Wartości składowej przeciwnej prądu w generatorach synchronicznych podczas niesymetrycznych zakłóceń zewnętrznych

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ELEKTRYKA z. 85

_______ 1983 Kr kol. 75ł

Bolesław BRONIEWSKI

Biuro Projektów Górniczych, Katowice Wilibald WINKLER

WARTOŚCI SKŁADOWEJ PRZECIWNEJ PRĄDU W GENERATORACH SYNCHRONICZNYCH PODCZAS NIESYMETRYCZNYCH ZAKŁÓCEŃ ZEWNĘTRZNYCH

Streszczenie. Dokonano analizy kształtowania się względnej war- tości składowej symetrycznej przeciwnej prądu płynącego w uzwojeniu stojana generatorów synchronicznych pracujących w układach bloko

wych podczas zakłóceń niesymetrycznych występujących poza blokiem.

Analizę przeprowadzono dla kilku typowych bloków energetycznych du

żej mocy krajowego systemu elektroenergetycznego. Wyniki mogą sta

nowić podstawę właściwej oceny zagrożenia generatorów i prawidłowe

go doboru wartości rozruchowych zabezpieczeń od asymetrii prądowej krajowych generatorów synchronicznych.

1. Wstęp

Wzrost mocy znamionowej generatorów synchronicznych i związane z tym zmiany konstrukcyjne oraz technologiczne spowodowały ponowne zaintereso

wanie i nieco inne niż dotychczas spojrzenie na rolę i zadanie jednego z rezerwowych zabezpieczeń elektroenergetycznych generatorów, jakim jest zabezpieczenie od asymetrii prądowej [1, 2, 3]. Ze względu na cieplne, me

chaniczne, a także elektryczne zagrożenie wirnika w wyniku indukowania się w nim prądów o podwójnej częstotliwości w następstwie występowania w uzwo

jeniu stojana składowej przeciwnej prądu czas pracy asymetrycznej genera

tora Jest ograniczony tym bardziej, im większa jest moc znamionowa danego generatora. Przyczyną asymetrii prądowej są zwarcia niesymetryczne oraz praca niepełnofazowa, stąd też dla właściwej oceny zagrożenia generatorów Jak i prawidłowego doboru wartości rozruchowych zabezpieczeń od asymetrii prądowej istnieje potrzeba wyznaczenia względnej wartości składowej syme

trycznej przeciwnej w prądzie stojana generatorów synchronicznych podczas tych zakłóceń. Analizę ilościową przeprowadzono dla kilku typowych bloków energetycznych krajowego systemu elektroenergetycznego.

(2)

20 B. Broniewski, W. Winkler 2. Równanie opisujące składową symetryczna przeciwna prądu

w punlccle zabezpieczeniowym podczas typowych zakłóceń niesymetrycznych

Podstawą analizy jest układ elektroenergetyczny przedstawiony na rys.

1, złożony z bloku generator-transformator oraz linii elektroenergetycz

nej łączącej blok z systemem elektroenergetycznym. Założono, że punkt gwia

zdowy transformatora jest bezpośrednio uziemiony, natomiast system elek

troenergetyczny (SE) może pracować zarówno z izolowanym, jak i bezpośred

nio uziemionym punktem zerowym. Punkt przekaźnikowy P pomiędzy generato

rem G a transformatorem T jest miejscem, przez które przepływa prąd składowej symetrycznej przeciwnej podczas zakłóceń w punkcie K, położonym na linii elektroenergetycznej L, którego wartość ma zostać wyznaczona.

Wychodząc ze znanych zależności pomiędzy prądami oraz napięciami fazo

wymi a ich składowymi symetrycznymi w miejscu zakłócenia wyprowadzono rów

nania opisujące składową symetryczną przeciwną w punkcie przekaźnikowym.

W tablicy 1 zestawiono otrzymane wyrażenia pozwalające obliczyć składową symetryczną przeciwną prądu dla różnych zakłóceń niesymetrycznych i dwóch wariantów pracy punktu zerowego SE. Dla objaśnienia przyjętych w tablicy 1 oznaczeń podano na rys. 2 przykładowo schemat zastępczy obwodów zakłó

ceniowych odpowiadających pracy niepełnofazowej w wyniku przerwy w fazie A. Inne oznaczenia są następujące:

(ilG + I n + ^1—1L^ ^2—1L + aŁlS*

- 1 = lis + W * *1L ( ’

_ 2G * — 2T

*

K 1^2Ł} (K2-2I

+ ah s ] (2)

“ 2 -2G + — 2T — 2L + a— 2S

(Z _ + K.Z -)(K„Z - + aZ ,)

ł

(3)

Wzoryumożliwiająceobliczenieskładowejprzeciwnejprądu w uzwojeniustojanageneratorówsynchronicznych

Wartości składowej przeciwnej prądu*»

21

p

PP-

CD C

£

O

p . - ca

aN O>>

+>u

s

©

COM

>>

c03

£o

8

0>

'CDg O

p .N >»

>» n

£ 3o

p©

c

©o Ma N

•OO

1 0)

©ł

•HN ta

3 3

O o

•H ■H

C B

•O *o

p O CM P O

'« i tao '© tłO

o © O ©

P * £ 4 ~ P * £

N o + ta o

N SN >3| SN + ta

p O H l - r t + T-9 ^ CM 3

M 3 o CM 1 1 M 3

T3 4» SN © CM © •O +»

a .4 • n W“ * 1 « M

P . c 1 4 CM —W ^-■a + p . B

k s © + M | —fe 5 r - ►> 3

(9 P . EH * O M | —^ ta P

P CM CM & l + » T~ P

P . O M l sa + „ w— N p . o

U ) - 0 + CM M | + UD

£ © M | O - w— £ ©

c CM * r i l N B

M o » 1 M | w— M O

B as B

r c

+

__ , M ?

»-a o m f

o CM o

o k| SN 1 CM

SN T— f - j s>

f~9

| 4

+ "h 3 1

© +

CM a

O EH

CM CM

>3| .__ _ S J|

H i O * 1 ^x~ ~ 9 +

CM SN + O 4 M l

S J| ■*"» C!> O + + ? 9

1 CM SN EH ** 9 S J |

4 ©

3 * •*"» CM M | + - O

+ 1 sa l - o M

EH (W © + <a t* T -CM

CM

? ' 3 £ t j y

e>

¥

+•CM O

OSN M |

+

CM ci> T -

c £ i

+ •ł”9

CM & l s * » 1 •CM 1 ' O

H | O « M |

o S j| M — w

—* S I + 1 —a - ę M |

CM 4-1 CM C r- M |

CS3| CM ^ 1 S J| +

+ M | + + « 1

T“ T“ • r - 1 - CM

* 1m * ¡*1a / s i l s > M |

N ~ l

t r t r

•H I

1 s ?■l

>> © ©

£ •h ta

ta p

£ « < P *

ta

O O « © a r

w m « £ -H © B

£ O M £ ©

* £ ta mV I ta ta

3 O © *< V I © o

a ta V t o £ V l o

0 © o ►> B O B

V I V B ta E T3

9 T3 © © £ "O © ©

£ £ © V I P - P © f * .H

•O •o © © ta

a r a r ■H ta ta ©

0 © -H © -H B P © V i

•H •H B •H E P - •H C

O O © O © © o -r-a

■4 P *H P -H O 3 P >? ©

CO © N © ta © M © ta+>

£ £ £ P -H £ .©

CSJ M N S J ta P i B N V | £

(4)

22 B. Broniewski. W. Winkler

Z iG O,’ ZiT 2i 3-1 rvi n 3i” K2Z-IL “ --«S

rrv>--- —| | «.- «-- 1 I—rm ---

----ry-Y^ ,. ____f l--- ► — <:

)ę’

—

(

Z - 2 G Z z t 3 2 Ki^ 2 L

m

A U2

» — <

n 3 ” ^ Z z l ~ Z 2 S

Z o G — O T 3 a K i?ol _ --- orv>--- r»^n--- ---- j---- {_____

aUo

— C

n 3 0 ’’'jl-ol a — o s

Rys. 2. Schemat zastępczy obwodów dla składowych symetrycznych w przypad

ku pracy niepełnofazowej (przerwa w fazie A)

(5)

Wartości składowej przeciwnej prądu..« 23

9 (7)

* = h h * + h)' ⁽^{8 )}

przy czym i K2 są to tzw. współczynniki lokalizacji miejsca zwarcia określające dla linii AB odległości odpowiednio od stacji A do miejsca zakłócenia K lub od stacji B do punktu K.

3. Analiza ilościowa

Analizę kształtowania się względnej wartości składowej przeciwnej prą

du w uzwojeniu stojana generatorów przeprowadzono dla kilku największych bloków energetycznych generator-transformator, pracujących w krajowym sy

stemie elektroenergetycznym.

W tablicy 2 zestawiono wartości parametrów elementów układu elektroener

getycznego dla różnych wariantów współpracy typowych krajowych generato

rów z transformatorami blokowymi o różnych napięciach po stronie SE i li- miach elektroenergetycznych, których maksymalne długości podano w ostat- iniej rubryce. Obliczenia przeprowadzono dla największych dopuszczalnych ]poziomów mocy zwarciowej SE, które wynoszą: 5, 25 i 40 GV*A, odpowiednio cdla napięć 110, 220, 400 kV; założono ponadto, że XqS = 0,8 X 1S.

Na rys. 3a przedstawiono przebieg względnych wartości składowej prze- cciwnej prądu płynącego w uzwojeniu generatora współpracującego według wa- irlantu 1A (por. tabl. 2) z SE bezpośrednia uziemionym, w zależności od ppołożenia punktu zakłóceniowego K na linii elektroenergetycznej. Analo- ggiczne przebiegi dla przypadku, gdy SE pracuje z izolowanym punktem zero- wwym, podaje rys. 3b.

Z porównania otrzymanych charakterystyk wynika, że największa wartość II-J/IjjG występuje podczas zwarcia dwufazowego, najmniejsza natomiast w p przypadku pracy niepełnofazowej wywołanej przerwą w jednej fazie. W tym ddrugim przypadku względna wartość składowej przeciwnej prądu jest stała, nniezależna od miejsca lokalizacji zakłócenia. Tego rodzaju charakterysty- kki zostały wyznaczone dla pozostałych wariantów pracy bloków, dla których wmartości I2^InG kształtowały się podobnie, z tą jedynie różnicą, że dla bbloków o większej mocy, współpracujących z SE z izolowanym punktem zero- wyym, najmniejsze wartości występują dla niektórych zwarć jednofazowych.

Na rys. 4a przedstawiono względną wartość składowej przeciwnej prądu pcpodczas zwarcia dwufazowego dla wszystkich rozpatrzonych wariantów pracy btoloków zawartych w tabl. 2, natomiast rys. 4b ilustruje zmiany tej skła- dcdowej dla najczęściej występującego w analizowanych systemach zwarcia jed- nonofazowego przy bezpośrednio uziemionym punkcie zerowym SE.

(6)

B« Broniewskif W. Winkler

CO

Eh

o P

CO e fn O

*H CO c 03 P

U O P

cn U 0»

c

(U dD.c

O

£ !»

*oc

3d N

oO .0 p

0) 33 di)

o

!» ©cC 03 CO

» o

O u N P

•H3d H 0>

CO rH C <0 CO

■H

•H*H -*-> C O -H C H cO P N 3d CO

01 U 0) O p

•H O 'CD O P

CO

£ O)

•oc

0^ H

tli) N

*

X

§ 1 H

100 100 220 220 o

o

*«d-

UN

er» CTs UN UN C-

O O' o> CM CM o

X

0) o O O O o

c KN KN UN

•H CsJ KN KN CO CO CM

Hł X KN KN o o O

II • •>

O O o o O

«

—*

3d O O o o O

w* T- *— CM CM o

C T— ■r- CM CM

S3

KN c- ON ON

EH CM o r — f- c—

O • »

X VO UN CM CM

KN er» CO CO CO

Eh kn r- O CM CM

U CM a, • • • •»

O X f- ^d- VO KN KN

p CO E

p Eh KN cr» CO 00 CO

O T“ KN c- o CM CM

«H X * * • • •

03

c ** »x> KN KN

CO

P O

EH T—

o o

\ T— CM

o T— CM O O

p. o \ \ CM O

>> o O O CM

¿H o o o \ \

C£ o o O O

t— o o O O

1 o o

X CM CM \ D vfi

EH Sr CM CM

0 ¿ EH Eh ^d- •«d-

CM CM UN UN

tí) KN CO CO KN KN

O • « m « »

X 40 KN KN CM CM

vD ON O' C- C'

tí) \ o T- y— CD en

CM •t •»

Pi X CM O O UN UN

4»O

r_

^T^— ^T-

CO C a M

<0 tí» KN ON ON t*“ C'

c KN CO en

40 x~ • • » • •

O o> co CO UN UN

CM CM

1 1 O O

O O O vO vO

p. CM o o KN KN

p

T”

1

CM 1

1 g

1

X P & fcÄ

tí) £ p EH EH

EH EH EH tí) o

pc

co <! m < «

00 -H CM CM KN KN

•

Ot CM KN UN

(7)

i I__ ,____ ,____ .____ ,---- ,---- ,---,---- )---- ,---1 O 4 40 20 30 40 50 60 70 80 90 "<O0

Rys. 3. Względne wartości składowej przeciwnej prądu dla bloku 1A przy różnych zakłóceniach

a) bezpośrednio uziemiony punkt zerowy SE Oznaczenia: XAK - reaktancja indukcyjna odcinka linii między punktem A i K (por. rys. 1); X0 - reaktancja indukcyjna bloku generator - transformator;

1-f - zwarcie jednofazowe z ziemią; 2-f - zwarcie dwufazowe; 2-fz - zwar

cie dwufazowe z ziemią; p - przerwa w jednej fazie; p+1-f - zwarcie jed

nofazowe z jednoczesną przerwą w fazie zwartej

(8)

Rys. 3. Względne wartości składowej przeciwnej prądu dla bloku 1A przy różnych zakłóceniach

b) izolowany punkt zerowy SE Oznaczenia: jak na rys. 3a

(9)

Wartości składowej przeciwnej prądu..» 27

Rys. 4. Względne wartości składowej przeciwnej prądu podczas zewnętrznego zwarcia dwufazowego (a) i jednofazowego (b) dla analizowanych bloków

(10)

Rys. 5. Maksymalne wartości J^/^nG kraiowych bloków generator-transformator podczas zwarć po stronie GN transformatora

Maksymalne wartości składowej symetrycznej w punkcie zabezpieczeniowym P (por. rys. 1) w przypadku zewnętrznych zwarć niesymetrycznych występu

ją zgodnie z oczekiwaniem wtedy, gdy punkt zwarciowy K jest położony bez

pośrednio na zaciskach GN transformatora blokowego. Na rys. 5 zestawiono maksymalne wartości I g ^ n G w talcich warunte ch dla wszystkich analizowa

nych wariantów pracy bloków; dodatkowo podano również wartości składowej symetrycznej przeciwnej podczas pracy niepełnofazowej, która - jak wspom

niano - jest niezależna od położenia miejsca zakłócenia na linii elektro

energetycznej. Kolejność przedstawionych wartości, odpowiadająca określo

nemu wariantowi, jest dla wszystkich rodzajów zakłóceń taka jak to objaś

niono dla zwarcia dwufazowego.

(11)

Wartości składowej przeciwnej prądu«.

4. Zakończenie

29

Przeprowadzona analiza jakościowa i ilościowa wykazała, że dla krajo- uych bloków generator-transformator względne wartości składowej przeciw

nej w uzwojeniu generatora podczas niesymetrycznych zakłóceń po stronie górnego napięcia transformatora blokowego są największe dla dwufazowych zwarć bez udziału ziemi i wynoszą 2,4 f 3,25. Hatomlast najmniejsze war

tości występują podczas przerwy w jednej fazie i są rzędu 0,2-fO,4. Zakres zmian dla różnych bloków w przypadku tego samego zakłócenia jest niewiel

ki, co ilustruje rys. 5.

LITERATURA

[1] Arnold J.J.s The protection of generators against negative sequence current. IEE Conference Proceedings "Developments in Power System Pro

tection", London, 1975, ss. 50-56.

[2] Barret S., Heullard M., Coustexe P.: Stresses on turbo-alternators under unbalanced conditions - CIGRE, Paryż 1970, Raport 11-11.

[51 Brown P.G.: Generator l|t requirements for system faults. IEEE Paper

T 73-045-2. 2

[4] Kołek W.: Praca turbogeneratora w układzie elektroenergetycznym. PWT, Warszawa 1955.

Recenzent: prof, dr inż. Władysław Latek

Wpłynęło do redakcji dnia 24.VII.1982 r.

3HA9 EHHH COCTABJIH IGHH X O B P A T H O ił n O C Jffi^ O B A T E JIb H O C T H TO K A B CHHXPOHHHX rE H E P A T O P A X IIP H BHEfflHHX H ECH M M ETPH U ECKH X C BO H X

P e 3 10^{M e}

IIposegeH awaJiH3 yjesszoro 3ia<teHaa CHMMeTpzuecKoft coeTaBXJuomeft odpaxnoK nocseAOBaiejtbHoeTH ioxa Texymero b oÓMotxe ctaiopa c h h x p o h h h x reHepaTopoB, padoianmzx b Ojioxe reHe palop-TpaHc<6op»«aiop npz b h k d h k x HecHMueTpHwecxzx oioax. AnaJiHB npoBeflóH ax* t h u h w h u x Sjiokob reHepaiop-ipaacifiopuaTop Oojibno»

KoąHoctH, PeayzbiaiH HccjiepioBaRHii nory* 6h t l o c k o b oR a x h oueHKH HajexHocTH pafiotH reHepaxopOB h npaBHJibHoro Btidopa 3HaveHHR Toxa cpaOaTuBanna pejie ot

KoaippHnjieHia HecxuueTpxH toxa c h h x p o h h h x reHepaiopoB.

(12)

THE VALUES OP NEGATIV SEQUENCE CURRENT IN SYNCHRONOUS SEN: ATORS DURING UNSYWCETRICAL EXTERNAL FAULTS

S u n a & r y

A quantitative analysis of relative values of negative sequence phase current in the stator winding of synchronous generator connected via a delta-star transformer with the power system during unbalanced conditions due to different system faults is presented. The analysis has been per

formed for large typical generator-transformer units operating in the do

mestic power system. The obtained results can be used for proper estima

tions of the generator emergency and or the correct choice of operating value of negative sequence protection.