100% zabezpieczenie stojana generatora od zwarć doziemnych — schemat trzeciej harmonicznej i wstrzykiwania niskiej częstotliwości (ANSI 64S)

Przewodnik o zabezpieczeniu różnicowym stojana (87G) oraz przewodnik o zabezpieczeniu nadprądowym zależnym od napięcia (51V) oba wprost wskazują, że uszkodzenie bardzo blisko punktu neutralnego uzwojenia stojana wykracza poza ich czułość i wymaga osobnej, dedykowanej funkcji. Ten artykuł opisuje właśnie tę funkcję: 100% zabezpieczenie stojana od zwarć doziemnych (ANSI 64S).

Dlaczego konwencjonalne schematy mają martwą strefę przy punkcie neutralnym

Zarówno 87G, jak i większość schematów zabezpieczeń od zwarć doziemnych opartych na częstotliwości podstawowej, zależą od mierzalnego napięcia lub prądu wywołanego uszkodzeniem. W generatorze pracującym w systemie z uziemieniem wysokoomowym (powszechna praktyka dla generatorów synchronicznych, aby ograniczyć prąd zwarciowy przy pierwszym zwarciu doziemnym), napięcie na uzwojeniu liniowo maleje wraz ze zbliżaniem się miejsca uszkodzenia do punktu neutralnego. Uszkodzenie występujące dosłownie w samym punkcie neutralnym niemal nie powoduje zmiany napięcia i jest praktycznie niewidoczne dla schematu opartego na częstotliwości podstawowej. W praktyce konwencjonalne schematy pokrywają zazwyczaj ostatnie 90-95% uzwojenia licząc od zacisków, pozostawiając pozostałe 5-10% wokół punktu neutralnego bez ochrony — stąd nazwa „100% zabezpieczenie stojana od zwarć doziemnych" dla uzupełniającej funkcji, która pokrywa ten ostatni odcinek.

Schemat 1: napięcie trzeciej harmonicznej — pokrycie podczas pracy

Wirujący generator synchroniczny w naturalny sposób generuje niewielką składową napięcia trzeciej harmonicznej, wywołaną niesinusoidalnym rozkładem strumienia w szczelinie powietrznej. To napięcie trzeciej harmonicznej jest rozłożone na uzwojeniu z minimum przy zaciskach i maksimum przy punkcie neutralnym (lub odwrotnie, zależnie od konfiguracji uzwojenia) — profil dokładnie przeciwny do rozkładu napięcia przy zwarciu doziemnym na częstotliwości podstawowej. Dwa warianty wykorzystują tę właściwość:

• Schemat podnapięciowy trzeciej harmonicznej przy neutralnym: przekaźnik monitoruje napięcie trzeciej harmonicznej mierzone między punktem neutralnym a ziemią. Uszkodzenie blisko punktu neutralnego tłumi tę składową lokalnie, tworząc stan podnapięciowy odróżnialny od normalnej pracy.
• Schemat różnicowy/stosunkowy trzeciej harmonicznej: porównuje napięcie trzeciej harmonicznej mierzone przy neutralnym z mierzonym przy zaciskach (lub ich pochodną); stosunek między nimi zmienia się charakterystycznie przy uszkodzeniu blisko punktu neutralnego, niezależnie od obciążenia roboczego, które samo już powoduje pewne wahania bezwzględnego napięcia trzeciej harmonicznej.

Oba warianty zależą od wystarczająco dużego, stabilnego napięcia trzeciej harmonicznej, które jest obecne tylko wtedy, gdy generator pracuje z wystarczającą prędkością i wzbudzeniem.

Schemat 2: wstrzykiwanie niskiej częstotliwości — pokrycie w stanie postoju

Schemat trzeciej harmonicznej strukturalnie zawodzi, gdy generator stoi w miejscu lub nie osiągnął jeszcze prędkości znamionowej — na przykład podczas rozruchu, wychładzania lub konserwacji z wciąż podłączonym uzwojeniem — ponieważ w tym stanie napięcie trzeciej harmonicznej w ogóle nie jest generowane. Dla tych stanów pracy stosowany jest drugi, uzupełniający schemat: zewnętrzne źródło w sposób ciągły wstrzykuje sygnał o niskiej częstotliwości (zazwyczaj rzędu 15-20 Hz, wyraźnie poza częstotliwością sieci i jej harmonicznymi) przez transformator sprzęgający do obwodu uziemienia punktu neutralnego. Ten sygnał w sposób ciągły monitoruje rezystancję izolacji uzwojenia stojana względem ziemi, niezależnie od tego, czy maszyna wiruje: spadająca rezystancja izolacji lub rzeczywiste zwarcie doziemne zmienia mierzony prąd wstrzykiwania w charakterystyczny sposób, a przekaźnik wykrywa to niezależnie od jakiegokolwiek napięcia generatora.

Dlaczego oba schematy są potrzebne razem dla pełnego pokrycia

Żaden ze schematów samodzielnie nie pokrywa całego uzwojenia we wszystkich stanach pracy:

Kompletny pakiet 100% zabezpieczenia stojana od zwarć doziemnych zazwyczaj łączy więc obie funkcje, z logiką określającą, który schemat w danym momencie dostarcza ważny sygnał zabezpieczający — często powiązaną z progiem prędkości lub napięcia, który określa przejście. Maszyny, które często się zatrzymują i uruchamiają (na przykład zespoły elektrowni szczytowo-pompowych lub generatory rezerwowe przechodzące regularne cykle testowe), odnoszą najbardziej zauważalną korzyść z pokrycia wstrzykiwaniem niskiej częstotliwości, ponieważ spędzają większą część czasu pracy w stanie, w którym schemat trzeciej harmonicznej jest ślepy.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie pokrycia zabezpieczeń generatora synchronicznego należy ustalić, czy oprócz 87G (lub innego schematu różnicowego bądź doziemnego opartego na częstotliwości podstawowej) rzeczywiście obecna jest osobna funkcja 100% zabezpieczenia stojana od zwarć doziemnych, i czy pokrywa ona oba stany pracy — wirowanie i postój — zamiast instalować tylko schemat trzeciej harmonicznej i zakładać, że pokrycie jest już kompletne. Dla maszyn z częstymi cyklami rozruchu/zatrzymania funkcja wstrzykiwania niskiej częstotliwości nie jest zbędnym dodatkiem, lecz realnie wykorzystywaną warstwą zabezpieczeń.

Częste błędy

1. Założenie, że samo 87G lub schemat trzeciej harmonicznej wystarczy dla 100% pokrycia — oba pozostawiają część uzwojenia niechronioną, odpowiednio przy punkcie neutralnym i podczas postoju.
2. Brak instalacji funkcji wstrzykiwania niskiej częstotliwości na maszynie, która regularnie się zatrzymuje i uruchamia — to właśnie te maszyny spędzają znaczną część czasu w stanie, w którym schemat trzeciej harmonicznej nie ma użytecznego sygnału.
3. Wybór częstotliwości wstrzykiwania bez uwzględnienia istniejących harmonicznych systemu — źle dobrana częstotliwość wstrzykiwania może zakłócać już obecne zniekształcenia harmoniczne w sieci lub być przez nie maskowana.
4. Zapomnienie, że transformator uziemiający punkt neutralny musi uwzględniać impedancję wtórną wymaganą przez sygnał wstrzykiwania — konstrukcja uziemienia dobrana wyłącznie pod ograniczenie prądu zwarciowego, bez uwzględnienia obwodu wstrzykiwania, może osłabić sygnał do poziomu bezużytecznego.

Powiązane

• Zabezpieczenie różnicowe generatora (87G) — różnicowe stojana
• Zabezpieczenie nadprądowe zależne od napięcia (51V) dla generatorów
• Zabezpieczenie od zwarć doziemnych (REF, 64N/87N) — wysokoomowe
• Uziemienie rezystancyjne (NGR) — niskoomowy/wysokoomowy punkt neutralny