GeneratorskyddApplikationsguide Författare: M Stien

Senior application engineer

Generatorskydd A03-0211Sda 2

ASEA RELAYS

Innehållsförteckning 3ida333

Sida1213

141516161718

4445

MinusföljdsströmsskyddUndermagnetiseringsskyddJämförelse mellan riktat relä ochoffset-mho reläÖVermagnetiseringsskyddÖverspänningsskyddUnderfrekvensskyddBakeffektsskyddlagerströmsskyddSkydd mot obefogad magnetise-ring

566788

191920

Speciella skydd för generatorer ipump kraftverk

Känsligt differentialskyddKänsligt jordfelsskydd för statornKortslutningsskydd vid låga fre-kvenser

910 20

IntroduktionUtlösningsfunktionIndikering

Reläskydd för generator-transfor-matoraggregat

Jordfelsskydd för statorn95 % -skydd100 % -skyddSkydd för generator direkt ansluten tillett nätJordfelsskydd för rotornLs-injiceringVs-injiceringKortslutningsskyddDifferentialskyddDifferentialskydd för generator ochtransformator

ReservskyddVarvkortslutningsskyddÖVerlastskydd (termiskt) Övervakningsutrustning

VarvtalsövervakningTemperaturövervakning

2020?O

Reläskyddssystem 21

-SidaFörteckning över figurer Sida

Ag. 18 Funktions~rakteristik för RAGPC 14

Ag. 1 g Funktionsl.;arakteristik för

överrnagnetiseringsskydd RA TUB 15

Ag. 20 Exempel P? inställning av RA TUB 15

Ag. 21 Frekvensgrtänser för en ångturbin 16

Ag. 22 Uttagssch$ma för under frekvensskydd 16

Ag. 23 Bakeffekts\!:ydd med ett tidssteg 1 7

FIQ. 24 Bakeffekts~d anslutet till V-kopplade

spänningsttansformatorer 18

Fig. 25 Lagerströmsskydd RARIC 1 9

Ag. 26 Förenklat schema tör RAGUA

(död-maskinskydd) ...)

Ag. 27 Funktionsk11irakteristik för känsligt

differentialrelä vid Uppstar1 ~:::,

Ag. 28 Funktionsk-1rakteristik för kortslutnings-

skydd vid uppstart Oåga frekvenser) 20

Ag. 29 Principsch~a för varvtalsövervakningsutrustning RAGNA --

Ag. 30 Principscherna för temperatur

övervaknin tE stning RAI'NB Ag. 31 Reläskydd f .r en medelstor generator

Ag. 32 Reläskydd f' en stor turbogenerator --'

FIQ. 33 Reläskydd f 'r en stor vattenkraft-

generator 24

Ag. 1 Reläskyddfärgenerator-transformatoraggregat

Ag. 2 95 % stato~ordfelsskyddAg. 3 100 % stato~ordfelsskyddAg. 4 Jordfelsskydd fär en generator

direkt ansluten till ett nätFIg.5 Rotorjordfelsskydd RXNB 4Ag. 6 Funktionsvärde för RXNB 4Ag. 7 Blockschema fär statorjordfels-

skydd RAGRAAg. 8 Funktionsvärden för RAGRAFIg. g Högimpedansprincipen

(diff.Skydd)Fig. 10 Principschema för differential-

skydd RADSGAg. 11 Kortslutningssträmmens tids-

beroendeFig. 12 Impedansskydd RAKZAFIg. 13 Varvkortslutningsskydd (stator)Ag. 14 Standard schema för överlast-

skydd RVABFig. 15 Minusföljdssträmsskydd RARIBAg. 16 Typisk kapacitets kurva för

turbogeneratorAg. 17 Skydd för undermagnetisering

RAGPC

44~

666

78

1~

82n

2010

212323

1113

13

4

A03-0211Sk1a3

Introduktion Generatorer är konstruerade för att arbeta vid en 8 Färdigkopplade och provade reläskyddsutrustning-

hög effektfaktor undet ett stort antal år och sam- ar i reläs~ (kontrollskåp) medför enkel installation

tidigt under begränsad tid tillåta vissa onormala ar-och redu~rar idriftagningsarbetet till ett minimum

betsförhållanden. Maskinema är övervakade för att 8 Statiska re~ "'er med låg effektförbrukning i mätkret-

hålla dessa incidenter nere på ett minimum. Dock sen redu rar bördan på strömtransformatorema

kan elektriska eller mekaniska fel inträffa och gene- och därm kan mättningsfenomenet lättare und-

ratom måste därför förses med reläskydd, vilka vid vikas i

ett fel snabbt kopplar bort maskinen från nätet och 8 Inbyggt P ~ vningssystem COMBfTEST förenklar om nödvändigt ser till att generatom stoppas helt. idrifttagning och rutinprovning

8 Antal rese eläer reduceras genom användning av

Inga intemationella normer existerar beträffande samma typ v insticksenheter i flera reläskydd

omfattningen av reläskydd för olika storlekar och

typer av generatorer. Den s k normala standarden

varierar mellan olika länder och också mellan olika

kraftbolag beroende på tidigare erfarenhet och olika

sätt att behandla felstatistiker. En relätillverkare som

arbetar på den intemationella marknaden måste

kunna erbjuda ett modifierbart reläskyddssystem för

att kunna tillfredsställa olika användare.

Utlösningsfunktion

UtlöSningsr~ äema är normalt placerade i sammaskåp som r, äskydden. Vippreläer med magnetiskhållning och med elektrisk eller manuell återställningkan erhållas.!

ASEA's reläskyddswstem i byggsystem COMBI-FlEX är huvudsakligen uppbyggt av standardisera-de insticksenheter och ger därmed följande för-delar:

UtlÖSningSre~ "t som aktiveras av differentialrelät haren utfösning kombination bestående av ett snabbtrelä (3,5 ms) parallellkopplat med ett relä med kon-takter som hÖg bryttörmåga (fär att kunna brytaupp ~agnetens krets). Denna kombinationger så~~ ~ mycket kort utlösningstid. Om varjereläskydd har sitt eget utlösningsrelä kan skydds-kombinationen mycket lätt anpassas till nya krav omkraftstationerna 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 mediysdioder för start och utlösningsfunktioner

.Modifieringar och senare utbyggnad kan lätt göras Indikering

Va~e enskilt reläskydd kan förses med flaggor elleriysdioder för indikering av start och utlösning i före-kommande fall, även i vilken fas felet inträffat. Nor-~It finns ett rerta!. potentialfria kont.akter tillgängligafor externa :funktloner såsom signal. start avföljdsklivare oj>v. Alla signalreläer med indikerings-flagga kan oc~så grupperas ihop och placeras i denövre delen avlreläskåpet.

GeneratorskyddASEA RELAYS A03-0211Sda 4

---Reläskydd för generator-transtormator-aggregat

Rg. 1 är en översikt över" standard reläskydd för ettgenerator-transformator aggregat. Ett rekommen-derat minimum av relä'3~dd för olika storlekar avgeneratorn har sammanställts i slutet av denna bro-schyr i tabellform och som översiktsscheman.

Det vanligast f" ommande felet i generatorer äröverslag mellan statorlindningen och plåtkäman istatorn, Felet up kommer oftast genom mekaniskafel eller termisk kada hos isolermaterialet i stator-lindningen, V ort slutningen, vilken normalt ärsvårt att upp täc övergår snabbt till ett jordfelochlöses ut av stat ordfeisskyddet.

Jordfel orsakade ~v mekaniska fel kan ske mycketnära nollpunkten. Idag är trenden den att man villskydda hela stato indningen mot jordfel (100 % sta-tOljordfelsskydd) .

r---(

Block-transformator

g~-~.:~~~o:dfel~kydd för en Qenerator med upp-transformator I

I ~,---roJ

~-~ ~~statorjordfelsrelä ~ I:$- - (95%) U~ ---+ y

r-4.Över magnetiserings- ~~ Iskydd RATUB ~ I I

Överspännings- ru;-L~:skydd Lr.:::I I IUndermagnetiserings- r;;-l--~ I r --{skydd RAGPC ~4- -+ I

Termiskt överlastrelä ~+-4 IRVAB ~ I I IMinusströmsskydd ~-+ I IRARIB ~-t--tUnderimpedansskydd r:;:l--!+ I IRAKZA ~-+--' I Istator jordfelsskydd ru"i1-~ I IRAGEA (100%) L:..J--t-, I IGeneratordiff. skydd ~ I I 11 -<RAOHA eller RAOSG ~-t T I --

Bakeffektskydd rP:rJ : ~--:RXPE I. ~J-li. 1) t--\.

I '-

Block ditt. reläRADS B För generatorer moo en högohmigt jordad upp-

transformator (nOllpunktsmotstånd) används ettnollpunktsspänninbsrelä med övertonsstabiliseringoch konstanttidsfÖrdröjning. Relät mäter endera påen transformator ii nollpunkt en av generatom ellerpå öppna deltat i fpänningstransformatorsatsen pågeneratorns nät si~a, se Rg. 2.

-, Över-I ströms-1 I>.-{I skyddI RXIDF2HI LokaI-I transfor.! matar

I)

C)

L. Relät ställs för fun~ion normalt på 5 % av total noll-punktsspänning ~ed 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 hÖgspän~ingslindningen hos lokaltransfor-matom.

G

I~RotorjordfelsskyddRAGRA ellerRXNB I.

Det spänningsmät~e relät är försett med ett filtermed en dämpfakt~ 15 för den tredje övertonen(150 Hz). \

)h

)--'

För ytterligare inf~ation, se Reläkatalog 803-4012,

1) Instrument

:.-_~

FIg. 1 Reläskydd för genemtortransformator

aggregat

Statorjordfelsskydd

Normal praxis i olika länder lf1r att jorda generatorns

nollpunkt över ett motsånd som ~ränsar feIström-men till 5-10 A. Avstämda I reaktorer som ~rän-

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

da fallen är spänningsstegri~gar i statom under in-

termittenta fel dämpade till en acceptabel nivå och

jordfel som bortkopplas inom några sekunder kom-

mer endast att åstadkomm~ mycket små skador i

statorplåten.

Vid jordfel i uppnätet begränSar nollpunktsmotstån.det den nollpunktsspänning som erhålls från trans-formatorns uppsida via den f<apacitiva kopplingentransformatom till 2-3 % aJ, generatoms märktas

spänning. Ag. 2 95 % statorjqrdfelsskydd

ASEA RELAYS Generatorskydd A03-O211Sda5

Generator

~-~'~[~':~I~'~'~'~- NollplJ1k~-I rl~ motstånd 13,i~""""'" ~

I t I !E§ ~

('I-I--Ib!l1l3g ~

JJ

--111

1\

L~ Skala" y 40-120VI J. --Q: T .

-t-l--~

2~'"'" ~

, Skala

, 0,15-0,45 V

-~~I+ )I b1

95% skydd

Tilt signalel. -uttösningsrelä

~ Skalay 5-15 V

-)-1+1( -I 1")---:Utl.- .1.0 ~relä ":II.

U1 = Generatorns

3:dje tons spänning

(g =Kapacitans mellan stator-lindning och jord-

stator (järn)4 = Kapacitans till jord

på nätsidan

1) = Tredjetonsströmmen

19.

3 100 % stato~ordfelsskydd

Sta eneratar direkt anslu-ten

1 00 % statoriordfelsskvdd för Qenerator -transfor -

matar aQQreQat

Generatorer som producerar mer än 1 % tredje-tonsström under alla driftförhållanden, kan fÖrsesmed ett 1 00 % statorjordfelsskydd som såledestäcker heta statorlindningen ner till nollpunkten.

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

Principschemat för skyddet visas i FIg. 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 g~erator-nollpunkten (3) och harstandard skalområde 0,15-0,45 V, 150 Hl och ettfilter som ökar funktionsvärdet vid märkfrekvensmed en faktor 25. For generatorer med tredjetons-spänning mindre äI\I 1 % finns ett filter med endämpfaktor större än 100.

Ett selektM it:>!dfeJsskydd med primärt funktionsvär-de ner till 1 -,2 A kan erhållas genom att använda ettöverströmsrelä RXlG 28 med extremt låg effektfär-brukning i ~ätkretsen anslutet till summaströms-kopplade str~mtransformatorer enligt Ag. 4.

För att säke$tälla stabilitet på skyddet vid yttre feloch vid kortslutningar läggs frigivning in i form av ettnollpunktsspånningsrelä (3) och blockering frånstal1kontakten på överströmsrelät (2). Tidsfördröj-ningen är noItmalt 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 pågeneratorn kommer tredje tons relät att återgå, kon-takt (b) sluter och signal och utlösning erhålls.

Om ett noll~nktsmotstånd år anslutet till genera-tom måste ~ differentialkopplat jordfelsskydd an-vändas som även mäter i nollpunkten via en ström-transformator! Denna skall vara samma typ och hasamma va~alsomsättning (ingen varvkorrigering)som strömtrarsformatom på nåtsidan.

Spänningsrelät (4) ärl inkluderat för att för hindra fel-funktion från relä (3j vid stillastå ende generator,under uppstart eller ~topp av generatom.

Min. inställnin$ på mätretät RXIG 28 är ibland bero-ende av läcl<!<apacitansen till jord hos generatomoch kablar. in<j>m skyddszonen. Vid ett externt jordfelger denna läQ:ki<apacitans upphov till en liten noIl-följdsström vi~en påverkar relät vid för låg inställ-

ning.

)r yttertigare informabon, se Reläkatalog 803-4012.

I

Ett gemensamt nollpunktsmotstånd anslutet tillsamlingssk~ (alt. 1 Rg. 4) rekommenderas omflera generat~er är anslutna till samma skena.

För ytterligare IJ,formation, se Reläkatalog 803-2031::

Block-transformator

---""""'-,I:,

~!I

~~II

.l-o:- 01.-,.-,

ASEA RELAVS Generatorskydd A03-o211Sda6

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

Rotorjordfelsskydd

~Fältkretsen kan utsättas för onOmlala 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 felsträmmar 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 roto~ordfelsskyddet lösa ut maski-nen med en kort tidsfördröjning.

Ag. 5 RotOljordfe!ss~d RXNB 4Rotoriordfelsskvdd med Is-injicerinQ

Rotorjordfelsskyddet med matrelä RXNB 4 injiceraren likspänning på 48 V på fältkretsen och mäterläcksträmmen (Is) genom i$Olationen till jord, seFig. 5. När ett fel inträffar på 8I1nat ställe än minus-skenan ernålls ett till skott till injektionsspänningenberoende på fältspänning och var i fältlindningenfelet inträffar.

R.lkA)

I

50~Åt.r9In~~~rr',/I,rlo-'/ -

~on'kurY.

Itill-yi'~1Reläts känslighet. som funktion av spänningen Ux.visas i Ag. 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 fäJtspänningen.Ett filter blockerar effektM växelströmmen som flyterin i mätkretsen. Därför påverkas ej heller relät' avövertoner i fältspänningen.

~u.

300-,--100 -zoo-

:j)e

Reläkatalog 803.

För

ytterligare infonnatior4018.Ftg. 6 Funktionsvärd4 för RXNB 4

A03-o211Sda7

Rotoriordfelsskvdd med vs-iniic~rinq

Roto~ordfelssky~det PAGPA används för medel- 8 PAGPA användas för maskiner med fältspän-stora och stora generatorer. Skyddet har en signal- ning upp till 1800 Vnivå för små strömmar och en utlösningsnivå för 8 Skyddet n anslutas till den positiva eller negativastörre strömmar. polen ell till nollpunkten på matande växelspän-

ningEtt blockschema!för skyddet visas i Rg. 7. 8 PAGPA .okänsligt för övertoner i fältspänningen

och det !låter en kapacitans från fältkretsen till jordpå 5 !tF

För ytte1 igare information. se Reläkatalog 800-

4014.

Fördelama med ~etta skydd är:.Funktionsvärden iför signal och utlösning framgår av

Rg.8.Isolationen på v~-sidan av en statisk omriktare eller

roterande vs-matare övervakas separat

-

-fl+- ~~--,-. o ~* *coc Rj_J.. .J.. -'-r'j -\ -, -r-r->-~-",

iI

1 of'.I

I!

al3t:::: =:]

~CA( * CCA-'- -'-"\ \' ,'

JSr

/RTTH.~--=I 1,-1 ztRAGRA

nO-2I.OV [-110-120V Un-50ft 60Hz ~

.u.I

l~j I

'I I

;-.~~ i_.J

F Fbtorlindning

CAC+CCR+Coc; Summan av fältets läck-kapacitanser till jord = Cj

U Injicerad växelspänning mellan fältkrets och jord

Ux Växelspänning vilken adderas vekto-riellt till U vid ett jordfel på vs-sidan avfältkretsen

I Uppmätt ström vilken ert1ålls via R.

GAC. CCR och CDC

R Resistansen mellan fältkretsen ochjord vid jordfelet

1 .2 Kondensator och motstånd för block-ering av likspänning och begränsningav strömmen

3 Spänningstransformator för injiceringav40Vvs

4 Strömtransformator för mätning av~ jordfelsströmmen 5.7 Spänningstransformatorer

6 Strämtransformator

l 8 Kondensatorkrets för fasvridning 90"

9 Likriktare och gl~ttningsreaktor

10 Summeringskrets 1,-10 = 1

11 Fasvridande krets. Inställning av Ir förfOts < signal för likspänning

12 Fasvridande krets Inställning av 13 förR s < < utlösning för lik spänning

13 Likriktare och glättningsreaktor

14 Stabiliseringskrets

15.16 Lågpassfilter

17 Likriktare

18. 19 Faskänslig ornvandlare

20.21.22 Nwådetektorer

23.24.25 Tdkretsar

26.27 OCH-krets för blockring undervs-fel

_28.29.30 Drivsteg för utgångsrelaer

31 U1gångsrelä för signal vid förlorad

hjälpspänning

32 Utgångsrelä för utk)sning vid jordfelpå vs-sdan

33 Utgångsrelä för signal vid jordfel påIs-sidan

34 U1gångsrelä för utlösning vid jordfelpå Is-sidan

35 Säkring

RTTH Separat anpassningsenhet

s~n' '

6~"YVV)

RXROA 4 .ur

Ij,

9B 1~1I:J..

't"-Tur

,

!2/,V",'..r---

I~ ~~15V

-, ~ ~., -,-,

S3 o.

J+;s

r::

! ,LE ,.,..-26 & 21m

30m.1 !.-.:;-.~281 t>

"]

U< R+AC< R+OC< R+ 0«<

-~ -.-~--c.=I ' ---I-===~== ~

~ING I I I : ALAR

UTLÖS !NGALARM

FIg. 7 Blockschema för roto~ordfelsskydd RA.GRA.

Principen för högirppedansrelät RADHA visas i tig. 9.

Strömtransformatqrema på nollpunktssidan och på

nätsidan bör ha i samma vaNtaisomsättning och

likartad magnetiS ~ .ngskarakteristik. Därmed är un- der normala driftf. rhålIanden och vid yttre fel med

omättade strömt sformatorer spänningen Ure

över relät mycket liten. I sämsta fall kan den ena

sidans transforma or bli helt mättad medan den

andra sidans strö transformator är omättad. Maxi-

mal spänning över Irelät blir då:

Umax = Is". (~

+

IRJ. där:

sekundåta subtransienta strömmervid kortslIJtning

resistans~ i sekundärtindningen hosströmtrarisformatom

Rcr=

RL= resistansen i hjälptrådarna mellanströmtransformatorema och relät(sammankopplingspunkten). Räknamed län@sta avståndet från enderaströmtranSforma t ors a t senRg. 8 Funktionsvärden för RAGRA

Relät ställs in med fWnktionsvärde över eller lika medUmax. Strömtransforrnatorema bör då ha en mätt-ningsspänning som I ligger minst dubbelt över relätsfunktionsvärde. Skypdet skall anslutas till separataströmtransformatorki;imor (egen käma).

Kor1slutningsskydd

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

En sats spänningstl>eroende motstånd kopplas inöver relät för att skydda mot för höga spänn ingar.

!

För ytterligare infortnation. se Reläkatalog 803-6011. !

Även om statistiken visar att dylika kortslutningarär mycket sällsynta anses ett snabbfungerandeskydd nödvändigt för 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-strömsstart.

e1r--~- --För små maskiner används inget differentialskydd,vaNid impedansrelät eller underspänningsskyddetblir huvudskydd. Normalt överströmsskydd kan an-vändas om kortslutningsströmmen är tillräckligt stortör att säkerställa funktion, se kortslutningsskydd(reservskydd) sid 10.

INormaI~ -drift~

Gener a t or d if( erentials kydd

För modema generatorer är tidskonstanten fÖr kort-slutningsströmmen stor, typiskt stÖrre än 200 ms.DärfÖr är risken för Is-mättning av strömtransforma-torema stor vid en yttre kortslutning. Det är därfÖrviktigt att differential relät är stabilt även om ström-transformatorema är helt mättade.

IS

För små och medelstora generatorer använderASEA typ RADH.A. ett differentialrelä av högimpe-danstyp. För generatorer större än 250-300 MYAanvänds ett procentstabilierat differentialrelä typRADSG.

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. Rg. 9 Hägimpedansprincipen" (ditt.skydd)

ASEA RELAYS A03-o211Sda9

Generatorskydd

1) till mätkretsar för fas S och T

Ag. 1 O Principschema för differentialskyddRA.DSG

Differentialskydd typ RADSG är ett procentstabilise-rat relä. Mätprincipen framgår av Ag. 10. Differential-relä dR och startrelä SR fungerar på mindre än1 ms vid intemfel med stor felsträm. Funktionspul-sen fångas upp av utgångsrelät (1) även om den ärendast 0,3 ms från dR och SR. 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-ratorns märkström.

Stabiliserin~ mot hög magnetiseringsström erford-ras för att ~elät skall vara stabilt vid närbelägna felmed en stdr felström.

Under felet ~isjunker klämspänningen på transforma-torn till när~ noll och när felet kopplas bort dvs lin-jens brytar~ öppnas, ökar kJämspänningen snabbtpå transfoonatorn. Detta kan medföra en myckethög magnetiseringsström i transformatom, vilket re-lät således skall vara stabilt för.

För en blocktransformator med egen generatorbry-tare (på låQspänningssidan) kan stabilisering mothög magnetiseringsström vara nödvändig om trans-formatorn magnetiseras från högspänningssidans.k. inkopplil!1gsströmstöt.

Om någon strömtransformator mättas vid ett yttrefel kommer en viss ström att flyta genom differential-relät. Differentialrelät förblir dock stabilt så länge för-hållandet IJfr3 är mindre än den inställda stabilitets-gränsen, normalt 20 %, därav ett procentstabiliseratskydd. Stabiliseringen bestäms av förhållandet mel-lan resistansen i differential kretsen och resistansen ikretsen med den mättade strömtransformatom. Be-tingelsema för full stabilitet vid extema fel kan därförenkelt beräknas.

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

:)r

ytterligare information. se Reläkatalog 800-40'

För transf~atorer med orienterad plåt är relät stabilt upp till 140 % av märkspänning.

Differentialskvdd för Qenerator och transformator(btockskydd)

Transformatordifferentialskyddet RADSB användssom s k btockskydd(Gen.-transf.), Det är ett statisktskydd med trefaldig stabilisering,

Förutom den normala stabiliserade funktionen harRA.DSB ockSå en ostabiliserad funktion. Dennafunktion måste då ha en inställning högre än maxi-ma! magneti~ngsström Onkopplingsström) efter-som den ej ~ar någon stabilisering. Denna ostabili-serade funktion ger snabb utlösning (10-20 ms)vid fel med hög kortslutningsström, t.ex. vid överslagpå transfo~toms högspänningsuttag om trans-formatom är ~sluten till ett starkt nät.

Stabilisering för yttre felStabilisering mot hög magnetiseringsströmStabilisering mot övermagnetisering vidspänningar

löga

För ytterligare infoonation, se Reläkatalog BO3fiO1? I

KortslutninQ -Reservskvdd lägre spänningar ~nks funktionsströmmen mot-svarande. Vid noll$pänning erhålls funktion vid enström som är mindre än 20 % av märkströmmen.Som reservskydd för kortslutningar kan ett normalt

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

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

Impedansskyddet fIW<ZA kan förses med två tids-steg. Första steget !Iöser generatorbrytaren. Om fe-let inte försvinner n~r generatorbrytaren öppnas tasgeneratorn ur drift via steg 2 (kort tilläggstid) efter-som det då är frågalom ett s k inre fel.

I

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

I

För ytterligare inform~ion, se Reläkatalog 800-3211.

1 2 3

Ag. 11 TIdskurvor för kortslutningsströmmar för engenerator med magnetiseringssystemet matat di-rekt från generatorskenan

)

Kurvcma avser en liten turbo-generator med:

~ = 1,8 ohm~ = 0,22 ohm

~=0,12ohmord = 6,9 s

Tvåfas kortslutning med fasvridan-de blocktransformator (deitalind-ning på nedsidan)Tvåfas kortslutning utan fasvridan-de blocktransformatorTrefas kortslutningEn vattenkraftgenerator har snar-lika kurvor

)Inkoppling av relä

Ag. 12 Impedanssky~ RAKZA

För större generatorer inkluderas ibland ett extra im-pedansrelä med myc~t kort tidsfördrÖjning för atterhålla ett snabbt reservskydd för fel på generatornsuttag (klämmor), genf?iratorskenan och nedsidan påbIocktransformatom. Aven detta relä har cirkulär ka-rakteristisk och funktioosvärdet sätts på 50-00 %av blocktransformatorns korslutningsimpedans. Dåbör också observeras cltt 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. I

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

Impedansrelät ansluts till strömtransformatorn pågeneratorns no/lpunktssida fÖr att vara ett reserv-skydd även om generatorn är bortkopplad från nä-tet. Vid märksträm fungerar impedansrelät som ettöverströmsSkydd med konstanttidfÖrdröjning. Vid Förytterligare information, se Reläkatalog 803-3213.

ASEA RELAYS Generatorskydd AO3-Q21180011

r-=

(+)

i~

- --I ~ -

~

-

Varvkortslutningsskydd

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

Även 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 påJitligt skyddmot kortslutning av ett varv om maskinen har ettstort antal varv per fas.

0--

~(-)y Till

~::,:r- -utl.-relä

Ag. 13 V~ortslutningsskydd (stator)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.

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.

ÖVerströmsreJä RXlG 22 används i varvkortslut -

ningsskyddet vid delad nollpunkt, se tig. 13. Reläthar ett inbyggt filter vilket höjer funktionsvärdet förövertoner. För tredjetonen är funktionsvärdet unge-fär 5 ggr inställt funktionsvärde. Olika reläskalor från1O-3O mA upp till 0,5-1,5 A kan väljas.

För ytterligare information, se Reläkatalog 803-2033.

Termiskt överlastskydd

ÖVerströmmar upp till 1,4xmärkström detekteras

normalt ej av överströmsskydd eller impedans-

skydd. Bestående överlaster inom dessa områden

övervakas vanligen av temperaturkännare (resis-

tansgivare) inlagda på olika ställen i statorlindningen.

Temperaturmätsystemet RANV8 medger mätning

av upp till 22 punkter, se Temperaturmätutrustning.

RANV8 på sidan 20.

Som en extra kontroll av statorlindningens tempera-

tur kan ett noggrant termiskt överlastrelä installeras.

Normalt används tör generatorer ett elektro-

mekaniskt överlastrelä typ RVAB. Minsta tidskon-

stant som då kan erhållas är 8 minuter. Behöver

man en mindre tidskonstant 'tb kan eventuellt ett

statiskt relä tillgripas. För större turbomaskiner kan

ett speciellt relä behöva tillgripas.

I skyddet finns ett relä tör blockering av återstart.

Detta används ej vid generatorer där man efter sig-

nal om överlast försöker dra ner lasten.

För ytterligare information, se reläkatalog 803-2016.

-{

101 R1XP 18107RVAB325RXME1

1) Utlösning mm2) Signal mm3) Blockering, tillslag av brytare

.t ;IL

FIg. 14 Stardardschema tör över1astskydd RV AB

Generatorskydd A03-0211Sda12

ASEA RELAVS

Minusföljdsströmskydd Exempel på osymmetrier i nätet som kan ge minus-följdsströmmar i generatorn är:

När generatom är ansluten till en balanserad last ärfasströmmama lika och förskjutna 120°. Ampere- 8 Obalanserade enfaslaster såsom jämvägar och in-varvsflödet producerat av strömmen i statorlind- duktionsugnarningen roterar synkront med rotorn och inga virvel- 8 Osymmetrier i övef!öringen beroende på seriekon-strömmar injiceras i rotorn. Obalanserade last- densatorer, ej tran~ponerade linjer eller en öppenströmmar ger upphov till en minusströmskompo- brytarpol (brytarfel)nent i statorströmmen. Detta alstrar ett extra flöde ,som roterar åt motsatt håll och rör sig således med Avbrott i en ledare.,ger upphov till en avsevärd mi-dubbelt varvtal i förhållande till rotorn. Virvelström- nusföljdsström, som max över 60 % av generatomsmar med dubbel märkfrekvens inducerade i rotorn märkström. En kombination av två eller flera avkan orsaka en farlig uppvärmning av rotom. Upp- ovanstående osymtnetrier kan ge en besvärlig mi-värmningen sker i första hand i rotorytan på cylind- nusföljdsström även om vart och ett ej ger så storriska rotorer (turbomaskiner) och i dämplindningen obalans. Det är därför brukligt att förse alla genera-på maskiner med utpräglade poler (vattenkraftge- torer utom de minsta med ett minusföljdsström-neratorer). skydd.

Den ungefärliga uppvärmningen i rotorn för en synk- För små generatorf3f' finns ett minusföljdsströms-ron maskin vid olika obalansströmmar, bestäms av kydd med konstanttidkarakteristik typ RARID.produkten I~ t = K, där

För ytterligare information, se Reläkatalog 803-12 = minusföljdsstrÖmmen i förhållande till genera- 4014 och Information RK 648-301.

toms märkstrÖm (märkström = 1)t = varaktighet i sekunderK = konstant beroende på maskinens upp värm-

ningskarakteristik, dvs typ av maskin och kyl-förhållanden

Blockschemat i Fig., 15 visar funktionen för skyddtyp MRIB och inställningsmöjligheten framgårnedan.

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

Typiska värden tör olika generatorer framgår av ta-bet11.

T abe" 1

MaxtillåtenK=12t(s)

Maxtillåtenkont. 12

(%)

Typ av generator

Effektförbrukning för ingångsfiltret (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 om 1 s. Mätenheten har också ett ter-miskt minne och avsvalningstiden in ställbar i steg iområdet (2,65-170)xK Blockeringsrelät som gårtill vid funktion på skyddet återgår först när värmein-nehåIlet 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 rotorn, om maski-nen ej bortkopplas från nätet.

För ytterligare ytterligare information, se ReläkataJog803-4015 och Information RK 648-300.

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

10

)

30

5-10') 5-8')

Utpräglade poler(vattenkraft)med dämplindningutan dämplindning

105

4040

)

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

Enfasfeloch i synnerhet tvåfasfet 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 V3) ggr generatorns märkströmger en minusföljdsström (1-) i statorn på 2 ggrmärkström, Ett I-skydd som har inställningsvärdetK = I~ t = 10 s kommer att lösa ett dylikt fel på10/22 = 2,5 s.

-

ASEA RELAVS Generatorskydd A03-021180013

Fig. 15 Minusföljdsströmsskydd RARIB

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 förlorarfältströmmen faller den ur fas och börjar gå asyn-kront med högre hastighet än systemets frekvensoch tar reaktiv effekt för sin magnetisering från nätet.

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.

För turbomaskiner är längsreaktansen och tvärreak-tansen praktiskt taget lika och maskinen faller ur fasäven med en mycket liten aktiv last. AB = Gr~s för fältslrärn

oc: = Gräns för statorströmCD = Gräns för uppvärmnng av statorändpartier bero-

ende på läckfält från rotorns lindningGC = Typisk reläinställnng (gräns)EF = Statisk stabilitetsgräns utan spännings regulatorx. = Extem impedans mot oändligt nät (nätets kälIimpe-

dans)

Fig. 16 Typisk kapacitetskurva för turbo generator(rund rotor)

Statorändama och delar av rotom kommer att över-hettas om generatom 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.

Generatoms märkspänning varierar periodiskt bero-ende på de stora variationema i den reaktiva ström-men som maskinen tar från nätet. Periodema medlåg spänning kan få generatoms hjälpmotorer attstanna, vilket leder till ett komplett stopp av hetakraftstationen.

Reducerad magnetisering som kan leda till farliguppvän"nning 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 iFig. 16. Kurvan A-B-C-D representerar kapacitets-gränsen. utanför vilken generatorn ej tillåts arbeta.Den visade effektvektom Sn representerar märktastvid effektfaktom 0.8.

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

Generatorskydd A03-0211Sida 14

ASEA RELAVS

Den minsta magnetisering som erfordras för att bi-behålla synkronism kallas teoretisk stabilitetsgräns.En säkerhetsmarginal adderas för att erhålla enpraktisk stabilitetsgräns.

När en automatisk spänningsregulator med snabbreglering och inget dött band används är säkerhets-marginalen nära den teoretiska. För medelstora ochstora generatorer har spänningsregulatom normalten kontrollfunktion vilken förhindrar den att sänkamagnetiseringsströmmen under säkerhetsgränsen(undermagnetiserings begränsare) .

Funktionen för undermagnetiseringsskydd PA.GPCförklaras med referens till Fig. 1 7.

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

MVAr

pu.'08

0.6

0.4

0.2

--2-

-0.2

-0.4

~~d.6~-0.8

a

p

~

~;;~~~0.2 0.4 06 0.8 1 1.2 1.4 ~u. MW

~--:D : ~~ ""'~"'" " ,H "'" "'" ~ "'"" '" Funktionsområde för RXPE40 --'"'" "'"

Fig. 17a Kapacitetskurva vid mär1<spänning för entypisk turbogenerator

Tid(s)

1.0'

0.5.

0.3.0.2

Jämförelse mellan ~PE 40 och offset-mho relät

En alternativ 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 Fig. 18. Cirkeldiame-tem 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 fältförlust fungerar innan generatoms klämspän-ning sjunker under 80 % av märkvärde. I Fig. 18visas i impedanspianet funktionskarakteristiken förett RXPE-relä ställt på 43 % av märkström vid mät-spänning 1 00 % och 80 % av generatoms märk-spänning, jämfört med ett offset -mho relä.

Generatoms 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 avfältförlust.0-051 1 2 3 I. 5 1 10 ström

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

FIg. 17b Funk1ionskurva för RXPE 40

RXPE ,OI RXKFI

r-o o-If- -RXEG2 Utlösning1-:-0.,;>--0-0 "u.~ ~ T -Försvinnande

--!!d~ magnetisering

SignalUndermagnetisering

FIQ. 17 c Utlösningsprincipen tör undermagnetise-ringsskydd RAGPC

Skyddet består av ett riktat strömrelä RXPE 40 meden funktionskarakteristik som är i stort sett oberoen-de av den polariserande spänningen. Dess funk-tionsgräns ställs nqrmalt nära den termiska kapaci- Fig. 18 Funktionskarakteristik för MGPC

tetskurvan för en undenTlagnetiserad generator. Förgeneratorer med negativ VAr-begränsare ställsRXPE-relät så att det fungerar som en reserv fÖrunder magnetiseringsbegränsaren. Funktionsgrän-sen kan också sattas nära stabilitetskurvan fÖr engenerator när den går med konstant magnetisering(spänningsregulatorn ur drift).

En potentialfri kontakt på RXPE används för att gesignal när generatorn går utanfÖr den tenTliska ka-

.PClcitetskurvan eller utanför stabilitetsgränsen.

UndenTlagnetiseringsskyddet RAGPC innehållerockså ett underspänningsrelä RXEG 2 och ett över-strömsrelä RXIG 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 generatorns märkström.

FÖr ytterligare information, se Reläkatalog 803-4013.

Övermagnetiseringsskydd (för block-transformatorn)

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

tian och en tidsfördröjd funktion (3,5 s) som gersignal. Utlösningsfunktionen har inverttidkarakteristikenligt ekvationen

0.18 Kt = 0.8 + {M=1)'l"

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

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.

Inverttidkarakteristiken ger optimalt skydd mot över-magnetisering. Reläts karakteristik kan justeras atthelt motsvara en maskins kapacitetskurva. Ettexempel visas i Fig. 20.

För ytterligare information, se Reläkatalog 803-5011.

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

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

De flesta internationella normer fÖr krafttransforma-torer specificerar en gräns på max 5 % övermagne-tisering vid märklast 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 generatomsstartperiod och bortkoppling. Från rapporter i till-gänglig litteratur kan konstateras att övermagnetise-ring ofta förekommer i förhållande till antal övrigafelfall.

TidIs)

3000

1000500

200

100

50

20

105

21

.,,;

Max tillåten kont. magnetisering

Transformatorns~ vermagnetiseringS- ~ kurva

~-~

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 märkfrekvens. Därför kanöverspänningsreJäer ej användas för att skyddablocktransformatorn mot övermagnetisering. Denlämpligaste metoden för skydd mot övermagnetise-ring är att använda ett relä som mäter förhållandetmellan spänning och frekvens (V/Hz relä).

100 110 120 130 140 150Magnetisering 1%1

FIg. 20 Exempel på inställning av RA.TUB

RA TUB innehåller ett mätelement som korrekt mäterförhållandet V/Hz inom frekvensområdet 2-75 Hz.Nivådetektom har ett inställningsområde mellan 1.5och 3 V 1Hz. Skyddet har både en momentan funk-

100. '-5040.30 -

20-

K = 63K = 50K=40K = 30

K = 20

!:~;:::;;~::I~~:;::::::~=:

",I

;

~~ ;:::::=:=

~

10K: 10

5I.32

\::::=t:::~

=-

E:~:

K = 5

;::'~=I'

" -Ir

!~::::::::== -

~r~===

K: 1

1

M= JUL(u/f)start

1,4 1,51,1 1,2 1,31.0

Ag. 19 Funktionskarakteristik för över magnetise-ringsskydd RA TUB

,

.=:= """=:::::::: r

Överspänningsskydd

Under uppstart aven generator erhålls rätt kJäm-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 avkJämspänni.l:1gen så länge maskinen är inkopplad tillsystemet. Okning av fältmagnetiseringen t ex p g aett fel i spänningsregulatorn, ökar det reaktiva effekt-uttaget, vilket leder till utlösning av maskinen genomimpedansrelät eller V/Hz-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.

ka maximalspänningsreläer RXEG 21, med skala80-240 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.

För ytterligare information, se Reläkataiog 803-2535.

Undemekvensskydd

Underfrekvensskyddet är ett skydd för olika appara-ter som, i händelse av störningar, kan separerasfrån övriga 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 itig. 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 hosturbinregulatorn .

Om generatoms brytare utlöses när maskinen gårmed full last och med normal effektfaktor begränsasökningen av klämspänningen normalt aven snab-breglerande spänningsregulator. Om emellertid re-gulatom är felaktig eller generatom är kopplad fÖrhandregleling 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 spänningshöjning av 50-100%erhållas under ogynnsamma förhållanden. Modernablocktransformatorer med högre magnetiserings-egenskaper har en relativt skarp och väJdefinieradmagnetiselingskurva med en knäpunktspänningmellan 1,2 och 1,25 ggr märkspänningen (Un). Enlämplig inställning av överspänningsrelät är därfÖrmellan 1,15 och 1,2 ggr Un och med en tidsfÖrdröj-ning av 1-3s.

FIQ. 21 Frekvensgränser tör en ångturbin

Underfrekvensskyddet tör generatorer som visas iAg. 22 innehåller ett statiskt frekvensreJä typRXFE 4 med skalan 44-50 Hz (53-6() Hz) ochett tid relä typ RXKF 1 med tidskalan 0,2 -2 s eller2-30 s. Funktionstiden tör RXFE-relät är 120-140 ms och återgångsvärdet är 100.2 %. Ett låg-passfilter gör relät okänsligt tör övertoner i mätspän-ningen.

Ett momentant högt ställt spänningsrelä !<an inklu-deras för att snabbt lösa ut generatorn i händelse avhöga överspänningar vid bortfall av last och högtvarvtal på generatorn.

ö-terspänningsskyddet innehåller ett eller två statis- För ytterligare information. se Reläkatalog 803-2910.

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 igeneratorn och primäraggregatet, börjar generatornatt arbeta som en synkronkompensator som tarden nödvändiga aktiva effekten från nätet.

För de största turbomaskinema där bakeffekten kanvara väsentligt mindre än 1 % används ofta ett bak-effektskydd med ett effekt-relä, som normalt löser utmaskinen när den aktiva uteffekten är mindre än1 % av märkeffekten.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 strämrelä RXPE 40 och ett statiskt tid-relä RXKF 1 med skala 2-30 s. Riktrelät mäter pro-dukten I x Gos!p där !p = 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 strömtransformatorer.

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

Dieselmaskiner kan skadas p g a otillräcklig smörj-ning.

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.

Generatoms 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.

Effektförbrukningen i strömkretsen är 0,08 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 :t 0,40vid lägsta inställning och spänning lika med märk-spänning, samt den låga effektfÖrbrukningen iströmkretsen kan relät ställas på ett funktionsvärdeav 0,5 % av generatorns märktast.

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.

RXPE-relät väljs med tidkurva 1.

För ytterligare information, se Reläkatalog 803-3020.

UTL9SN-{RELA

Fig. 23 Bakeffektskydd med ett tidssteg

L1 (R) ---L2{S) ---L3(T) ---

r--I rT-II-=-

..J II

-_J

t , f t ""tr ri~

I I I I II I I I I

f:"\ ~"".ALJ~ ~

-101

r~A-~~.

__~~A-cj!~~~

108 10A.

,-III

~

-u

~~

Ag. 24 Bakeffektskydd anslutet till V-koppladespänningstransformatorer

)

Lagerströmsskydd

En inducerad emk uppträder i generatoraxeln p.g.a.magnetiska ojämlikheter i rotorfältet. Denna emk in-nehåller normalt en stor del övertoner. Både våg-form och amplitud beror på typ och storlek på ge-neratorn 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 förvattenkraftgeneratorer.

Om lagerbockama på varje sida av generatorn ärjordade kommer emk:n 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.

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

Principschema för lagersträmsskydd PARIG visas iRg. 25. Lagerströmstransformatorn (1) omsluteraxeln vilken då motsvarar primärlindningen. Sekun-därlindningen (2) är kopplad till ett strämrelä RXlK 1med extremt låg effektförbrukning och skalområdet0,5-2 mA. Ttdrelät 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 kunnaprova skyddet.

För ytterligare information, se reläkatalog 803-4016.

Skydd mot obefogad magnetisering avengenerator

Trots olika blockerande system har ett antal genera-torer blivit 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 för-hållande till nätet och kan därmed dra upp till fyraggr mär1<strömmen från nätet, beroende på nätetskäl! impedans. Generatorns kläm spänning kan vari-era från 20- 70 % av mär1<spänning, återigen bero-ende på nätets källimpedans. Högre värden på ma-skinens ström och spänning (3-4 ggr mär1<strömoch 50 % till 70 % av mär1<spänning) kan förväntasom generatorn är ansluten till ett starkt nät. Lägreström och spänningsvärden (1 -2 ggr märkströmrespektive 20-40 % av märkspänning) är repre-sentativt för svagare nät.

Eftersom generatom uppträder som en asynkron-motor vid trefas magnetisering uppträder ocksåhögre strömmar i rotorlindningen under acceleratio-nen. Normalt tål rotorn 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 generatorn 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.

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

.SEA RELAYS Generatorskydd A03-0211Sda19

D

FIg. 25 Lagerströmsskydd RARIC

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

Strömreläerna RXlB 2 är mycket snabba. funktions-tid ca 4 ms. De går alltså till om man obefogatsluterbrytaren och spänningsreläerna ligger omagnetise-rade vilket är fallet när generatom ej är i drift.

Signal relät, RXSF 1, pas 331, fungerar och flaggarom spänningen till ett av underspänningsreläernaRXEG försvinner.

För ytterligare-.ir:\formation, se Reläkatalog 8()3-4017.

Speciella reläskyddför pumpkraftverk

Känsligt generatordifferentialskydd

Funktionskarakteristiken för ett trefas känsligt diffe-rentialrelä visas i Ag. 27. Relät kopplas in parallelltmed det normala differential relät RADHA ellerRADSG. Med det extremt låga funktionsvärdet ärrelät ej stabilt vid yttre fel och mättade strömtrans-formator. Skyddet blockeras därför när maskinenkommit upp till 00-00 % av märkvarvtalet (märkfre-kvensen). Vid dessa frekvenser fungerar de normaladifferentialskydd en RADHA och RADSG.

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 fÖrsträrntransformatorn och därmed överströmstaletminskar med lägre frekvens. Standard statiskareläer med ingångstransformator har en begränsadspänningsupptagning vid låga frekvenser.

Det är praxis hos ASEA att inkludera speciellastatorjordfelsskydd och kortslutningsskydd för atttäcka in fel under uppstarten.

ASEA RELAYS Generatorskydd A03-0211Sda 20

Kortslutningsskydd vid låga frekvenser

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

Den mätande enheten i detta lågfrekvensskydd be-står av strämrelä typ RXlK 1 med ett separat RC-filter på ingången.

För ytterligare information, se Reläkatalog 803-2031.

Högsta inställning

Känsligt statorjordfelsskyddu

Ett enfas överspänningsrelä med funktionskarak- (VIteristik enligt Ag. 27 används som stato~ordfels- 16 .

skydd under uppstart. Tidrelät RXKF 1 har tidskalan -11, .

0.2-3 S. 12

10.Skyddet är parallellkopplat med 95 % stator jord- 8felsskyddet. .

6

1, .

2 .

Lägsta inställning

IIAJ.8 .1.6.5.lo.3.

Z.

1-

, , -10 20 30 1.0 50 60 flHz)

Ag. 28 Funktionskarakteristik för kortslutnings-skydd vid uppstart Oåga frekvenser)

Lägsta inställning

~

10 20 30 40 50 60 flHz!

Funktionskarakteristik för känsligt differen-tialrelä vid uppstart

Övervakningsutrustning

Varvtalsövervakning

Standardvarianten har fyra mätkretsar vilka kan jus-"teras att fungera vid fyra olika varvtal inom ett områ-de från 0,5 till 200 % av märkvarvtalet.

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 instrument kan anslutas för att registrera ochindikera varvtalet (pas 6 i Rg. 29)

För ytterligare information, se Reläkatalog 803-8321 och Katalog RK 87 -10.

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

Avbrott i en givarkrets indikeras aven gul iysdiodvarvid också funktionen för den mätpunkten bloc-keras och en signal erhålls via ett inbyggt relä, ge-mensam för hela systemet.

För ytterligare information. se Reläkatalog 803-8330 och Information RK 84-11.

1 .Axel med tandhjul2. Induktiv givare3. T achorretergenerator4 Isoier1ransformator

RXTTA15 Omvandiarenhet

Ra.JA 0406 Instrument (mA-

meter)7 Mätenhet RONA 041

med en lågv~vaktoch en r()ImaJvakt

8. Mätenhet Ra.JA 042med två vakter(normawakter)

Principschema för varvtalsövervaknings-utrustning RAGNA

Temperaturövervakningssystem

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

Temperaturövervakningssystem RA.NVB finns i tvåvarianter för max 10 eller max 22 punkter. Normaltanvänds motståndselement Pt 1 00 (Platina 1 00ohm). En eller två mätkretsar kan kopplas till sam-

.ma motståndselement. Standard mätområde är0-1 SOOC.

ASEA RELAYS Generatorskydd A03-0211Sda21

x

y ÖVervakningsenhet:RQVB 040

1 Omkopplare för koppling mellan

driflläge och provläge (simulering)2 Mätförstärkare

3 Nivådetektor (inställbart

funktionsvärde)4 Drivsteg fÖr utgångsre~

5 Utgångsre~6 Nivådetektor (fast funktionsvärde)7 Nivådetektor (fast funktionsvärde)

8 Lysdioder (LED)a) röd = funktionb) gul = öppen krets

g Re~ fÖr kvittering1 O Relä för signal11 T ryckkr18pp fÖr inkoppling av

instrument12 Transformator

13 Ukriktare14 Stabiliseringskrels

Z Gemensam enhet RQMD 160

1 Simuleringsresistans

2 Mätförstärkare fä- instrument

3 Instrument4 T ryckkr18pp för avställning av

indikering när temperaturen sjunkit5 Utgångsrelä för givaravbrott

(öppen krets) och

hjälpspänn ingsövervakn ing6 Transformator7 Ukriktare8 Växelriktare9 Transformator1 O Uttag fÖr en extem

simuleringsresistans11 Uttag för simuleringsmotstånd Z1

x [IJ-~=~

,~1ie~o- ~~~~isenhet 1 ,~- iGivare 1A -r ~ I

/.1 3 ,I r> J' J 2 [> 1.111)~J

L J

l 6

-00---/3 U

sffiJI]l .~ -E Il ~ J

I ~GivarelBf'

.=fi~l : t- jL.- Öv~~kn~~e~i-';- J iI ~r--r -,- II Ir;-i I + ,.- -++ I..I '{ r--t-~_J..- I 11L_oj +-. ..-LJ.-t I

r I I'---ö-;:;V~~~S~h~-;-::; '~-t I :

I I- t++I I

_L._.l

:'[tlL_,J r

)

'"--

Ilorzov"" I

~ZO:~LOV --1SO-60Hz I

~'V-

r-Öl :I~t-r'I-~-I I I IK"~-I-I--' -

L~ L+- -

'--'--- --~'i60.Ge~~am enhet

--1(90 bI ~I 6 7 8 9

---m~]ZJT~L~J1J ~ ~5 .

L z ---~J !.~.- ~

Ag. 30 Principschema tör temperaturövervak-ningsutrustning RANVB

Reläskyddssystem

Antal och typ av reläer som bör ingå i reläskyddenför en generator beror på stor1ek på generatom ochdess betydelse i nätet och också på systemupp-byggnaden. Därför bör tabell 2 och 3 endast ansessom en allmän rekommendation.

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

I Rg. 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 (subarna) iskilda reläskåp.

T abe" 2: Reläskydd för en vattenkraftgenerator

~

11 För generatorer < 250 MVA momentant + tidsfördröjt

211 applikationer med risk för osymmetrisk last31 För generatorer> 1 O MV A41 Beror på nätet och turbinregulatorns karakteristik, se underfrekvensskydd sid 1651 För generatorer med Kaplan turbiner eller rörturbiner61 För generatorer med släpringar i fältkretsen

Tabell 3: Reläskydd för turbogeneratorer

Typ och storlekLuftkyld i Vätgas-

kyldVätgas eller"'

vattenkyldRelä

i5-20MVA I~MVA jro:.,-ooMVA l1ro--300MV.AJm-1500MVA

)

iv.~

.

1~~~~:;eI -;:- ':,

HotoriordfelGenerat<X" diffskvdd..; ,..

BkJCk diffSkvddl

IlJnderimpedansskydd ,

Ilermiskt överlastskvdd -statcm

I.r~i~~. ~t~Q = rolOOlM rus f ölidsstränsskydd

U~Ii~skvdd

I OIerm~tiserinQSSkydd OJerspännn.<;lsskydd,

laQerstränsskvddlUnderfrekva1sskydd ..i

l3akeffeklskvdd ;1!LJöd-maskin skydd I

!Varvtal~inQSSVStemr errr:Jefaturövervakn~tem

II i. 'Qh~n";-'.or\",kninnQQk\KVi ", ~ 51 "'

usbå -"- ~~ -"~;n ", ~ 51 '", ~~"~VON"..,,SS.,y~. O"

l) KOlislutningsskydd för generatorer med roterande matare eller äldre Is-matare dvs maskiner med fält och I

spänningår sOm ej matas från generatoms klämmor21 För generatorer < 250 MIlA momentant + tidsfördröjning31 I applikationer med stor risk för osymmetrisk last41 Beror på nätet och turbin-regulatorns karakteristik, se underfrekvensskydd sid 1651 För generatorer med släpringar i fältkretsen

"'Vattenkyld stator-vätgaskyld rotor

IASEA RELAYS Generatorskydd' A03-0211

SkJa 23

Id'l

====$>--l

I

(

G...

:1

~) ~-'

t1

(

(

L-

.-J

Ag. 31 Reläskydd för en medelstor generator

11 21

Sub2

I5I!b 1 .--I

-T- .

11 TILL TRANSFORI1ATOR-DIfFERENTIALSKYOO

21 TILL OIFFERENTIALSKYOOET FÖRGENERATOR-TRANSFORI1ATORENHETEN

3) INSTRUMENT

:--$-

-I--.

=~~

-

~

I ÖVERHAGNETISERINGS-ISKYOO ~

.(

-f-0--rI (

r~

~

-ROtIJIUNOH II(;ÖVERLAST

'-

G'""

~ t=:

~~

(

,)

-

,

,-IlAGERSTRÖHSSKYDD ~

l (

BAKEFFEKTSKYDD

'--

L-

(] )

-Fig. 32 Reläskydd tör en stor turbogenerator

11 21 11 TILL DIFFERENTIALSKYDDET FÖRGENERATOR-TRANSFORMATOR ENHETEN

21 TILL TRANSfORMATORDlffERENTIALSKYOD

:1)

-=-

Ag. 33 Retäskydd för en stor vattenkraftgenerator

)