Kortslutningsskydd

Vid kortslutningar mellan fasema eller mellan fas-uttagen måste generatom snabbt kopplas bort frånnätet och tas ur drift för att minimera skadoma. Kort-slutningar på generatorskenan i upptransformatomeller på uppsidan av lokaltransformatom måsteockså medföra snabb bortkoppling av generatomfrån nätet. Generatom måste tas ur drift om det ejfinns någon brytare mellan maskin och upptransfor-

En sats spänningsberoende motstånd kopplas inöver relät tör att skydda mot tÖr höga spänn ingar.

.:!-)-

Även om statistiken visar att dylika kortslutningarär mycket sällsynta anses ett snabbfungerandeskydd nödvändigt tör generatorer större än 5-10 MVA Med känd teknik kan detta endast åstad-kommas med ett differentialskydd. Ett reservskyddbör sättas in bestående av endera ett underimpe-dansrelä eller ett underspänningsskydd med över-ströms start.

~För små maskiner används inget differentialskydd,varvid impedansrelät eller underspänningsskyddetblir huvudskydd. Normalt överströmsskydd kan an-vändas om kortslutningsstrÖmmen är tillräckligt stortör att säkerställa funktion, se kortslutningsskydd(reservskydd) sid 10.

Normaldrift

Generat ord jfr erential skydd

För modema generatorer är tidskonstanten för kort-slutningsströmmen stor, typiskt större än 200 ms.Därför är risken för Is-mättning av strömtransforma-torerna stor vid en yttre kortslutning. Det är därförviktigt att differentialrelät är stabilt även om ström-transformatorerna är helt mättade.

För små och medelstora generatorer använderASEA typ RADHA ett differentialrelä av högimpe-danstyp. För generatorer större än 250-300 MVAanvänds ett procentstabilierat differentiaIretä typRADSG.

Umax

r Externt felmed helt mättadeströmtransformatorer

---

Både RADHA och RADSG är mycket snabba mensamtidigt känsliga skydd som båda är helt stabilavid yttre fel även om strömtransformatorema är heltmättade. ~ Hägimpedansprincipen- (diff,skydd)

AG03-4005Sida 9

ABB Relays

1) till mätkretsar för fas S och

Principschema för differentialskyddRADSG

19.

Differentialskydd typ RADSG är ett procentstabilise-rat relä. Mätprincipen framgår av Ag. 10. Differential-relä dR och startrelä ~ fungerar på mindre än1 ms vid intemfel med stor felström. Funktionspul-sen fångas upp av utgångsrelät (1) även om den ärendast 0,3 ms från dR och ~. Utgångsrelät funge-rar på 3,5 ms och tar sedan självhållning. Med denkorta funktionstiden < 1 ms fungerar RADSG innanströmtransformatorema går i mättning. Minsta funk-tionsvärde kan erhållas så lågt som ca 3 % av gene-ratoms märkström.

Stabilisering mot hög magnetiseringsström erford-ras för att relät skall vara stabilt vid närbelägna felmed en stor felsträm.

Under felet sjunker klämspänningen på transfonna-tom till nära noll och när felet kopplas bort dvs lin-jens brytare öppnas, ökar klämspänningen snabbtpå transformatom. Detta kan medföra en myckethög magnetiseringsström i transformatom, vilket re-lät således skall vara stabilt för.

För en blocktransformator med egen generatorbry-tare (på lågspänningssidan) kan stabilisering mothög magnetiseringsström vara nödvändig om trans-formatom magnetiseras från högspänningssidanS.k inkopplingsströmstöt.

Om någon strömtransformator mättas vid ett yttrefel kommer en viss ström att flyta genom differential-relät. Differentialrelät förblir dock stabilt så länge för-hållandet IrJlr3 är mindre än den inställda stabilitets-gränsen, normalt 20 %, därav ett procentstabiliseratskydd. Stabiliseringen bestäms av förhållandet met-Ian resistansen i differential kretsen och resistansen ikretsen med den mättade strömtransformatorn. Be-tingelsema för full stabilitet vid extema fel kan därförenkelt beräknas.

Stabilisering mot övermagnetisering är viktig för ge-nerator-transformator-differentialskydd. Utan dennastabilisering finns det en uppenbar risk att differen-tialrelät skall lösa ut generatorn p g a överspänningom en väsentlig del av lasten plötsligt försvinner.Spänningen stiger då mycket snabbt och sjunkerförst när spänningsregulatorn reglerat ner den igen.

För transformatorer med orienterad plåt är relät sta.bilt upp till 140 % av märkspänning.

Differentiaiskvdd för Qenerator och transformator

(bloc\<skvdd)

T ransformatordifferentiaiskyddet RADSB användssom s k blockskydd (Gen.-transf.). Det är ett statisktskydd med trefaldig stabilisering.

Förutom den normala stabiliserade funktionen harRADSB också en ostabiliserad funktion. Dennafunktion måste då ha en inställning högre än maxi-mal magnetiseringsström (inkopplingsstrÖm) efter-som den ej har någon stabilisering. Denna ostabili-serade funktion ger snabb utlösning (10-20 ms)vid fel med hög kortslutningsström, t.ex. vid överslagpå transformatorns högspänningsuttag om trans-formatorn är ansluten till ett starkt nRt.

1 .Stabilisering för yttre fel2. Stabilisering mot hög magnetiseringssträm3. Stabilisering mot övermagnetisering vid höga

spänningar

Generatorskydd AG03-4005Sida 10

ASS Relays

KortslutninQ -Reservskydd lägre spänningar sänks funktionsströmmen mot-svarande. Vid nollspänning erhålls funktion vid erström som är mindre än 20 % av märkströmmen.Som reservskydd för kortslutningar kan ett normalt

trefas överströmsskydd med konstanttidsfördröj-ning eller inverttidsfördröjning användas förutsatt attfelströmmen blir tillräcklig. Detta är normalt falletmed generatorer vars magnetisering ej tas från denegna skenan och med spänningsregulatom i drift.

Om generatom har en statisk matare som får sinspänning från generatoruttagen beror nivån på kort-slutningsströmmen på spänningen på generator-klämmoma. Vid ett närliggande fel kan generator-spänningen sjunka så att kortslutningsströmmenockså sjunker under överströmsskyddets inställninginom några få sekunder som framgår av tig. 11.

Impedans skyddet RA.KZA kan förses med två tids-steg. Första steget löser generatorbrytaren. Om fe-let inte försvinner när generatorbrytaren öppnas tasgeneratorn ur drift via steg 2 (kort tilläggstid) efter-som det då är fråga om ett s k inre fel.

RAKZA har en cirkulär funktionskarakteristik ochkonstanttidsfördröjning som framgår av Ag. 12.Skyddet ställs normalt på 70 % av generatoms 00-lastningsimpedans tZb) motsvarande en ström av1/0,7 -1 ,4 ggr märkström vid märkspänning. Den-na inställning ger ett bra reservskydd för blocktrans-formatorn och även högspänningssidans samlings-skena. (Skyddet ser igenom transformatorn till hög-spänningssidan). Selektivitet till övriga skydd i nätetåstadkoms med tidsfördröjning. För fel på högspän-ningsskenan hos en DN -kopplad blocktransforma-tor påverkas impedansen som relät ser av relätsinkoppling, feltyp samt generatorns kortslutnings-impedans och systemets käJlimpedans. Därför an-vänder ASEA ett impedansrelä utan s k offset mho-karakteristik

x

;+-/

-t-,

+-t-"--f-/

Funktionskarakteristik1 2 3

Fig. 1111dskurvor för kortslutningsströmmar för engenerator med magnetiseringssystemet matat di-rekt från generatorskenan

:urbo-generator

med:

~ ._-3

Inkoppling av relä

Fig. 12 Impedansskydd RAI<ZA

För större generatorer inkluderas ibland ett extra im-pedansrelä med mycket kort tidsfördröjning för attemålla ett snabbt reseNSkydd för fel på generatomsuttag (klämmor), genE!ratorskenan och nedsidan påblocktransformatom. Aven detta relä har cirkulär ka-rakteristisk och funktionsvärdet sätts på 50-6() %av blocktransformatoms korslutningsimpedans. Dåbör också observeras att detta relä med denna lågainställning skyddar enbart den del av statorlind-ningen som är nära uttagen. Relät ansluts till fas-ström och huvudspänning (å-koppling). Relä för5 A märkström har ett inställningsområde på0,95-35.6 ohm.

Kortslutningsströmmen kan sjunka under märk-ström inom 0,5-1 s även om generatoms magneti-seringssystem ej matas från generatoruttagen omfelet inträffar när spänningsregulatom är ur drift. Där-för är ett underimpedansskydd rekommenderatsom reservskydd för differentialskyddet.

Impedansrelät ansluts till strämtransformatom på;jeneratoms nollpunktssida för att vara ett reserv-skydd

även om generatom är bortkopplad från nä-.at. Vid märksträm fungerar impedansrelät som ettöverströmsskydd

med konstanttidfördröinino. Vidtl

Generatorskydd AG03-4005Sida 11

ABB Relays

Varvkortslutningsskydd

I modema medelstora och stora turbogeneratorerhar statorlindningen ett VaN per fas och spår. Fördessa maskiner kan varvkortslutning endast inträffavid dubbla jordfel eller p g a svåra mekaniska skadori lindningen i statorändama. Detta senare ansesdock ganska osannolikt.

Aven vattenkraftgeneratorer över en viss storlek harett varv per fas och spår på statorlindningen. IASEA-generatorer används statorlindningar medflera varv per fas och spår för maskiner upp till50 MVA. Det anses svårt att erhålla pålitligt skyddmot kortslutning av ett varv om maskinen har ettstort antal varv per fas.

För generatorer med delad nollpunkt (dubbelrota-tionsaggregat) består varvkortslutningsskyddet avett fördrÖjt överströmsrelä med låg inställning kopp-lat mellan de båda nollpunkterna på statorlindning-en enligt tig. 13. Strömmen vid varvkortslutning kanbli mycket stor varför tidsfördröjningen bör vara kort0,2-0,4 s. Ströminställningen måste vara högre änden obalanserade ström som kan flyta genom noll-punkten vid yttre fel. Lämpliga värden på inställningkan endast ges av generatortillverkaren.

'arvkortslutningsskydd

(stator)

Termiskt överlastskydd

Ölerströrnmar upp till 1 ,4xm~tröm detekterasnormalt ej av överströmsskydd eller impedans-skydd. Bestående överlaster inom dessa områdenövervakas vanligen av temperaturkännare (resis-tansgivare) inlagda på olika ställen i statorlindningen.Temperaturmätsystemet RANVB medger mätningav upp till 22 punkter, se Temperaturmätutrustning.RA.NVB på sidan 20.

Svårigheten att ernå ett säkert och pålitligt skyddmot varvkortslutningar medför ofta att skyddet ej tasmed. Man anser att en varvkortslutning oftast ledertill ett jordfel varvid jordfelsskyddet löser ut inom0.3-0,4 s. Som en extra kontroll av statorlindningens tempera-

tur kan ett noggrant termiskt överlastrelä installeras.ÖVerströmsrelä RXlG 22 används i vaNkortslut-ningsskyddet vid delad nollpunkt, se fig. 13. Reläthar ett inbyggt filter vilket höjer funktionsvärdet förövertoner. För tredjetonen är funktionsvärdet unge-fär 5 ggr inställt funktionsvärde. Olika reläskalor från10-30 mA upp till 0.5-1,5 A kan väljas.

Normalt används tör generatorer ett elektro-mekaniskt över1astrelä typ RVAB. Minsta tidskon-stant som då kan erhållas är 8 minuter. Behöverman en mindre tidskonstant 'tb kan eventuellt ettstatiskt relä tillgripas. För större turbomaskiner kanett speciellt relä behöva tillgripas.

I skyddet finns ett relä för blockering av återstart.Detta används ej vid generatorer där man efter sig-nal om överlast försöker dra ner lasten.

~

1J.s-~

IiI I I I

101 R1XP 18107RVAB325 RXME 1

1) Utlösning mm2) Blockering av brytartillslag3) Signal mm

Ag.3tandardschema

för

verlastskvdd

RVAB

ABB Relays Generatorskydd AG03-4005Sida 12

Minusföljdsströmskydd Exempel på osymmetrier i nätet som kan ge minus-töljdsströmmar i generatom är:

När generatom är ansluten till en balanserad last ärfasströmmama lika och förskjutna 1200. Ampere-vaNsflödet producerat av strömmen i statorlind-ningen roterar synkront med rotom och inga virvel-strömmar injiceras i rotom. Obalanserade last-strömmar ger upphov till en minusströmskompo-nent i statorströmmen. Detta alstrar ett extra flödesom roterar åt motsatt håll och rör sig således meddubbelt varvtal i förhållande till rotom. Virvelström-mar med dubbel märkfrekvens inducerade i rotomkan orsaka en farlig uppvärmning av rotom. Upp-värmningen sker i första hand i rotorytan på cylind-riska rotorer (turbomaskiner) och i dämplindningenpå maskiner med utpräglade poler (vattenkraftge-neratorer).

Den ungefärliga uppvärmningen i rotom för en synk-ronmaskin vid olika obalansströmmar, bestäms avprodukten I~ t = Ko där

Blockschemat i Ag. 15 visar funktionen för skyddtyp RARIB och inställningsmöjligheten framgårnedan.

12 = minusföljdsströmmen i förhållande till genera-toms märkström (märkström = 1)

t = varaktighet i sekunderK = konstant beroende på maskinens upp värm-

ningskarakteristik. dvs typ av maskin och kyj-förhållanden

Kapaciteten hos maskinen att klara kontinuerligaobalansströmmar uttrycks som minusföljdsström iprocent av maskinens märkström

Typiska värden för olika generatorer framgår av ta-bell 1.

Effektförbrukning för ingångsfittret (2) är endast 0,1VNfas. Strömmen till mätkretsen anpassas till ge-neratorns märkström med hjälp aven potentiometer(3) via en ingångstransformator i ingångsfiltret

Mätenheten (7) har en inställning av K (I~ t) på 1-63 s i steg orn 1 s. Mätenheten har också ett ter-miskt minne och avsvalningstiden in ställbar i steg iområdet (2,65-170) x K. Blockeringsrelät som gårtill vid funktion på skyddet återgår först när värmein-nehållet i minnet sjunkit till 50 % av funktionsnivån.Relät kan användas för att blockera en återstart avgeneratorn. Det termiska minnet säkerställer ett gottskydd vid upprepade obalansströmmar som slutli-gen leder till farlig uppvärmning av rotom, om maski-nen ej bortkopplas från nätet.

Tabell 1

MaxtillåtenK=12t(s)

Maxtillåtenkont. 12

(%)

Typ av generator

Cylindrisk rotor(turbogenerator) medindirekt kylning(luft)direkt kylning

30 10

5-10') 5-8')

Utpräglade poler(vattenkraft)med dämplindningutan dämplindning

4040

105

') Det lägre värdet är typiskt tör större maskiner(P >800 MVA)

Enfasfelochi synnerhet tvåfasfel ger stora minus-följdsströmmar. Dessa fel löses dock ut av andraskydd på mycket kortare tid än funktionstiden påminusföljdsströmskyddet Ett tvåfasfel med felströmlika med 3,46 {2 VS} ggr generatoms mäl1<strömger en minusföljdsström (I-} i statom på 2 ggrmäl1<ström. Ett I-skydd som har inställningsvärdetK = I~ t = 10 s kommer att lösa ett dylikt fel på10/22 = 2,5 s.

.Obalanserade

enfaslaster såsom järnvägar och in-duktionsugnar.Osymmetrier

i överföringen beroende på seriekon-densatorer, ej transponerade linjer eller en öppenbrytarpol (brytarfel)

Avbrott i en ledare ger upphov till en avsevärd mi-nusföljdsström. som max över 50 % av generatornsmärkström. En kombination av två eller flera avovanstående osymmetrier kan ge en besvärlig mi-nusföljdsström även om vart och ett ej ger så storobalans. Det är därför brukligt att förse alla genera-torer utom de minsta med ett minusföljdsström-skydd.

För små generatorer finns ett minusföljdsströms-kydd med konstanttidkarakteristik typ RARID.

Generatorskydd AGO3-4005Sida 13

ABB

Relays

Fig. 15 Minusföljdsströmsskydd MAlS

Undermagnetiseringsskydd

Försvinnande magnetisering kan förorsakas av:

.oförmodad öppning av fältbrytaren.öppen krets eller kortslutning av fältkretsen.fel i spänningsregulatorn med följd att fältströmmen

reduceras till noll

När en generator med tillräcklig aktiv effekt förlorarfältsträmmen faller den ur fas och börjar gå asyn-kront med högre hastighet än systemets frekvensoch tar reaktiv effekt för sin magnetisering från nätet.

puHW

1'//'/Xe=OZ

Den maximala aktiva effekt som kan genereras utanatt maskinen faller ur fas när generatorn förlorar sittfält beror på skillnaden mellan reaktanserna i längs-led och tvärled. För generatorer med utpräglade po-ler är skillnaden normalt tillräckligt stor för att hållamaskinen gående synkront även med en aktiv lastsom överstiger 15-25 % av märklasten.

_t-

x,.-D

För turbomaskiner är längsreaktansen och tvärreak-rensen praktiskt taget lika och maskinen faller ur fasäven med en mycket liten aktiv last. AB = Gräns för fäJtstroo

8C = Gräns för statorsträmCD = Gräns fÖr uppvärmning av statorändpartier bero-

ende på läckfä~ från rotorns lindningGC = Typisk reläinställning (gräns)Ef = Statisk stabilitetsgräns utan spännings regulatorx. = Extern impedans mot oändligt nät (nätets kälIimpe-

dans)

Statorändama och delar av rotorn kommer att över-hettas orn generatorn tillåts gå under en längre tidmed stor minusföljdsström. Den maximalt tillåtna"hot spot" temperaturen uppnås för de flesta turbo-generatorer om maskinen får gå kontinuerligt utanfält med en aktiv last på 20-35 % av märklast.

Fig. 16 Typisk kapacitetskurva tör turbo generator(rund rotor)Generatorns märkspänning varierar periodiskt bero-

ende på de stora variationema i den reaktiva ström-men som maskinen tar från nätet. Perioderna medlåg spänning kan få generatoms hjälpmotorer attstanna. vilket leder till ett komplett stopp av helakraftstationen.

Reducerad magnetisering som kan leda till farliguppvärmning av statorändarnas järn kan erhållasunder normala förhållanden om det finns en ten-dens till en ökad magnetiseringsspänning (mins-kande reaktiv last). Då vill spänningsregulatom auto-matiskt minska fält strömmen.

Karakteristiken för en typisk turbogenerator visas iAg. 16. Kurvan A-B-C-D representerar kaPacitets-gränsen. utanför vilken generatom ej tillåts arbeta,Den visade effektvektom Sn representerar märklastvid effektfaktom 0,8.

Om systemspänningen skulle öka stadigt bör mag-netiseringsspänningen reduceras motsvarande ge-nom normal funktion av spänningsregulatom. Vek-tom Sn rör sig längs den vertikala linjen M. Kontinu-erligt arbete av maskinen under linjen DC orsakarsvåra lokala upp värmningar av statorändama bero-ende på ett läckflöde, vilket passerar statorkämanverti kalt mot lamineringen. I svåra fall kan dettamedföra blånader i jämet i statorändama eller för-störning av statorlindningens isolation.

ABB Relays AG03-4005Sida 14

Vattenkraftgeneratorer kan generellt klara mer nega-tiv VAr än turbogeneratorer.

-~

tetskurvan tör en undermagnetiserad generator. Förgeneratorer med negativ VAr-begränsare ställsRXPE-relät så att det fungerar som en reserv törunder magnetiseringsbegränsaren. Funktionsgrän-sen kan också sättas nära stabilitetskurvan tör engenerator när den går med konstant magnetisering(spänningsregulatom ur drift).

)en minsta magnetisering som erfordras för att bi-Jehålla synkronism kallas teoretisk stabilitetsgräns.=n

säkerhetsmarginal adderas för att erhålla en)raktisk stabilitetsgräns.

När en automatisk spänningsregulator med snabbreglering och inget dött band används är säkerhets-marginalen

nära den teoretiska. För medelstora ochstora generatorer har spänningsregulatom normalt3n kontrollfunktion vilken förhindrar den att sänkamagnetiseringsströmmen

under säkerhetsgränsen( undermagnetiseringsbegränsare) .

En potentialfri kontakt på RXPE används för att gesignal när generatom går utanför den termiska ka-pacitetskuNan eller utanför stabilitetsgränsen.

Undermagnetiserlngsskyddet RAGPC innehållerockså ett underspänningsrelä RXEG 2 och ett över-strömsrelä RXlG 2. Utlösning erhålls när RXPE-relätfungerar samtidigt som underspänningsrelät elleröverströmsrelät eller båda (se Fig. 17c). Underspän-ningsrelät sätts normalt på 90 % av generatornsmärkspänning och överströmsrelät sätts normaltpå 110-115 % av generatoms märkström.

=unktionen

för undermagnetiseringsskydd RAGPCör1<!aras med referens till Fig. 17.

Jämförelse mellan RXPE40 och offset-mho relät

En aJtemativ metod att detektera undermagnetise-ring är att använda ett impedansrelä med offset-mho karakteristik. Reläts karakteristik centreras pålängsreaktansen och är normalt förskjuten ca 50 %av transientreaktansen ~, se Ag. 18. Cirkeldiame-tern är normalt lika med den synkrona reaktansen~ för generatom.

Ett stort antal datorberäkningar med det s kMOST A-programmet för simulering av kraftsyste-mets transienter har visat att RXPE-relät i händelseav fäJtförlust fungerar innan generatorns klämspän-ning sjunker under 80 % av märkvärde. I Ag. 18visas i impedansplanet funktionskarakteristiken förett RXPE-relä ställt på 43 % av märksträm vid mät-spänning 100% och 80% av generatorns märk-spänning, jämfört med ett offset-mho relä.

ig.

1 7 a Kapacitetskurva vid märkspänning tör entypisk turbogenerator

Tid(s) .

\1.0

0.5

0.30.2

0.1

""

"'" Generatorns transienta reaktans ~' = 33 %. densynkrona ~ = 130 % och offset -mho relät harställts enligt ovan.

""

~~~~

Figuren visar att RXPE-relät fungerar med en störresäkerhetsmarginal än offset-mho relät i händelse avfältförtust.0.05 I ..

I. S 1 10 ström

Ggr inställd ström Inverttidkarakteristiken hos RXPE-relät och en till-läggstid på 0,5-1 s (med tidrelä RXKF) förhindrareffektivt obefogad funktion under ett transientför-lopp när en generator svänger tillbaka till normal driftefter att ett närliggande fel med lång bortkopplings-tid har brutits bort.

Jnktionskurva

för RXPE 40

:ig.

IX

II .Rlp.u)'\\;ff5el- milo relä

RXPE 40U.8C1'1.U.IOO"!.

UtlösningFörsvinnandemagnetisering

SignalUndermagnetisering

t

Jtlösningsprinciper

ngsskydd RAGPC

:Jr

undermagnetisE

Skyddet består av ett riktat strömrelä RXPE 40 me(en funktionskarakteristik som är i stort sett oberoende

av den polariserande spänningen. Dess funktionsgräns ställs nQ~alt nära den termiska kapaci Rg.18

:unktionskarakteristik

för RAGPC

Generatorskydd AG03-4005Sida 15

ABB Relays

Övermagnetiseringsskydd (för block-transformatorn)

--tion och en tidsfördröjd funktion (3.5 s) som gersignal. Utlösningsfunktionen har inverttidkarakteristikenligt ekvationen

+ --0.18 ~Magnetiseringsflödet i kärnan på en stor krafttrans-formator är direkt proportionell mot magnetiserings-spänningen och omvänt proportionell mot fre-kvensen.

=IIH.~l ~.~. (M-1 )"

m = den aktuella magnetiseringen (V 1Hz) divideradmed det inställda se Fig 19.

Förlustema beroende på virvelströmmar och hyste-res och därmed förhöjda temperaturer ökar i pro-portion till magnetiseringsnivån.

Faktorn K kan ställas in i steg om 1 i området 1 -63.Relät bör ställas in tör det objekt som är mest käns-ligt.

Kämplåten kan motstå relativt hög övermagnetise-ring utan att bli varm. men olaminerade metalldelarkan på kort tid uppnå hög temperatur.

Inverttidkarakteristiken ger optimalt skydd mot över-magnetisering. Reläts karakteristik kan justeras atthelt motsvara en maskins kapacitetskurva. Ettexempel visas i Fig. 20.De flesta intemationella nonner för krafttransfonna-

torer specificerar en gräns på max 5 % övennagne.tisering vid mäl1<last och max 10 % övermagnetise-ring vid tomgång.

Så länge som generator och blocktransformator ärinkopplad till nätet är risken för övermagnetiseringganska liten. Om generatom och blocktransforma-torn bortkopplas från nätet finns det en risk för över-magnetisering huvudsakligen under generatornsstartperiod och bortkoppling. Från rapporter i till-gänglig litteratur kan konstateras att övermagnetise-ring ofta förekommer i förhållande till antal övrigafelfall.

Magnetiseringsströmmen för en transformator inne-håller en stor del övertoner. Dessa medför överhett-ning av järnet.

Risken för övermagnetisering är tydligen störst närfrekvensen ligger under mäMrekvens. Därför kanöverspänningsreläer ej användas för att skyddablocktransformatom mot övermagnetisering. Denlämpligaste metoden för skydd mot övermagnetise-ring är att använda ett relä som mäter förhållandetmellan spänning och frekvens (V/Hz relä).

100 120 130 150Magnetisering 1%)

Rg.20

:xempel

på inställning av PA TUB

PÅ TUB innehåller ett mätelement som korrekt mäterförhållandet V/Hl inom frekvensområdet 2- 75 Hz.Nivådetektom har ett inställningsområde mellan 1,5och 3 V/Hz. Skyddet har både en momentan funk-

Ag. 19 Funktionskarakteristik tör över magnetise.ringsskydd RA TUB

ABS Relays Generatorskydd AG03-4005Sida 16

Överspänningsskydd ka maximalspänningsreläer RXEG 21, med skala00-240 V och ett tidrelä RXKF 1 med tidskala0.2-3 s. I skyddet med två RXEG-reläer användsett relä för momentan utlösning. Spänningsreläemainkopplas till huvudspänning för att förhindra felaktigfunktion p g a jordfel i statorkretsen.

Underfrekvensskydd

Under uppstart aven generator erhålls rätt kläm-spänning före synkronisering genom en korrekt reg-lering av spänningsregulatorn. Efter synkroniseringkommer klämspänningen på maskinen att bestäm-mas av dess egen regulator och också av syste-mets spänningsnivå och även av andra generato-rers regulatorer.

Normalt är maskinens märkeffekt liten i förhållandetill systemets effekt. Det är därför ej möjligt för enmaskin att orsaka någon nämnvärd höjning avklämspänni.~gen så länge maskinen är inkopplad tillsystemet. Okning av fältmagnetiseringen t ex p g aett fel i spännirigsregulatom, ökar det reaktiva effekt-uttaget, vilket leder till utlösning av maskinen genomimpedansrelät eller V/Hl-relät. I vissa fall tex förtopplastgeneratorer och synkronkompensatorer,vilka normalt arbetar vid sin kapacitetsgräns, instal-leras max-magnetiseringsbegränsare. Detta för-hindrar rotorns fältström och maskinens reaktiva ef-fektuttag att överskrida dimensionerade gränser förmaskinen.

Underfrekvensskyddet är ett skydd för olika appara-ter som, i händelse av stömingar. kan separerasfrån öVliga nätet och matas från en generator.

Arbete vid låg frekvens måste också begränsas föratt undvika skador på generator och turbin. Ettexempel på gränser för en turbins frekvens visas ifig.21.

I praktiken kan en förlängd drift av generatom vid lågfrekvens endast inträffa när en maskin och desslokala last är skild från nätet.

Behovet av underfrekvensskydd måste utvärderasmed kännedom om nätet och karakteristiken hosturbinregulatom.

Om generatorns brytare utlöses när maskinen gårmed full last och med nonnal effektfaktor begränsasökningen av klämspänningen normalt aven snab-breglerande spänningsregulator. Om emellertid re-gulatom är felaktig eller generatom är kopplad förhandreglering kommer höga överspänningar attuppstå. Denna spännings höjning kommer att Ökaytterligare om det samtidigt blir övervarv beroendepå en långsam turbinregulator. Hos en vattenkraft-generator kan en spännings höjning av 50-100%erhållas under ogynnsamma förhållanden. Modemablocktransformatorer med högre magnetiserings-egenskaper har en relativt skarp och väldefinieradmagnetiseringskurva med en knäpunktspänningmellan 1,2 och 1 ,25 ggr märkspänningen (UJ. Enlämplig inställning av överspänningsrelät är därförmellan 1,15 och 1,2 ggr Un och med en tidsfördröj-ning av 1-3 s.

Ag. 21 Frekvensgränser för en ångturbin

Underfrekvensskyddet tör generatorer som visas iAg. 22 innehåller ett statiskt frekvensrelä typRXFE 4 med skalan 44-SO Hz (53-6() Hz) ochett tidrelä typ RXKF 1 med tidskalan 0.2-2 s eller2-30 s. Funktionstiden fÖr RXFE-relät är 120-140 ms och återgångsvärdet är 100,2 %. Ett låg-passfilter gör relät okänsligt tör övertoner i mätspän-ningen.

=tt momentant högt ställt spänningsrelä kan inklu-jeras tör att snabbt lösa ut generatorn i händelse av

löga överspänningar vid bortfall av last och högtvarvtal på generatom.

)verspänningsskyddet innehåller ett eller två stati:

..,.,{:~:~;~" .-

---<f'l! u .-

I--ro-~

,o, ~;~

l

~

l

l.Q.-.;-",. @ ,,:h-

.I.I ~~ v~~

I119 I-~~---*.--~tl

-* ~!,I+-I

u

~-~'

~~228~ +00-

.., .'8 118 188.,. 'lA 18.I I I I~i!

jr-: : \:11 II I T I

" "'A'P KOIITA'pA BRYT..."

T-III

Al:

Jttagsschema

för underfrekvensskydd

GeneratorskydcI AGO3-4005Sida 17

ABB Relays

Bakeffektskydd När en generator går som motor kan den lilla aktivaeffekten för maskinen kombineras med en stor re-aktiv effekt som generatom matar ut mot nätet. Där-för skall vinkelfelet i spännings- och strömtransfor-matorerna som matar lågt inställda bakeffektreläerVAra liten.

Avsikten med bakeffektskyddet är huvudsakligenatt förhindra skador på primäraggregatet (turbin ellermotor).

Om drivmomentet blir mindre än totala förlustema igeneratom och primäraggregatet, bö~ar generatomatt arbeta som en synkron kompensator som tarden nödvändiga aktiva effekten från nätet.

För de största turbomaskinerna dar bakeffekten kanvara vasentligt mindre an 1 % anvands ofta ett bak-effektskydd med ett effekt -rela, som normalt löser utmaskinen nar den aktiva uteffekten ar mindre an1 % av markeffekten.Vid ångturbiner försämrar en reducering av ångflö-

det kyleffekten på turbinbladen och överhettningkan uppträda. Bakeffektskyddet som visas i Ag. 23 består av ett

statiskt riktat strömrelä RXPE 40 och ett statiskt tid-relä RXKF 1 med skala 2-30 s. Riktrelät mäter pro-dukten I x GOS lp där lp = vinkeln mellan den polari-serande spänningen och strömmen till relät. Detlägsta skalområde som används är 5-20 mA förgeneratorer med 1 A strömtransformatorer och30-120 mA för 5 A strämtransformatorer.

Vattenturbiner av typ Kaplan eller rörturbin kan oftaskadas då turbinskovlama "surfar" på vattnet ochorsakar ett tyck på lagren som därmed kan skadas.

Dieselmaskiner kan skadas p g a otillräckligninn

1Ö1j

Effektförbrukningen i strömkretsen är 0,00 mVA vidlägsta inställning motsvarande 3,2 VA vid märk-ström för 1 A-relät och 2,2 VA för SA-relät. Beroen-de på den lilla feMnkeln i mätkretsen, max :!: 0,40vid lägsta inställning och spänning lika med märk-spänning, samt den låga effektförbrukningen iströmkretsen kan relät ställas på ett funktionsvärdeav 0,5 % av generatoms märklast.

De totala förlusterna som procent av märkeffekt hosen generators drivorgan som arbetar vid märkvarvtalär approximativt.

Ångturbin 1-3 %Vattenturbin 3 %Gasturbin 5 %Dieselmotor 25 %

Dessa värden hänför sig till fallet då effektintaget tilldrivorganet är helt avstängt. Därför kan den aktuellaeffekten som en generator fordrar vara mycket lägreän ovanstående värden vid speciella tillfällen, t exnär förlusterna delvis täcks av primäraggregatet ochav effekt från nätet.

RXPE-relät inkopplas normalt till fasström och fas-spänning. För generatorer med V-kopplade spän-ningstransformatorer inkopplas ström och spänningenligt Fig. 24.

Bakeffektrelät kan också erhållas med ett separattidrelä för att erhålla en kort fördröjning när en hjälp-kontakt indikerat att inloppsventilen (snabbstopps-ventilen) hos en turbin är stängd.

Generatorns ström förblir balanserad när en gene-rator går som motor. Därför är ett enfasrelä fullt till-räckligt om reläts känslighet är hög. För störreturbogeneratorer kan ett extra relä kopplas till andrafaser för att erhålla redundans.

RXF

ned

tidkurva 1relät välj~

UTLÖSN.RELÄ l

-v-'UL

')ed ett

jssteg:SaK

-ASS Relays Generatorskydd AGO3-4005

Sida 18

./

~~} ~~UT U Us

=ig. 24 Bakeffektskydd anslutet till V-koppladespänn i ng s tran s f orm at orer

Lagersträmsskydd

En inducerad emk uppträder i generatoraxeln p.g.a.magnetiska ojämlikheter i rotorfäJtet. Denna emk in-nehåller normalt en stor del övertoner. Både våg-form och amplitud beror på typ och storlek på ge-neratom och de varierar också med lasten. Normaltär storleken på den inducerade emk:n inom områ-det 0,5-1 V för turbogeneratorer och 10-30 V förvattenkraft genera t or er.

Skydd mot obefogad magnetisering avengenerator

Trots olika blockerande system har ett antal genera-torer blMt obefogat inkopplade till nätet vid stille-stånd eller vid baxning. I några fall har svåra skadoråsamkats maskiner och generatorer har till och medej gått att reparera.

Trefas magnetisering aven generators statorlind-ning vid stillestånd eller s.k baxning medför att denuppträder som en motor och accelererar likadantsom en induktionsmotor. Generatom representerasdå väsentligen av sin subtransienta reaktans i tör-hållande till nätet och kan därmed dra upp till fyraggr märi<Strömmen från nätet, beroende på nätetskäll impedans. Generatoms klämspänning kan vari-era från 20- 70 % av märl<:spänning, återigen bero-ende på nätets käJlimpedans. Högre värden på ma-skinens ström och spänning (3-4 ggr märi<Strömoch 50 % till 70 % av märi<Spänning) kan förväntasom generatorn är ansluten till ett starkt nät. Lägreström och spänningsvärden (1-2 ggr märl<:strömrespektive 20-40 % av märi<Spänning) är repre-sentatM för svagare nät.

Om lagerbockama på varje sida av generatorn ärjordade kommer emkn att ligga över den tunnaoljefilmen i lagren. Ett genomslag i oljefilmens isola-tion i de båda lagren kan ge upphov till stora lager-strömmar p.g.a. den mycket låga resistansen i axelnoch den krets till jord som då erhålls.

Därför isoleras det främre lagret till jord och isolatio-nen övervakas genom ett lämpligt relä. För att för-hindra rotor och axel från att bli elektrostatiskt ladda-de jordas axeln på en turbogenerator vanligen viaen släpring på turbinsidan.

För vattenkraftgeneratorer ger vattnet i turbinen dennödvändiga jordningen. Ett undantag är Pelton-turbiner. Eftersom generatom uppträder som en asynkron-

motor vid trefas magnetisering uppträder ocksåhögre strömmar i rotorlindningen under acceleratio-nen. Normalt tål rotom den höga strömmen underett flertal sekunder utan att skadas. Av mer kritisknatur blir istället lagren, vilka kan skadas inom ensekund beroende på samtidigt lågt oljetryck. DärfÖrär det nödvändigt att få en snabb utlösning. Denormala reläskydden fÖr en generator säkerställer ejsnabb utlösning av generatom i händelse av obefo-gad magnetisering. Offset -mho relät som skydd fÖrförsvinnande magnetisering har en osäker funktionoch funktionstiden är också som minst flera hundramillisekunder. Impedansrelät som reservkortslut-ningsskydd och bakeffektskyddet fungerar normaltmed en fÖrdröjning på 1-2 resp 10-20 s.

Svåra skador på lagren förväntas ej inträffa omlagerströmmen är mindre än 1 A.

Principschema för lagerströmsskydd RARIC visas iAg. 25. LagerstrÖmstransformatom (1) omsluteraxeln vilken då motsvarar primärlindningen. Sekun-därlindningen (2) är kopplad till ett strömrelä RXlK 1med extremt låg effektförbrukning och ska/området0,5-2 mA. Tidrelät RXKF har skalan 2-30 s. Detminsta primära funktionsvärdet ökas med diame-tern på axeln från 0,25 A för en diameter på 0,2meter till 0,75 A för en diameter på 2,8 meter. Enextra sekundärlindning finns för att enkelt kunnaorova skyddet.

För stora och betydelsefulla maskiner bör därför ettskydd mot obefogad magnetisering av statorlind-ningen ingå i reläskyddssystemet.

ABB Relays Generatorskydd

, , ,1 1 l> > >o o o~ " ~

19.25

agerströmsskydd

RARIC

Det trefasiga, snabba, statiska relät RAGUA visas iFig. 26. De tre överströmsreläerna RXlB 2 initierarmomentan utlösning om generatorns klämspänningär under inställt värde på de två underspännings-reläerna RXEG 2.

Spänningsreläema kopplas in till huvudspänningen(annars kan de fungera vid jordfel). Tidrelät, pas143, förhindrar blockering av momentan-funktionenvid transienta förlopp, vilka kan uppträda på maski-nens klämmor när en brytare obefogat sluts. Tid-relät, pas 343, är aktiverat när generatom är i driftoch ligger således normalt till men har samtidigt entillslagstid längre än övriga kortslutningsskydd så attden ej ger oselektiv funktion vid när liggande fel. Detblir därför ett reservskydd för dessa.

Strömreläema RXJB 2 är mycket snabba, funktions-tid ca 4 ms. De går alltså till om man obefogat sluterbrytaren och spänningsreläema ligger omagnetise-rade vilket är fallet när generatom ej är i drift.

SignaJrelät. RXSF 1, pas 331. fungerar och flaggarom spänningen till ett av underspänningsreläemaRXEG försvinner.

:ig.

26 Förenklat schema för RAGUA ("död-maskin" -skydd)

Känsligt generatordifferentialskyddSpeciella reläskyddtör pumpkraftverk

För reversibla maskiner s.k motor-generatorer an-vänds s.k. synkronstart när maskinen startas uppför pumpning. Maskinen startas upp med hjälp aven generator eller en statisk omriktare. I båda fallenfår maskinen en låg spänning med en låg frekvensunder de 1 -2 minuter som det tar innan maskinenär uppe i märkvarvtal. Mättningsspänningen förströmtransformatom och därmed överströmstaJetminskar med lägre frekvens. Standard statiskareläer med ingångstransformator har en begränsadspänningsupptagning vid låga frekvenser.

Funktionskarakteristiken för ett trefas känsligt diffe-rentialrelä visas i Fig. 27. Relät kopplas in parallelltmed det normala differentialrelät RADHA ellerRADSG. Med det extremt låga funktionsvärdet ärrelät ej stabilt vid yttre fel och mättade strömtrans-formator. Skyddet blockeras därför när maskinenkommit upp till 80-90 % av märkvarvtalet (märkfre-kvensen). Vid dessa frekvenser fungerar de normaladifferentialskydden RADHA och RADSG.

)et är praxis hos ASEA att inkludera speciella)tato~ordfelsskydd och kortslutningsskydd för att:äcka in fel under uppstarten.

ABB Relays Generatorskydd AG03-4005Sida 20

Den mätande enheten i detta lågfrekvensskydd består av ström relä typ RXlK 1 med ett separat AG.filter på ingången.

-

Funktionskarakteristiken för ett trefas kortslutnings-skydd under uppstart med strömrelä RXlK 1 fram-går av Ag. 28. Olika frekvensströmkarakteristik kanväljas.

Känsligt statorjordfelsskyddU(V)

30

20

10

=tt enfas överspänningsrelä med funktionskarak-[eristik enligt Ag. 27 används som stato~ordfels-skydd

under uppstart. Tidrelät RXKF 1 har tidskalan),2-3 s.

Skyddet är parallellkopplaifelsskyddet.

ned

95 % stator jord.

LlAI.

FIQ. 28 Funktionskarakteristik tör kortslutnings-skydd vid uppstart (låga frekvenser)

L

19.

27 Funktionskarakteristik tör känsligt differen.tiaIrelä vid uppstart

Övervakningsutrustning

Varvtalsövervakning Temperaturövervakningssystem

Det statiska varvtalsövervakningssystemet RAGNAanvänds för generatorer med ett maximalt varvtal på3600 r/m. ÖVervakningsreläema kan matas från en-dera induktiva givare vilka påverkas av ett tandhjulmonterat på axeln eller från en tachometergeneratorvia en isoleringstransformator.

Ett flertal motståndselement används normalt för attövervaka temperaturen i statorlindning och lager.

Temperaturövervakningssystem RArwB finns i tvåvarianter för max 10 eller max 22 punkter. Normaltanvänds motståndselement Pt1 00 (Platina 100ohm). En eller två mätkretsar kan kopplas till sam-ma motståndselement. Standard mätområde är0-1500C.

Standardvarianten har fyra mätkretsar vilka kan justeras att fungera vid fyra olika varvtal inom ett område från 0,5 till 200 % av märkvarvtalet.

Funktionsimpulsen för hög eller låg temperatur er-hålls via ett hjälprelä som är inbyggt i varje vakt.Funktion indikeras med en röd lysdiod (LED).

Ett instnJment kan anslutas för att registrera act'indikera varvtalet (pas 6 i Ag. 29)

Avbrott i en givarkrets indikeras aven gul lysdiodvarvid också funktionen för den mätpunkten bloc-keras cx::h en signal emålls via ett inbyggt relä, ge-mensam för hela systemet.

~00

.Axel med tandhjulInduktiv g~reT achometergeneratorlsoier1ransformatorRXTTA1OmvandiarenhetRONA 040nstrument (mA-

meter)Mätenhet RONA 04 1med en lågvarvsvaktoch en normaJvaktMätenhet RONA 042med två vakter(normalvakter)

~

}s~~-~

~

Rc 29 Principschema tör vaNtalsövervakningsutrustning RAGNA

-ABB Relays Generatorskydd AGO3~4005

SK:Ja21

R( Principschema tör temperaturöveNakningsutrustning RA.NVB

-Reläskyddssystem

Antal och typ av reläer som bör ingå i reläskyddenför en generator beror på storlek på generatorn ochdess betydelse i nätet och också på systemupp-byggnaden. Därför bör tabell 2 och 3 endast ansessom en allmän rekommendation.

I Ag. 32 och 33 är reläskydden uppdelade i tvåseparata grupper, sub 1 och sub 2. Va~e grupp börhelst matas av separata batterier eller vara matadevia separata säkringar om endast ett batteri finns.Normalt placeras de två grupperna reläer (subama) iskilda reläskåp.

FIQ. 31-33 visar exempel på anslutning av genera-torskydden till ström- och spänningstransforma-torer.

T abel/ 2: Reläskydd tör en vattenkraftgenerator

Typ och storlek

Luftkytd

I

Vattenkyld

statorRelä

<5 MVA12::20 MVAI~ WA joo-6i::x) MVA 1ir0--600 MVA

~-

~~- 1)(3

X"' IX"'

~

i~~statQ!jordfel "1 00% statoriordfel ,

Rotoriordfel

i~~~~,,~~kydd'Block ditt.skydd

Underimpecjansskvdd

lermiskt överlagtskydd -statorn

I ~ ~~~~'~~~,.j- rotornMinusfoidsströmsskvddUndermaqne tiserinQsskvdd

I åvem1aQnetiserinQsskvdd

1000rsoänninqsskvddLaqerströmSSkvdd

UnderfrekvensskvddBakettektskvdd

I LJöd-maskin skydd

I VaNtalsövervakninqssvstem

I emooraturÖVeNaknirIQssvstem

I Ljusbåqsövervakninqsskvdd .-,. :"I .

1) För generatorer < 250 MVA momentant + tidstärdrÖjt2) I applikationer med risk tör osymmetrisk last3) För generatorer> 1 O MV A4) Beror på nätet och turbinregulatoms karakteristik. se underfrekvenssk')ldd sid 1651 För generatorer med Kaplan turbiner eller rörturbiner61 För generatorer med släpringar i tältkretsen

Tabell 3: Reläskydd tör turbogeneratorer

Typ och storlekLuftkyld Vätgas-

!kyIdIVätgas eller"'

vattenkyldRelä

<5 MVAIxI

1~20MVA f2O-aoMVAI-80-150~A 11~MVAIx Ix ~x Ix

Underimpedansskyddi"ermiskl över1astsi<vdd -statorn

II ermiskl över1astskvdd -rotorn

I Minusföljdsströms~d

Undermaqnetiseri~kydd

OvermaQnetiserinQSSkvdd

OversDänninQSSkydd ;Laqerströmsskydd !

Underfrekvensskydd

d

)Iv,"

I

I' ,

Död-maskin skyddVarvtalsövervakninQssvst em

lemoeraturÖYerVakninQSSVSt em

IUusbåQ5ÖvervakninQSSkvdd" "~ IX"' , ~ ,

I) Kortslutningsskydd för generatorer med roterande matare eller äldre Is-matare dvs maskiner med tält och

spänningår sOm ej, matas från generatorns klämmor21 För generatorer'<260 MVA momentant + tidsfördröjning~ I applikationer med stor risk tör osymmetrisk last4} Beror på nätet och turbin-regulatoms karakteristik, se underfrekvensskydd sid 1651 För generatorer med släp ringar i tältkretsen

$Vattenkyid stator-vätgaskyid rotor

ABB Relays

Id'!

iSTATOR JOROFELSSKYDD 95%

r-~

I ÖVERSPÄNNINGSSKYDD ~.

)

f ' (I

I (I )

L- \-I

Ag. 31 Reläskydd tör en medelstor generator

11 21 11 Till TRANSFORMATOR-!JIFFERENTIAlSKYOD

21 Till DIFFERENTIALSKYDDET FÖRGENERATOR-TRANSFORMATORENHETEN

31 INSTRUMENT

Sub2

rSub 1,'-

I

-$-'

ÖVfRSPÄ~INGSSKYDn

-srAT~ mFELS-SKYDD 95% ~==:$?> =:

-,I

DVERMAGNETISERINGSSKYDD

MINUSfÖlJOSTR~KYOO

i).)

BAKEFfEKTSKYIJO

f--<

31

I:

t )

ROlOOllNDNl1Ij LÖVERLAST S ~F~IJ'ELSSKYDO r

STAfiiiijiiiiN I N GÖVERLAST LAGERSTRÖHSSKYOO

It1NUSfÖlJDSTRÖt1SKYOO ~t )

IIJ~IMPEDAN5SKYDDI-'-<l

-J~

a )

Fig. 32 Reläskydd tör en stor turbogenerator

1) 2) 11 TILL OIFFERENTIALSKYOOET FÖRGENERATOR-TRANSFORMATOR ENHETENSub 2 Sub1

-ro- 2) TILL TRANSFORMATOROIFFERENTIALSKYOO

STATOR JORDFELS-SKYDD 9S%

t=~~?J

I ÖVERSPÄNNINGSSKYDD H I ÖVERMAGNETISERINGS

SKYDD )

!

I (

ROTORLlNONINGÖVERLAST

~

"')=.!ROTOR J()I(),ELS~~

)

I LAGERSTROI1SSKYDD r-ST A TORlINONINGÖVERLAST

)

I)

/"INUSfÖLJOSTR(»1SKYOO L--

")

Ag. 33 Retäskydd för en stor vattenkraftgenerator

ABB Relays ~ VästraAros