55

2/2003

www.elektro.info.pl

zabezpieczenia

generatora

synchronicznego

ma³ej i œredniej mocy

Rodzaje zabezpieczeñ wymagane

dla generatora oraz sposób ich

dzia³ania zale¿¹ od: jego mocy,

uk³adu obwodów pierwotnych,

rodzaju wzbudzenia, rodzaju

elektrowni, w której pracuje.

Wraz ze wzrostem mocy

generatora roœnie jego wartoœæ,

rosn¹ te¿ wymagania dotycz¹ce

zakresu i redundancji jego

zabezpieczeñ. W artykule zostan¹

omówione: zakres wymaganych

zabezpieczeñ generatora

powi¹zanego bezpoœrednio z szynami

zbiorczymi oraz zasady doboru warto-

œci nastawieniowych jego zabezpie-

czeñ.

Od

uk³adu obwodów
pierwotnych zale-
¿¹ kryteria wykry-

wania zak³óceñ i awaryjnych sta-
nów oraz sposób dzia³ania za-
bezpieczeñ. Istniej¹ istotne ró¿ni-
ce w sposobie realizacji wielu za-
bezpieczeñ generatora powi¹za-
nego bezpoœrednio z szynami
zbiorczymi i pracuj¹cego w bloku
z transformatorem. Od rodzaju
wzbudzenia generatora zale¿y za-
kres zabezpieczeñ i sposób ich
dzia³ania. W zale¿noœci od ro-
dzaju elektrowni, zmienia siê
urz¹dzenie napêdzaj¹ce genera-
tor. Mo¿e to byæ turbina parowa,
silnik spalinowy b¹dŸ turbina
wodna. Natomiast od rodzaju te-
go urz¹dzenia zale¿y sposób
dzia³ania zabezpieczeñ generato-
ra.

W tabeli 1 zestawiono rodzaje za-

k³óceñ, na które powinny reagowaæ
zabezpieczenia generatora o mocy
mniejszej ni¿ 2 MW, rodzaje wyma-
ganych zabezpieczeñ oraz sposób ich
dzia³ania.

Na rysunku 1 przedstawiono

uproszczony schemat zabezpie-
czeñ generatora.

W tabeli 2 zestawiono rodzaje

zak³óceñ, na które powinny reago-
waæ zabezpieczenia generatora
o mocy wiêkszej od ni¿ 2 MW, ro-
dzaje wymaganych zabezpieczeñ
oraz sposób ich dzia³ania.

Na rysunku 2 przedstawiono

uproszczony schemat zabezpieczeñ
generatora. W przypadku generato-
rów ze statycznym uk³adem wzbu-
dzenia, stosuje siê transformator do
zasilania prostowników wzbudzenia.
Wymaga siê stosowania zabezpie-
czeñ nadpr¹dowych, reaguj¹cych na
zwarcia i przetê¿enia tego transfor-
matora.

Niekiedy w przypadkach uzasa-

dnionych du¿ym kosztem generato-
ra, stosuje siê redundancjê zabezpie-
czeñ polegaj¹c¹ na realizacji dwóch
zespo³ów zabezpieczeñ. Ka¿dy
z tych zespo³ów nale¿y wyposa¿yæ
w niezale¿ne uk³ady zasilania na-
piêciem pomocniczym i niezale¿ne
obwody wyjœciowe sterowania awa-
ryjnego. Ka¿dy z zespo³ów powinien

dr in¿.

Sylwia Wróblewska

Instytut Energetyki, Warszawa

56

www.elektro.info.pl

2/2003

zawieraæ zabezpieczenie reaguj¹ce
na zwarcia miêdzyfazowe (np. w jed-
nym zespole – zabezpieczenie ró¿ni-
cowe generatora, a w drugim – im-
pedancyjne). Pozosta³e zabezpie-
czenia mo¿na podzieliæ równomier-
nie pomiêdzy dwa zespo³y.

urz¹dzenia

zabezpieczeniowe

Aktualnie zabezpieczenia gene-

ratora realizuje siê jako urz¹dzenia
mikroprocesorowe przystosowane
do:

n

spe³niania wszystkich funkcji
zabezpieczeniowych,

n

funkcji logicznych wymaga-

nych do prawid³owego dzia³a-
nia zabezpieczeñ,

n

wspó³pracy z uk³adem pomia-

rowym generatora,

n

wspó³pracy ze zdalnym uk³a-
dem sterowania prac¹ genera-
tora (elektrowni),

n

wspó³pracy z uk³adami reje-
stracji zdalnej.

Na krajowym rynku dostêpne

s¹ m.in. nastêpuj¹ce urz¹dzenia
zabezpieczeniowe przystosowane
dla generatora: CZAZ-G (ZEG –
Energetyka, Tychy), REG 316
(ABB), MICOM P340 (Alstom),
7UM 5. (Siemens), SR 489 i G60
(General Electric).

literatura

1. W. Winkler, A. Wiszniewski,

Automatyka zabezpieczeniowa w sy-
stemach elektroenergetycznych,
WNT, Warszawa 1999.

2. J. ¯ydanowicz, Elektroenergetyczna

automatyka zabezpieczeniowa, WNT,
Warszawa 1966.

3. J. ¯ydanowicz, Elektroenergetyczna

automatyka zabezpieczeniowa, t. 2,
WNT, Warszawa 1985.

Lp. Zak³ócenie

Wymagane zabezpieczenie

Rodzaj

Miejsce

Rodzaj

Sposób dzia³ania

1.

Zwarcie

Uzwojenie

Ró¿nicowopr¹dowe, wzd³u¿ne,

Bezzw³ocznie w zakresie II*)

miêdzyfazowe

stojana

stabilizowane

i powi¹zania

z szynami

zbiorczymi

2.

Na zewn¹trz

Impedancyjne lub nadpr¹dowe

Ze zw³ok¹ w zakresie II*)

z blokad¹ napiêciow¹

3.

Zwarcie

Uzwojenie

Ró¿nicowopr¹dowe, poprzeczne

Bezzw³ocznie w zakresie II*)

miêdzyzwojowe stojana

lub pr¹dowe – tylko dla

pr¹dnic z wyprowadzonymi

dwoma punktami neutralnymi

4.

Zwarcie z ziemi¹ Uzwojenie

Zerowopr¹dowe

Ze zw³ok¹ w zakresie II*)

stojana

5.

W jednym

Nadpr¹dowe lub impedancyjne

Dwustopniowo:

punkcie obwodów ze Ÿród³em napiêcia przemiennego 1 ze zw³ok¹ na sygnalizacjê,

wzbudzenia

wymuszaj¹cym przep³yw pr¹du

2 ze zw³ok¹ na wy³¹czenie

w obwodzie pomiarowym

w zakresie I*)

6.

Nadmierny wzrost Uzwojenie

Nadnapiêciowe – tylko dla

Ze zw³ok¹ w zakresie II*)

napiêcia

stojana

hydrogeneratorów

7.

Utrata wzbudzenia Impedancyjne

Ze zw³ok¹ w zakresie I*)

Dla hydrogeneratorów

ze zw³ok¹ w zakresie II*)

8. Przewzbudzenie

Reaguj¹ce na iloraz napiêcia

Ze zw³ok¹ w zakresie I*)

i czêstotliwoœci, tylko dla generatorów

Dla hydrogeneratorów

ze wzbudzeniem statycznym

ze zw³ok¹ w zakresie II*)

9.

Przeci¹¿enie

Uzwojenie

Nadpr¹dowe

Ze zw³ok¹ na sygnalizacjê

stojana

Asymetria

Uzwojenie

Reaguj¹ce na sk³adow¹

obci¹¿enia

stojana

przeciwn¹ pr¹du, tylko

w przypadku wymagania przez

wytwórcê generatora

10. Wy³¹czenie urz¹dzenia

Czynnomocowe, kierunkowe

Ze zw³ok¹ w zakresie II*)

napêdzaj¹cego

*) dzia³anie zabezpieczeñ oznaczone zakresem:

I – powinno powodowaæ wy³¹czenie generatora z pozostawieniem urz¹dzenia napêdzaj¹cego w stanie pracy

ja³owej,

II – powinno powodowaæ wy³¹czenie i odwzbudzenie generatora oraz wy³¹czenie urz¹dzenia napêdzaj¹cego

Lp.

Zak³ócenie

Wymagane zabezpieczenie

Rodzaj

Miejsce

Rodzaj

Sposób dzia³ania

1.

Zwarcie

Uzwojenie stojana

Ró¿nicowopr¹dowe wzd³u¿ne

Bezzw³ocznie

miêdzyfazowe

i powi¹zania

lub nadpr¹dowe (tylko

w zakresie II*)

z szynami zbiorczymi

w przypadku gdy nie

wyprowadzono punktu

neutralnego)

2.

Na zewn¹trz

Nadpr¹dowe lub nadpr¹dowe

Ze zw³ok¹

z blokad¹ napiêciow¹

w zakresie II*)

3.

Zwarcie z ziemi¹

Uzwojenie stojana

Zerowopr¹dowe

Ze zw³ok¹ w zakresie II*)

4.

Uzwojenie wirnika

Nie wymaga siê. Nale¿y

stosowaæ uk³ad do pomiaru

napiêcia biegunów wirnika

wzglêdem ziemi

5.

Nadmierny wzrost Uzwojenie stojana

Nadnapiêciowe, tylko dla

Ze zw³ok¹ w zakresie II*)

napiêcia

hydrogeneratorów

6.

Przeci¹¿enie

Uzwojenie stojana

Nadpr¹dowe

Ze zw³ok¹ na sygnalizacjê

7. Wy³¹czenie urz¹dzenia napêdzaj¹cego

Czynnomocowe, kierunkowe

Ze zw³ok¹ w zakresie II*)

*) dzia³anie zabezpieczeñ oznaczone zakresem:

II – powinno powodowaæ wy³¹czenie i odwzbudzenie generatora oraz wy³¹czenie urz¹dzenia napêdzaj¹cego

Tabela 2 Wymagane rodzaje zabezpieczeñ generatora synchronicznego o mocy znamionowej wiêkszej ni¿ 2 MW, powi¹zanego bezpo-

œrednio z szynami zbiorczymi

Tabela 1 Wymagane rodzaje zabezpie-

czeñ generatora synchronicz-
nego o mocy znamionowej
mniejszej od 2 MW i napiêciu
wiêkszym ni¿ 1 kV, powi¹za-
nego bezpoœrednio z szynami
zbiorczymi

57

2/2003

www.elektro.info.pl

Lp.

1

1.

2.1.

2.2.

2.3.

3.

Rodzaj

zabezpieczenia

2

Ró¿nicowopr¹dowe
wzd³u¿ne, stabilizowane,
reaguj¹ce na zwarcia
miêdzyfazowe uzwojenia
stojana

Nadpr¹dowe, zw³oczne
reaguj¹ce na zewnêtrzne
zwarcia miêdzyfazowe

Nadpr¹dowe z blokad¹
napiêciow¹, reaguj¹ce na
zewnêtrzne zwarcia
miêdzyfazowe. Nale¿y
stosowaæ wówczas, gdy
warunek (3) nie mo¿e byæ
spe³niony

Impedancyjne, powinno
byæ reaguj¹ce na
zewnêtrzne zwarcia
miêdzyfazowe i byæ
stosowane zw³aszcza dla
generatorów ze
wzbudzeniem statycznym

Nadpr¹dowe,
reaguj¹ce
na zwarcia
miêdzyzwojowe uzwojenia
stojana. Wymagane tylko,
gdy wyprowadza siê dwa
punkty neutralne uzwojenia
stojana

Wielkoœci mierzone

3
I

1

I

2

I

1

I

1

U

I

1

U

I

3

(podstawowa harmoniczna)

Oznaczenie

4

87G

Rys. 2

51.1

Rys. 1

51/27

Rys. 1

21

Rys. 2

51.3

Rys. 2

Kryterium wykrywania zak³ócenia.

Wartoœci nastawieniowe

5

Porównywanie ró¿nicy pr¹dów mierzonych (pr¹d
ró¿nicowy: I

r

=I

1

-I

2

) z ich sum¹ (pr¹d hamuj¹cy

I

h

=I

1

+I

2

) wg zadanej charakterystyki rozruchowej

(rys.3) stabilizowanego przekaŸnika ró¿-
nicowego.
Rozruchowy pr¹d ró¿nicowy przy braku hamo-
wania (I

h

=0):

(1)

Wspó³czynnik hamowania (stabilizacji) powinien
zapewniæ nie dzia³anie zabezpieczenia przy
pr¹dach uchybowych pp. spowodowanych
zwarciami zewnêtrznymi:

(2)

Najczêœciej przyjmuje siê:
I

ro

=(0,15

÷0,20)I

N

; k

h

=0,20

÷0,25

Wartoœæ rozruchowa przekaŸnika powinna za-
pewniæ reagowanie na zwarcia zewnêtrzne oraz
nie dzia³anie przy obci¹¿eniach ruchowych:

(3)

Pr¹d rozruchowy powinien zapewniæ dzia³anie
przy zwarciach zewnêtrznych:

(4)

Napiêcie rozruchowe powinno zapewniæ nie dzia-
³anie zabezpieczenia w warunkach ruchowych
oraz reagowanie przy spadkach napiêcia
wystêpuj¹cych w warunkach zwarciowych wg
zale¿noœci:

(5)

WielkoϾ kryterialna, impedancja mierzona na
zaciskach generatora. WartoϾ rozruchowa
powinna zapewniaæ nie dzia³anie w warunkach
ruchowych oraz reagowanie na zwarcia w uz-
wojeniu stojana generatora, na szynach zbiorczych
oraz w linii odchodz¹cej od szyn zbiorczych:

(6)

Przyk³ad charakterystyki rozruchowej na
rys. 4.

Pr¹d rozruchowy:

(7)

OpóŸnienie

[s]

6
0

OpóŸnienie wynikaj¹ce
z odpowiedniego stopniowania
czasowego zapewniaj¹cego
selektywne dzia³anie
zabezpieczeñ w sieci
zewnêtrznej

OpóŸnienie wynikaj¹ce
z odpowiedniego stopniowania
czasowego zapewniaj¹cego
selektywne dzia³anie
zabezpieczeñ w sieci
zewnêtrznej

0,2

÷0,5

Tabela 3 Kryteria wykrywania zak³óceñ. Dobór charakterystyk rozruchowych i wartoœci nastawieniowych zabezpieczeñ generatora

58

www.elektro.info.pl

2/2003

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Zerowopr¹dowe
ziemno-zwarciowe
uzwojenia stojana

Ziemno-zwarciowe

obwodów wzbudzenia

Nadnapiêciowe,wymagane
dla hydrogeneratorów

Utrata wzbudzenia

Od skutków
przewzbudzenia.
Wymagane tylko dla
generatorów ze statycznym
uk³adem wzbudzenia

Od skutków przeci¹¿enia
stojana

I

0

(pr¹d mierzony

za poœrednictwem

pp. typu Ferranti)

U

W

I

W

U

I

2

(I

1

)

U

U

I

1

(I

2

)

51 N

Rys. 1
Rys. 2

64R

Rys. 2

59

Rys.2

40

Rys. 2

24

Rys. 2

51.2

Rys. 1
Rys. 2

Wielkoœæ kryterialna: sk³adowa zerowa pr¹du.
Wartoœæ rozruchowa powinna zapewniæ nie
dzia³anie zabezpieczenia przy zwarciach zew-
nêtrznych, na szynach zbiorczych i reagowanie na
zwarcia z ziemi¹ w zakresie obejmuj¹cym co
najmniej

α≥70% uzwojeñ stojana

(8)

gdzie:

(9)

- pr¹d zewnêtrznego zwarcia doziemnego na
szynach zbiorczych,

(10)

- pr¹d zwarcia z ziemi¹ w uzwojeniu stojana
generatora,
WielkoϾ kryterialna Рrezystancja izolacji
obwodów wzbudzenia wzglêdem ziemi –
mierzona jest w obwodzie ³¹cz¹cym jeden bie-
gun uzwojenia wirnika ze szczotk¹ uziemiaj¹c¹
wa³ turbozespo³u. Pr¹d doziemny, wymuszany
przez wprowadzenie napiêcia z obcego Ÿród³a
(50 Hz, 12,5 Hz, 20 Hz) jest miar¹ rezystancji
izolacji. Stosuje siê dwa cz³ony:
1 – stwierdza obni¿enie rezystancji izolacji do
wartoœci:

R

1

≤(5÷10) kΩ

2 – stwierdza zwarcie, czego miar¹ jest obni¿enie
rezystancji izolacji do wartoœci:

R

2

≤1.0 kΩ

Wartoœæ rozruchowa powinna zapewniæ
dzia³anie przy przekroczeniu granicznej,
dopuszczalnej wartoœci napiêcia generatora:

(11)

Wielkoœci¹ kryterialn¹ jest impedancja mierzona
na zaciskach generatora. Charakterystyka
rozruchowa (rys. 5) na p³aszczyŸnie impedancji
zespolonej realizuje granice stabilnoœci statycznej
generatora. Charakterystyczne punkty:

(12)

(13)

Wielkoœci¹ kryterialn¹ jest iloraz napiêcia i czê-
stotliwoœci generatora. Miar¹ przewzbudzenia jest
wspó³czynnik k

f

:

(14)

Najczêœciej przyjmuje siê k

f

=1,3

Wielkoœci¹ kryterialn¹ jest pr¹d generatora:

(15)

0,5

÷1,0

≥10

5

1,0

÷2,0

2,0

÷5,0

2,0

÷5,0

10

lub t=f(I)

1

2

3

4

5

6

59

2/2003

www.elektro.info.pl

10.

11.

Od skutków asymetrii
obci¹¿enia, tylko w przy-
padku, gdy wymaga tego
wytwórca generatora

Od skutków pracy
silnikowej,
zwrotnomocowe

I

1

(I

2

)

I

4

(rdzeñ pomiarowy pp., kl. 0,5)

U

46

Rys. 2

32R

Rys. 1
Rys. 2

Wielkoœci¹ kryterialn¹ jest sk³adowa przeciwna
pr¹du. Zabezpieczenie nale¿y realizowaæ jako
dwucz³onowe.
Pierwszy cz³on, nadpr¹dowy, zw³oczny powinien
stwierdzaæ przekroczenie dopuszczalnej trwale
asymetrii obci¹¿enia:

(16)

Drugi cz³on powinien realizowaæ wymaganie do-
puszczalnej krótkotrwale asymetrii obci¹¿enia.
Czas dzia³ania przekaŸnika zale¿y od wartoœci
pr¹du sk³adowej przeciwnej wg zale¿noœci:

(17)

Moc czynna pobierana przez generator,
przekraczaj¹ca straty mocy turbozespo³u:

(16)

Dla generatorów o mocy (2

÷30)MW, na ogó³

przyjmuje siê Pr=(2

÷3)% P

NG

.

10

t=f(I

2

)

1 ° )

(1

÷5)

przy zamkniêtych zaworach
odcinaj¹cych turbiny,

2 ° )

(60

÷240)

przy otwartych zaworach
odcinaj¹cych turbiny

1

2

3

4

5

6

Oznaczenia:

I

N

– znamionowy pr¹d wtórny pp.,

I

NG

– pr¹d znamionowy generatora,

I'

max

=1.05 I

NG

– maksymalny pr¹d generatora w warunkach ruchowych,

I

z2fmin

– minimalny pr¹d zwarcia 2-fazowego na zaciskach generatora, przy

otwartym wy³¹czniku g³ównym, w stanie nieustalonym (po czasie 0,1
s od momentu wyst¹pienia zwarcia). Wartoœæ tego pr¹du mo¿na
odczytaæ z krzywych zanikania pr¹du zwarcia (dostêpne w
poradnikach) dla reaktancji generatora w stanie nadprzejœciowym (X"

d

),

I

z2f

– pr¹d zwarcia 2-fazowego na koñcu najd³u¿szej linii odchodz¹cej od

szyn,

I

z. min

– wartoœæ pr¹du ziemnozwarciowego sieci uzyskuje siê zwykle

z pomiarów, jest ona objêta danymi za³o¿eniowymi do projektu.
W przypadku braku tej wartoœci nale¿y j¹ wyznaczyæ wg zale¿noœci,

U

NG

– napiêcie znamionowe generatora [kV],

U

fNG

– znamionowe napiêcie fazowe generatora [kV],

U'

min

=0,95U

NG

– minimalne napiêcie generatora w warunkach ruchowych,

U

zmax

– napiêcie na zaciskach generatora podczas zwarcia na koñcu

najd³u¿szej linii odchodz¹cej od szyn zbiorczych

U, f – mierzone napiêcie i czêstotliwoœæ generatora,

f

N

– czêstotliwoœæ znamionowa,

– impedancja ruchowa generatora,

– reaktancja synchroniczna generatora,

– reaktancja generatora w stanie przejœciowym,

C

oG

– pojemnoœæ stojana generatora wzglêdem ziemi,

ω=314 pulsacja,

C

os

– suma pojemnoœci obwodów zewnêtrznych (kabli przy³¹czonych do szyn

zbiorczych),

ϑ

i

– przek³adnia pp.,

ϑ

u

– przek³adnia pn.,

– przek³adnia impedancyjna

k

b

=1,2

÷1,4 – wspó³czynnik (wsp.) bezpieczeñstwa,

k

pi

=0,98 – wsp. powrotu przekaŸników nadpr¹dowych,

k

pu

=1,02 – jw. lecz przekaŸników podnapiêciowych,

k

c1

≥ 2,0 – wsp. czu³oœci zabezpieczeñ podstawowych,

k

c2

≥ 1,2 – wsp. czu³oœci zabezpieczeñ rezerwowych,

k

A1

– wsp. trwale dopuszczalnej asymetrii obci¹¿enia,

k

A2

– wsp. krótkotrwale dopuszczalnej asymetrii obci¹¿enia,

S

NG

– znamionowa moc generatora [MVA].

60

www.elektro.info.pl

2/2003

Rys. 1 Zabezpieczenia generatora o mocy mniejszej ni¿ 2

MW i napiêciu wiêkszym ni¿ 1 kV

Rys. 2 Zabezpieczenia generatora o mocy wiêkszej ni¿ 2 MW

61

2/2003

www.elektro.info.pl

Rys. 3 Przyk³adowe charakterystyki rozruchowe zabezpieczenia ró¿nicowego generatora

Rys. 5 Przyk³adowe

charakterystyki
rozruchowe
zabezpieczenia
od skutków utraty
wzbudzenia
generatora

Rys. 4 Charakterystyka

rozruchowa
zabezpieczenia
impedancyjnego
generatora