Zabezpieczenie przed wypadaniem z synchronizmu (ANSI 78) — praca asynchroniczna generatora

Przewodnik o zabezpieczeniu od zaniku wzbudzenia generatora (40) opisuje, co się dzieje, gdy generator traci wzbudzenie. Ten artykuł opisuje pokrewny, ale fundamentalnie inny mechanizm awarii: generator, który nadal ma wzbudzenie, ale traci synchronizm z siecią z powodu ciężkiego, długotrwałego zwarcia lub zbyt wolnego powrotu napięcia — nazywane wypadaniem z synchronizmu (asynchronous operation, pole slip), oznaczane kodem ANSI 78.

Czym jest wypadanie z synchronizmu?

Aby dostarczać moc do sieci, generator synchroniczny musi obracać się z taką samą elektryczną prędkością kątową jak sieć, do której jest podłączony — kąt wirnika względem sieci (kąt mocy δ) pozostaje wtedy w stabilnym zakresie. Przy ciężkim, długotrwałym zwarciu w pobliżu generatora, lub przy niewystarczającym tłumieniu / zbyt wolnym powrocie do równowagi po zakłóceniu, kąt mocy może wzrosnąć na tyle, że generator traci synchronizm: wirnik "wyślizguje się" o pełny obrót biegunowy względem pola sieci, zamiast powrócić do nowej równowagi. Powoduje to duże udarowe obciążenie mechaniczne wału i sprzęgła, duże skoki prądu i napięcia, a jeśli pozostanie niewykryte — może wpłynąć na stabilność większej części sieci, ponieważ generator wielokrotnie wypada z fazy.

Różnica względem stabilnego kołysania mocy

Nie każde zakłócenie kąta mocy jest wypadaniem z synchronizmu: po zakłóceniu kąt wirnika może chwilowo odchylić się, a następnie, z tłumieniem, powrócić do nowej stabilnej równowagi — nazywa się to stabilnym kołysaniem mocy (power swing). Istotne jest, aby przekaźnik zabezpieczeniowy odróżniał to od rzeczywistego wypadania z synchronizmu:

• Przy stabilnym kołysaniu kąt mocy wraca do normalnego zakresu po jednym lub kilku oscylacjach — wyłączenie nie jest potrzebne, a niepożądane wyłączenie w tym przypadku samo w sobie podważyłoby stabilność zamiast jej chronić.
• Przy niestabilnym wypadaniu z synchronizmu kąt mocy przechodzi pełny cykl 360° (lub jego wielokrotność) — generator musi zostać szybko i w kontrolowany sposób odłączony, najlepiej możliwie blisko momentu przejścia impedancji przez elektryczny środek systemu, aby ograniczyć wstrząs mechaniczny i zapad napięcia dla innych użytkowników sieci.

Rozpoznawanie poprzez diagram impedancji R-X

Przekaźnik z kodem ANSI 78 wykrywa wypadanie z synchronizmu nie na podstawie samego prądu czy napięcia, lecz na podstawie trajektorii mierzonej impedancji na diagramie R-X w miarę jak generator wypada z fazy względem sieci:

• Podczas normalnej pracy mierzona impedancja pozostaje w ograniczonym obszarze wokół impedancji roboczej.
• Podczas wypadania z synchronizmu mierzona impedancja porusza się po charakterystycznej trajektorii, przecinając diagram od jednego kwadrantu do drugiego, w miarę jak kąt mocy δ rośnie od 0° do 360°.

Przekaźnik wykorzystuje dwie lub więcej skonfigurowanych charakterystyk (często soczewkową strefę oraz jedną lub dwie proste linie "żaluzji" przez nią), aby ustalić: jeśli impedancja przekracza obie żaluzje w określonym czasie (co wskazuje na szybką, niestabilną trajektorię), rozpoznaje się to jako wypadanie z synchronizmu i następuje wyłączenie; jeśli impedancja pozostaje wewnątrz soczewki, nie przekraczając obu żaluzji, uznaje się to za stabilne kołysanie i przekaźnik nie interweniuje.

Uwaga: obok ANSI 78 (przekaźnik, który rzeczywiście wyłącza przy wypadaniu z synchronizmu) w praktyce stosuje się także ANSI 68 (blokadę przy kołysaniu mocy) — funkcję, która odwrotnie blokuje inne, szybsze zabezpieczenia (na przykład zabezpieczenie odległościowe 21) podczas stabilnego kołysania mocy, aby te szybciej reagujące przekaźniki nie interpretowały kołysania jako zwarcia i nie wyłączały się niepotrzebnie.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie zabezpieczeń większego generatora synchronicznego (przemysłowa kogeneracja, generator awaryjny pracujący równolegle z siecią, lub jednostka wytwórcza rozproszona) ważne jest sprawdzenie, czy zabezpieczenie przed wypadaniem z synchronizmu (78) jest obecne i prawidłowo skonfigurowane obok zwykłych funkcji, takich jak zabezpieczenie od zaniku wzbudzenia (40) i zabezpieczenie składowej przeciwnej (46) — generator, który raz wypadnie z synchronizmu bez terminowego, kontrolowanego odłączenia, ponosi realne ryzyko mechanicznego uszkodzenia wału, nawet jeśli wielkości elektryczne same w sobie nie aktywują od razu klasycznego zabezpieczenia nadprądowego lub ziemnozwarciowego.

Częste błędy

1. Mylenie zabezpieczenia przed wypadaniem z synchronizmu (78) z blokadą przy kołysaniu mocy (68) — pierwsze rzeczywiście wyłącza przy stanie niestabilnym, drugie odwrotnie zapobiega niepotrzebnemu wyłączeniu innych przekaźników przy stanie stabilnym.
2. Brak rozróżnienia między stabilnym kołysaniem a rzeczywistym wypadaniem z synchronizmu przy konfigurowaniu charakterystyk żaluzji/soczewki, co prowadzi do niepotrzebnych wyłączeń podczas normalnych, tłumionych zakłóceń sieci.
3. Wyłączanie w dowolnym momencie podczas wypadania z synchronizmu zamiast możliwie blisko momentu przejścia przez elektryczny środek — to niepotrzebnie zwiększa wstrząs mechaniczny i zaburzenie napięcia dla innych użytkowników sieci.
4. Uznawanie zabezpieczenia przed wypadaniem z synchronizmu za zbędne dla mniejszego generatora rozproszonego, podczas gdy także mniejsza maszyna może ponieść znaczne uszkodzenie wału przy niewykrytym wypadaniu z synchronizmu, nawet jeśli wpływ na całą sieć jest mniejszy niż w przypadku dużej jednostki centralnej.

Powiązane

• Zabezpieczenie od zaniku wzbudzenia generatora (40)
• Zabezpieczenie składowej przeciwnej (46) — niesymetria fazowa silnika/generatora
• Kontrola synchronizacji (25) — przekaźnik synchronizacji przy łączeniu równoległym
• Zabezpieczenie mocy zwrotnej (32) — generator, praca antysilnikowa