بررسی عملکرد کاذب رله دیفرانسیل ژنراتور نیروگاه پتروشیمی فجر

Transcript

1 بررسی عملکرد کاذب رله دیفرانسیل ژنراتور نیروگاه پتروشیمی فجر 3 مسعود قیطولی 1 مهدی شفیعی 2 رحیم قاسمی 1 کارشناس ارشد رلیاژ شرکت برق منطقه ای غرب gheytuli@ghrec.co.ir رئیس بهره برداری نیروگاه پتروشیمی فجر 2 2 Shaffii.M@Fajrco.com 3 کارشناسی ارشد دفتر فنی پتروشیمی فجر ghasemi.r@fajrco.com چکیده از پر اهمیت ترین تجهیزات در شبکه های فشار قوی ژنراتورها می باشند. حفاظت الکتریکی ژنراتورها توسط چند حفاظت مختلف اعم از دیفرانسیل خطای زمین کاهش امپدانس صورت می گیرد.در این میان حفاظت دیفرانسیل ژنراتور وظیفه اصلی محافظت از سیم پیچ های استاتور ژنراتور را بر عهده دارد.پایداری حفاظت مذکور در زمان بروز خطاهای خارج از سیم پیچ ژنراتور ازاهمیت باالیی برخوردار است. عالوه بر خطا های خارجی بروز گذراها در اثر برقداری ترانس ها و یا سنکرون شدن سایر ژنراتورها و اتصال آنها به شبکه نیز می تواند پایداری حفاظت دیفرانسیل ژنراتور را تحت تاثیر قرار دهد. در این مقاله علت عملکرد کاذب رله دیفرانسیل ژنراتورهای نیروگاه پتروشیمی فجر بررسی شده و راهکارهای پیشنهادی جهت جلوگیری از تکرار حوادث مشابه ارائه می شود. کلمات کلیدی نیروگاه ژ نراتور رله دیفرانسیل عملکرد کاذب مقدمه 2- ساختار رله دیفرانسیل ژنراتور -1 بر اساس گزارش ارائه شده توسط واحد بهره برداری نیروگاه پتروشیمی فجر هنگام برقدار کردن ترانس های قدرت پست پایین دست از طریق باس 132 کیلو ولت پتروشیمی ژنراتورهای متصل به شبکه در نیروگاه پتروشیمی فجر یک با عملکرد رله دیفرانسیل ژنراتور بطور خودکار خارج می شوند. با توجه به انجام تستهای الزم بر روی رله دیفرانسیل ژنراتورکه ازتیپ REG216 که از برندهای معروف و معتبر متعلق به شرکت سازنده ABB می باشد[ 11 ] واحد بهره برداری صحت و سالمت رله مذکور و مدارات ارتباطی را تایید نموده و مشخص گردید که خطا از عملکرد اشتباه رله مذکور نبوده است. لذا با توجه به اهمیت موضوع و اینکه امکان رخداد چنین حادثه ای در زمان بهره برداری عادی می تواند منجر به اعمال خسارت ناشی از عدم تولید انرژی به نیروگاه شود موضوع مطرح و توسط کارشناسان مربوطه مورد مطالعه دقیق قرار گرفت که درادامه نتایج بررسی - های انجام شده ارائه می گردد. از رله دیفرانسیل برای حفاظت سیم پیچ های استاتور ژنراتورهایی با قدرت بیشتر از 5 مگاولت آمپر استفاده می شود. اصول کار رله دیفرانسیل ژنراتور بر اساس قانون جمع جبری جریان های وارده به یک نقطه است که همواره در شرایط کار عادی و عدم بروز خطا کمتر از حد مجاز تعیین شده می باشد. عالوه بر وجود خطاهای داخلی خطاهای ناشی از اندازه - گیری جریان های اولیه توسط ترانسفورماتور جریانی بویژه در زمان رخداد خطاهای خارجی که میزان جریان اولیه آنها بیشتر از شرایط عادی می باشد می تواند عملکرد حفاظت دیفرانسیل را تحت تاثیر قرار دهد. مداری حفاظت دیفرانسیل ژنراتور نشان داده شده است. در شکل 1 آرایش

2 شکل )1( : آرایش مداری حفاظت دیفرانسیل ژنراتور 3 -شرح حادثه و انجام بررسی های اولیه بر اساس گزارشات و سوابق رله دیفرانسیل ژنراتور همزمان با حوادث زیر دارای عملکرد بوده و منجر به خروج ژنراتورها شده است. گردد اشباع ترانس های جریانی بعید بنظر می رسد. شکل 3 شکل موج ثبت شده جریان ترمینال های ژنراتور هنگام بروز خطای بر روی فاز C خروجی ترانس واحد را نشان می دهد. در این حادثه حفاظت دیفرانسیل ژنراتور با عملکرد کاذب فاز B با وجود اینکه خطا در زون حفاظتی آن نیست خارج شده است. در شکل 3 جریان فاز B بعلت اینکه در تغذیه خطا نقشی ندارد افزایش پیدا نکرده است ولی فازهای A وC دارای افزایش دامنه جریان بوده است. هنگام برقدار کردن ترانس های قدرت پست پایین دست از طریق باس 132 کیلو ولت پتروشیمی فجر.1 هنگام اتصالی فاز به زمین در یکی از کابل های به باس 132 کیلو ولت پتروشیمی فجر 132 کیلوولت متصل.2 در شکل 2 شماتیک ساده شده از شبکه الکتریکی پتروشیمی فجر جهت انجام مطالعات نشان داده شده است. پست پایین دست 132KV شینه 132KV G شکل ( 2 ) : نمای ساده شده شبکه پتروشیمی فجر با توجه به بررسی های انجام شده توسط بهره بردار واحدهای نیروگاهی ترانس های جریان ژنراتورها دارای نسبت تبدیل یکسان و پایداری رله دیفرانسیل نیز صحیح می باشد و در زمان عادی بهره برداری جریان دیفرانسیل ظاهر نمی گردد. در نتیجه می توان عملکرد رله دیفرانسیل ژنراتور را ناشی از رفتار متفاوت ترانس های جریان هنگام عبور جریانهای خطا و گذرا دانست. اولین فرضیه محتمل که امکان رخداد آن نیز وجود دارد پدیده اشباع می باشد. اشباع ترانس های جریانی زمانی رخ خواهد مقدار داد که واقعی مدار BURDEN خروجی ترانس های جریانی متناسب با مقدار نامی آن نباشد و یا میزان مولفه DC جریان اتصالی ماشین و شار مغناطیسی پسماند در ترانس جریان شده در خصوص ژتراتور های حادثه دیده نشان BURDEN های محاسبه شده مقدار باالیی باشد. بررسی انجام می دهد که مجموع رله دیفرانسیل ترانس های جریانی و مدارات ثانویه کمتراز 2 ولت آمپر می باشد که با توجه به مقدار نامی 55 ولت آمپری آن عمال ناچیز خواهد بود. همچنین با توجه به کالس دقت ترانس های جریانی )کالس دقت ) X و حضور ترانس بالفصل ژنراتور با امپدانس 13 درصدی که منجر به کاهش مقدار مولفه DC اتصال کوتاه می شکل )3( : شکل موج جریانهای ترمینال ژنراتور در شکل 5 شبیه سازی حادثه مذکور جهت بررسی های ژنراتور در نرم افزار Matlab انجام شده است. شکل موج جریان

3 5- شار مغناطیسی سرگردان شکل )4( : نتایج شبیه سازی جریان ترمینال ژنراتور در زمان خطای تک فاز به زمین بر روی فاز C با توجه به موج ثبت شده شکل 3 و صحت سنجی آن توسط شبیه سازی )شکل 5( و اینکه عملکرد رله دیفرانسیل ناشی از فازی است که جریان آن در هنگام خطا افزایش پیدا نکرده است این استنباط حاصل می شود عملکرد رله دیفرانسیل ناشی از اشباع ترانس جریان نمی باشد. بطور خالصه دالیلی که نشان دهنده عدم اشباع ترانس جریان در زمان حوادث و عملکرد رله دیفرانسیل است عبارتند از: الف( مقدار RMS ثانویه یک ترانس جریان در حالت اشباع بیشتر از مقدار آن در حالت سالم باشد. نمی تواند ب( با افزایش جریان فازهای A وC عملکرد رله دیفرانسیل ناشی از فاز B می باشد. ج( با توجه به نسبت تبدیل و کالس دقت ترانس های جریانی بنظر می رسد. اشباع بعید با توجه به مطالب ارائه شده در بخش های قبل و اطمینان از صحت تنظیمات پیکربندی رله دیفرانسیل ژنراتور ها و عدم اشباع ترانس های جریانی پدیده جالب توجه که تئوری آن بر اساس تداخل میدان های مغناطیسی مطرح می باشد را می توان عامل پنهان حادثه معرفی نمود. جریان باالی عبوری از هادی های باسبار و میدان مغناطیسی تولید شده اطراف آن می تواند ترانس جریان های سایر فاز ها را تحت تاثیر قرار داده و جریان ثانویه آنها را تغییر دهد که این خود باعث بوجود آمدن جریان دیفرانسیل خواهد شد. این اثر پدیده شار سرگردان نامیده می شود. اما سئوال اینجاست کدام دسته از ترانس جریان ه یا موجود بر روی ژنراتور تحت تاثیر چنین پدیده ای قرار می گیرند مسلما ترانس جریان های نصب شده در ترمینال خروجی ژنراتورها بعلت اینکه در داخل داکت هایی که در دو انتها اتصال کوتاه شده اند قرار دارند تحت تاثیر این پدیده قرار نمی گیرند. زیرا طبق قانون لنز وجود صفحات اتصال کوتاه شده باعث خنثی شدن اثر میدان مغناطیسی ناشی از شار سرگردان می گردد و الزم به ذکر است که میدان مغناطیسی اطراف داکت عمال صفر می باشد. اما در اطراف ترانس های جریان نقطه صفر ژنراتور داکتی وجود ندارد لذا تمام ترانس جریان ها از جریان ترمینال و نقطه صفر متاثر می گردند. عبور جریان های باال بیشترین تاثیر را در سایر ترانس های جریان خواهد داشت و برآیند جریان ثانویه آنها کمترین اختالل را بعلت باال بودن دامنه جریان و پایین بودن جریان حاصل از شار سرگردان خواهند داشت. اما در ترانس های جریانی که جریان کمتری از اولیه آنها می گذرد جریان حاصل از شار مغناطیسی سرگردان در ثانویه آنها قابل مقایسه بوده و تاثیر گذاری آن در تغییر فاز و دامنه بیشتر خواهد بود. چنانچه به ثبات و شکل موج جریان های رله در هنگام خطا در شکل 3 مراجعه شود مالحظه خواهد شد که عملکرد رله دیفرانسیل ناشی از فازی بوده است که در خطا نقشی نداشته است. در ادامه تحقیقات بررسی آماری حوادث مشابه در سایر نیروگاهها در دستور کار قرار گرفت که نکته قابل توجه این بررسی ها عملکرد کاذب حفاظت دیفرانسیل ژنراتور در نیروگاههایی که از رله حفاظت دیفرانسیل ژنراتور ساخت شرکت ABB و از تیپ REG216 استفاده نموده اند رخ داده است. در این خصوص می توان حادثه مشابه رخ داده در نیروگاه کازرون در هنگام سنکرونایزینگ واحد در سال و 1311 همچنین عدم عملکرد کاذب رله دیفرانسیل ژنراتور واحدهای نیروگاه گازی زاگرس کرمانشاه که از برند شرکت Siemens با تیپ, 7UM از بدو راه اندازی واحد ها در سال 1311 تا زمان تهیه این مقاله اشاره نمود. در تمامی این مقایسه ها ساختار فیزیکی وآرایش CT های نوترال ژنراتورها یکسان بوده و فقط تیپ رله های حفاظتی دیفرانسیل آنها متفاوت بوده است.

4 شکل 7 روابط حاکم بر رله دیفرانسل REG216 و همچنین منحنی عملکرد رله را نشان می دهد. شکل )5( : نحوه قرار گرفتن ترانس های جریانی سمت ترمینال ژنراتور بهمراه داکت های مربوطه شکل )7( : روابط حاکم بر رلهREG216 شکل )6( : نحوه قرار گرفتن ترانس های جریانی ژنراتور 5 -الگوریتم رله دیفرانسیلREG216 سمت نوترال با توجه به روابط باال در فازهای که مقدار جریان آنها باال رفته بطور مثال فازهایی که در تغذیه خطا نقش دارند شارهای سرگردان دامنه و فاز جریان اصلی را کمترتغییر داده لذا مقدار جریانIH از بین نرفته و در پایداری رله در زمان خطاهای خارجی نقش مثبت خود را خواهد داشت. اما درثانویه ترانس های جریانی که جریان اولیه آن ها کمتر است بطور مثال ترانس جریان مربوط به فازی که در تغذیه خطا نقش ندارد تغییرات زاویه ودامنه بشکلی اتفاق خواهد افتاد که منجر به کاهش مقدارجریانIH شود. مساله در شکل 1 این نشان داده شده است. در این شکل عملکرد رله دیفرانسیل بعلت بوجود آمدن مقدار باالی جریان دیفرانسیل به ازای مقدار پایین جریانIH در فاز Bاست. نکته قابل توجه در نحوه محاسبه جریانIH در الگوریتم رله دیفرانسیل REG216 وجود COSΦ در محاسبات است که مقدار آن در زمانی که اختالف زاویه جریانها حدود 11 درجه باشد مقدار نزدیک به صفر است که این موضوع منجر به کاهش جریانIH COSΦ

5 بعلت القای شار سرگردان از فازهای مجاور می باشد. زیرا این جریانها بطور طبیعی 121 درجه با هم اختالف فاز دارند. شکل )9( : دیاگرام تک خطی حفاظتی ژنراتورها 6- نتیجه گیری شکل )8( : نقطه خطا و منحنی عملکرد رله حفاظتی REG216 در اغلب سیستم های حفاظتی ژنراتور از دو حفاظت دیفرانسیل ژنراتور بصورت کلی و جزیی مطابق شکل 1 استفاده می شود. در این شکل حفاظت دیفرانسیل 87G شماره 1 بعنوان حفاظت کلی که از نوترال ژنراتور تا سمت فشار قوی ترانس اصلی را حفاظت می کند و حفاظت 87G مخصوص حفاظت سیم پیچ استاتور ژنراتور به صورت حفاظت جزیی می باشد. سوال دیگری که می تواند مطرح شود این است که چرا در رله دیفرانسیل ترانس که از ترانس های جریان نقطه صفر ژنراتور استفاده می کند همزمان با عملکرد کاذب حفاظت رله دیفرانسیل ژنراتور عمل نمی کند در اینجا توجه به این نکته الزم وضروری است که میزان تنظیم رله دیفرانسیل ترانس 31 درصد جریان نامی ترانس می باشد که بطور معمول سه برابر مقدار تنظیم حفاظت دیفرانسیل ژنراتور می باشد. در نتیجه اگر جریان اتصالی منجر به جریان دیفرانسیل باالتر از مقدار تنظیمی شود این اتفاق برای رله دیفرانسیل ترانس نیز رخ خواهد داد. در این مقاله یکی از حوادث رخ داده در نیروگاه ها تشریح و با تحلیل - های انجام شده سعی گردید علت حادثه و عوامل تاثیر گذار در آن مشخص شود. توجه به این نکته الزم وضروری است شرایط رخ داد حادثه با شرایط مشابه بیان شده است و تعمیم کلیه حوادث که در آن رله دیفرانسیل ژنراتور دارای عملکرد بوده به حوادثی از این دسته می تواند آثار زیانباری را در پی داشته باشد. در پایان برای پایدار کردن حفاظت دیفرانسیل ژنراتورهایی که رله دیفرانسیل آنها دارای عملکرد های کاذب مشابه بوده اند پیشنهادات زیر ارائه می شود. پیشنهاد اول : استفاده از رله های دیفرانسیلی که در آنها جهت محاسبه جریان های جبران کننده از الگوریتم های متفاوتی استفاده می کنند. همانطور که در قسمت قبل اشاره شد رله دیفرانسیل ABB-REG216 جهت محاسبه جریان نگهدارنده عالوه بر دامنه از اختالف زاویه بین دو فازور جریان I1 I2 استفاده می کند[ 11 ]. اما دربررسی نمونه دیگری از الگوریتم های استفاده شده در رله دیفرانسیل می توان به رله دیفرانسیل تیپ 7UM شرکت زیمنس اشاره نمود که جهت محاسبه جریان نگهدارنده از رابطه I h = I 2 + I 1 استفاده می کند.[ 2 ]. در قسمت 3 با توجه به شرح حادثه عملکرد رله دیفرانسیل ژنراتور مربوط به فاز B بوده است در صورتیکه

6 فاز های A,Cجریان خطا را تامین نموده اند. آرایش ژنراتور مذکور بصورت ستاره با امپدانس زمین شده می باشد و طبق قانون جمع جبری جریان ها در هر شرایطی مجموع جریانها ی فازهای ژنراتور تقریبا برابر با صفر می باشد همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است I1 جریان ثانویه ترانس جریان سمت نوترال و I2 جریان ثانویه ترانس جریان سمت فاز ژنراتور است. بدیهی است که جریان I1 از القای شار مغناطیسی فاز B و شارهای سرگردان فازهای A,C حاصل می شود. در حالت کلی شارهای تولیدی فازهای A,B,C دارای اختالف فاز 121 درجه باهم هستند. که این موضوع منجر به افزایش زاویه α و کاهش مقدار جریان نگهدارنده I h طبق Ih = (I1 I2 رابطه 0 if ( ) Cosمی گردد. ولی چنانچه از رله ای با محاسبه جریان نگهدارنده برابر با I h = I 2 + I 1 استفاده شود چون وابستگی به زاویه اعمال نمی شود این مقدار کاهش نمی یابد. ولی تحقیق این امر باید بصورت دقیق تر توسط محاسبات اجزای محدود صورت پذیرد. پیشنهاد دوم : استفاده از ترانس های جریانی با سیم پیچ متعادل کننده. این ترانس - های جریان دارای سیم پیچی دومی هستند که درهنگام وجود شار سرگردان در هسته با ایجاد شار مخالفی باعث از بین رفتن جریان القایی ناشی از شار سرگردان می شود. این سیم پیچ هیچ تاثیری بر روی جریان ثانویه نخواهد داشت. پیشنهاد سوم : هادی و ترانس های جریان نقطه ستاره ژنراتورها در داخل داکت آلومینیومی به همراه صفحات اتصال کوتاه شده قرار داده شوند. در نتیجه اثر شار سرگران حاصل سایر هادیها برروی ترانس های جریان مجاور از بین خواهد رفت. این طرح براحتی قابل اجرا می باشد ولی باید به این نکته توجه داشت تعیین فواصل مجاز این صفحات باید با بررسی و محاسبات الزم صورت گیرد. شکل 11. شکل) 11 (: نحوه قرار گرفتن صفحات آلومینیومی شکل) 11 (: آرایش مداری ژنراتور

7 مراجع عباس ترکمانی مهدی داورپناه مجید صنایع پسند اشباع موضعی ترانسفورماتور جریان و تاثیر آن بر سیستمهای حفاظتی و اندازه گیری دهمین کنفرانس حفاظت و کنترل سیستم های قدرت زمستان 1315 [2] Gerhard Ziegler, "Numerical Differential Protection Principle and Applications", Siemens Publication Corporate Publishing, 2005 [3] J.A. Guemes, M. Postigo, A. Ibero. "Influence of leader shields in the electric field distribution in current transformers", 10 th Mediterranean Electrotechnical Conference.pp [4] H. Y. Yu, J. S Yuan, J. Zou, "Design of novel structure current transformer with shielding coils for overcoming the saturation of core," IEEE Transaction on Magnetics, vol. 42, pp , [5] S. Seely, "Effect of stray flux on current transformers," Journal of Science & Technology, 1970, vol. 37, pp [6] Y. C. Kang, U. J. Lim, S. H. Kang, P. A. Cossley. "Compensation of the Distortion in the Secondary Current Caused by Saturation and Remanence in a CT", IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 19, pp , [7] E. E. Conner, E. C. Wentz, and D. W. Allen, Methods for estimating transient performance of practical current transformer for relaying, IEEE Transaction on Power Apparatus System, vol. PAS-94, pp , [8] Y. C. Kang, J. K. Park, S. H. Kang, A. T. Johns, and R. K. Aggarwal, An algorithm for compensating secondary current of current transformers, IEEE Transaction on. Power Delivery, vol. 12, pp , [9] D. C. Yu, Z. Wang, J. C. Cummins, H.-J. Yoon, L. A. Kojovic, and D.Stone, Neural network for current transformer saturation correction, in Proc. IEEE Transmission and Distribution Conf., New Orleans, LA, [10] ABB. Switzerland Ltd, Manual "Numerical generator protection REG216", 2002.