بررسی عملکرد کاذب رله دیفرانسیل ژنراتور نیروگاه ...

های قدرتو اتوماسیون در سیستمکنفرانس حفاظت یازدهمین دانشگاه علم و صنعت ایران

5921دی ماه 82و 82

نیروگاه پتروشیمی فجر بررسی عملکرد کاذب رله دیفرانسیل ژنراتور

3 ، رحیم قاسمی2 ، مهدی شفیعی1مسعود قیطولی

شرکت برق منطقه ای غربرلیاژ کارشناس ارشد [email protected]

2رئیس بهره برداری نیروگاه پتروشیمی فجر 2

[email protected]

کارشناسی ارشد دفتر فنی پتروشیمی فجر[email protected]

دهکیچ

حفاظت الکتریکی ژنراتورها توسط چند حفاظت مختلف ژنراتورها می باشند. فشار قویاز پر اهمیت ترین تجهیزات در شبکه های

اعم از دیفرانسیل، خطای زمین، کاهش امپدانس صورت می گیرد.در این میان حفاظت دیفرانسیل ژنراتور وظیفه اصلی محافظت از

ر عهده دارد.پایداری حفاظت مذکور در زمان بروز خطاهای خارج از سیم پیچ ژنراتور ازاهمیت باالیی سیم پیچ های استاتور ژنراتور را ب

و اتصال آنها به ها در اثر برقداری ترانس ها و یا سنکرون شدن سایر ژنراتورها ابروز گذر ،برخوردار است. عالوه بر خطا های خارجی

در این مقاله علت عملکرد کاذب رله دیفرانسیل حت تاثیر قرار دهد.نراتور را تپایداری حفاظت دیفرانسیل ژمی تواند شبکه نیز

شده و راهکارهای پیشنهادی جهت جلوگیری از تکرار حوادث مشابه ارائه می شود.بررسی فجر ژنراتورهای نیروگاه پتروشیمی

یدیلکلمات ک

،عملکرد کاذبرله دیفرانسیل ،ژ نراتور ،نیروگاه

مقدمه -1

بر اساس گزارش ارائه شده توسط واحد بهره برداری نیروگاه پتروشیمی فجر،

132ترانس های قدرت پست پایین دست از طریق باس هنگام برقدار کردن

رمتصل به شبکه در نیروگاه پتروشیمی فج یکیلو ولت پتروشیمی، ژنراتورها

با عملکرد رله دیفرانسیل ژنراتور بطور خودکار خارج می شوند. با توجه یک

که REG216به انجام تستهای الزم بر روی رله دیفرانسیل ژنراتورکه ازتیپ

، ]11[می باشد ABBهای معروف و معتبر متعلق به شرکت سازنده از برند

سالمت رله مذکور و مدارات ارتباطی را تایید و واحد بهره برداری صحت

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

مطرح و توسط کارشناسان مربوطه مورد موضوع شوده انرژی به نیروگا

های انجام شده ارائه می -که درادامه نتایج بررسی فتمطالعه دقیق قرار گر

گردد.

فرانسیل ژنراتوریساختار رله د -2

رله دیفرانسیل برای حفاظت سیم پیچ های استاتور ژنراتورهایی با قدرت از

می شود. اصول کار رله دیفرانسیل ژنراتور استفادهمگاولت آمپر 5بیشتر از

که همواره است به یک نقطه ههای واردجریان جمع جبری بر اساس قانون

می ، کمتر از حد مجاز تعیین شده بروز خطا در شرایط کار عادی و عدم

گیری -اندازه داخلی ، خطاهای ناشی از های الوه بر وجود خطاباشد. ع

رخداد خطاهای ترانسفورماتور جریانی بویژه در زمانهای اولیه توسط جریان

واند می تآنها بیشتر از شرایط عادی می باشد، خارجی که میزان جریان اولیه

آرایش 1شکل در عملکرد حفاظت دیفرانسیل را تحت تاثیر قرار دهد.

مداری حفاظت دیفرانسیل ژنراتور نشان داده شده است.

های قدرتو اتوماسیون در سیستمکنفرانس حفاظت یازدهمین دانشگاه علم و صنعت ایران

5921دی ماه 82و 82

حفاظت دیفرانسیل ژنراتور مداری آرایش : (1) شکل

و انجام بررسی های اولیه هشرح حادث -3

بر اساس گزارشات و سوابق، رله دیفرانسیل ژنراتور همزمان با حوادث زیر

ج ژنراتورها شده است.منجر به خرو ودارای عملکرد بوده

هنگام برقدار کردن ترانس های قدرت پست پایین دست از طریق باس .1

کیلو ولت پتروشیمی فجر 132

کیلوولت متصل 132هنگام اتصالی فاز به زمین در یکی از کابل های .2

کیلو ولت پتروشیمی فجر 132به باس

هت فجر جپتروشیمی شبکه الکتریکیشماتیک ساده شده از 2در شکل

ت نشان داده شده است.انجام مطالعا

نمای ساده شده شبکه پتروشیمی فجر :( 2) شکل

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

های، هنگام عبور جریانی جریانها ترانسرفتار متفاوت ژنراتور را ناشی از

فرضیه محتمل که امکان رخداد آن نیز وجود گذرا دانست. اولین خطا و

زمانی رخ خواهد ترانس های جریانی می باشد. اشباع اشباع پدیده ، دارد

ترانس های جریانی خروجی واقعی مدار BURDEN مقدار داد که

جریان اتصالی ماشین DCنباشد و یا میزان مولفه آن نامی مقدارمتناسب با

انجام بررسی مقدار باالیی باشد. ترانس جریان مغناطیسی پسماند در شارو

مجموع می دهد که شده در خصوص ژتراتور های حادثه دیده نشان

BURDEN و ترانس های جریانی ،دیفرانسیل رله محاسبه شدههای

55مقدار نامی می باشد که با توجه به ولت آمپر 2کمتراز مدارات ثانویه

دقت عمال ناچیز خواهد بود. همچنین با توجه به کالس آمپری آن ولت

با بالفصل ژنراتور و حضور ترانس ( Xترانس های جریانی )کالس دقت

می اتصال کوتاه DCمقدار مولفه کاهش ، که منجر به یدرصد 13امپدانس

شکل موج ، 3بعید بنظر می رسد. شکل ترانس های جریانی اشباع گردد،

Cفاز بر روی خطای بروز ثبت شده جریان ترمینال های ژنراتور هنگام

را نشان می دهد. در این حادثه حفاظت دیفرانسیل خروجی ترانس واحد،

ست با وجود اینکه خطا در زون حفاظتی آن نی Bژنراتور با عملکرد کاذب فاز

بعلت اینکه در تغذیه خطا نقشی Bجریان فاز 3خارج شده است. در شکل

دارای افزایش دامنه جریان Cو Aندارد افزایش پیدا نکرده است ولی فازهای

بوده است.

: شکل موج جریانهای ترمینال ژنراتور( 3) شکل

شکل موج جریان بررسی شبیه سازی حادثه مذکور جهت 5 در شکل

انجام شده است. Matlabدر نرم افزار های ژنراتور

G پست پایین دست 132KV 132شینهKV

های قدرتو اتوماسیون در سیستمکنفرانس حفاظت یازدهمین دانشگاه علم و صنعت ایران

5921دی ماه 82و 82

شبیه سازی جریان ترمینال ژنراتور در زمان نتایج : ( 4) شکل

Cبر روی فاز خطای تک فاز به زمین

و صحت سنجی آن توسط شبیه سازی 3با توجه به موج ثبت شده شکل

و اینکه عملکرد رله دیفرانسیل ناشی از فازی است که جریان آن (5شکل )

حاصل می شود استنباط در هنگام خطا افزایش پیدا نکرده است این

خالصه . بطورنمی باشدترانس جریان عملکرد رله دیفرانسیل ناشی از اشباع

دالیلی که نشان دهنده عدم اشباع ترانس جریان در زمان حوادث و عملکرد

له دیفرانسیل است عبارتند از:ر

نمی تواند در حالت اشباعترانس جریان ثانویه یک RMSمقدارالف(

بیشتر از مقدار آن در حالت سالم باشد.

Bعملکرد رله دیفرانسیل ناشی از فاز Cو Aهای فازبا افزایش جریان ب(

می باشد.

بعید اشباع ترانس های جریانی با توجه به نسبت تبدیل و کالس دقت ج(

بنظر می رسد.

مغناطیسی سرگردان شار -5

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،

های مغناطیسی پدیده جالب توجه که تئوری آن بر اساس تداخل میدان

را می توان عامل پنهان حادثه معرفی نمود. جریان باالی می باشدمطرح

عبوری از هادی های باسبار و میدان مغناطیسی تولید شده اطراف آن می

و جریان ثانویه هداهای سایر فاز ها را تحت تاثیر قرار دترانس جریان تواند

آمدن جریان دیفرانسیل خواهد را تغییر دهد، که این خود باعث بوجود آنها

سرگردان نامیده می شود. اما سئوال اینجاست کدام شارشد. این اثر پدیده

موجود بر روی ژنراتور تحت تاثیر چنین پدیده یهاترانس جریان دسته از

خروجی ترمینالنصب شده در های ترانس جریان ای قرار می گیرند؟ مسلما

هایی که در دو انتها اتصال کوتاه شده داکتبعلت اینکه در داخل ژنراتورها

ز طبق قانون لناند قرار دارند تحت تاثیر این پدیده قرار نمی گیرند. زیرا

میدان مغناطیسی خنثی شدن اثر باعث شده وجود صفحات اتصال کوتاه

الزم به ذکر است که میدان مغناطیسی ناشی از شار سرگردان می گردد و

نقطه صفر ترانس های جریاناما در اطراف ی باشد.اطراف داکت عمال صفر م

ها از جریان ترمینال و ترانس جریان داکتی وجود ندارد لذا تمام ،ژنراتور

جریان های باال بیشترین تاثیر را در سایر عبور نقطه صفر متاثر می گردند.

خواهد داشت و برآیند جریان ثانویه آنها کمترین اختالل ترانس های جریان

دان سرگر شاربعلت باال بودن دامنه جریان و پایین بودن جریان حاصل از را

که جریان کمتری از اولیه آنها می ترانس های جریانی خواهند داشت. اما در

در ثانویه آنها قابل مقایسه سرگردان مغناطیسی شارگذرد جریان حاصل از

ه چنانچه ب بوده و تاثیر گذاری آن در تغییر فاز و دامنه بیشتر خواهد بود.

مراجعه شود 3در شکل خطاجریان های رله در هنگام شکل موجثبات و

از فازی بوده است که دیفرانسیل ناشی رله عملکردمالحظه خواهد شد که

امه تحقیقات بررسی آماری حوادث مشابه در ادنقشی نداشته است. خطادر

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

REG216و از تیپ ABBحفاظت دیفرانسیل ژنراتور ساخت شرکت

حادثه مشابه رخ می توان ر این خصوصداستفاده نموده اند رخ داده است.

و 1311داده در نیروگاه کازرون در هنگام سنکرونایزینگ واحد در سال

همچنین عدم عملکرد کاذب رله دیفرانسیل ژنراتور واحدهای نیروگاه گازی

از بدو راه , 7UM با تیپ Siemensزاگرس کرمانشاه که از برند شرکت

در تمامی اشاره نمود. تا زمان تهیه این مقاله 1311اندازی واحد ها در سال

های نوترال ژنراتورها یکسان CTساختار فیزیکی وآرایش این مقایسه ها

بوده و فقط تیپ رله های حفاظتی دیفرانسیل آنها متفاوت بوده است.

های قدرتو اتوماسیون در سیستمکنفرانس حفاظت یازدهمین دانشگاه علم و صنعت ایران

5921دی ماه 82و 82

سمت ترمینال ترانس های جریانی: نحوه قرار گرفتن ( 5)شکل

مربوطههای داکت ژنراتور بهمراه

سمت نوترال ترانس های جریانی: نحوه قرار گرفتن ( 6)شکل

ژنراتور

REG216 رله دیفرانسیلالگوریتم -5

و همچنین منحنی عملکرد REG216رله دیفرانسل روابط حاکم بر 7شکل

رله را نشان می دهد.

REG216 : روابط حاکم بر رله( 7)شکل

رفته بطور مثال باال آنها جریانمقدار در فازهای که ، باال روابط با توجه به

سرگردان دامنه و فاز جریان شارهایدارند، در تغذیه خطا نقشفازهایی که

از بین نرفته و در پایداری رله IHاصلی را کمترتغییر داده لذا مقدار جریان

. اما درثانویه داشتخواهد خود راخارجی نقش مثبت زمان خطاهای در

ترانس است بطور مثال ترکمها آن اولیه که جریان یجریان های ستران

تغییرات زاویه ودامنه مربوط به فازی که در تغذیه خطا نقش ندارد جریان

این . شود IHجریانمنجر به کاهش مقداربشکلی اتفاق خواهد افتاد که

نشان داده شده است. در این شکل عملکرد رله 1مساله در شکل

دیفرانسیل بعلت بوجود آمدن مقدار باالی جریان دیفرانسیل به ازای مقدار

IHجریاناست. نکته قابل توجه در نحوه محاسبه Bدر فاز IHجریانپایین

که است در محاسبات COSΦوجود REG216در الگوریتم رله دیفرانسیل

درجه باشد مقدار 11مقدار آن در زمانی که اختالف زاویه جریانها حدود

COSΦ جریانبه صفر است که این موضوع منجر به کاهش نزدیکIH

های قدرتو اتوماسیون در سیستمکنفرانس حفاظت یازدهمین دانشگاه علم و صنعت ایران

5921دی ماه 82و 82

جاور می باشد. زیرا این جریانها بطور م بعلت القای شار سرگردان از فازهای

درجه با هم اختالف فاز دارند. 121طبیعی

REG216: نقطه خطا و منحنی عملکرد رله حفاظتی ( 8) شکل

در اغلب سیستم های حفاظتی ژنراتور، از دو حفاظت دیفرانسیل ژنراتور

استفاده می شود. در این شکل حفاظت 1جزیی مطابق شکل بصورت کلی و

از نوترال ژنراتور تا سمت که حفاظت کلی بعنوان 1شماره 87G دیفرانسیل

وص مخص 87Gو حفاظت کند صلی را حفاظت میترانس ا فشار قوی

وال س جزیی می باشد.حفاظت ژنراتور به صورت استاتور سیم پیچ حفاظت

دیگری که می تواند مطرح شود، این است که چرا در رله دیفرانسیل ترانس

همزمان با نقطه صفر ژنراتور استفاده می کند ترانس های جریانکه از

دیفرانسیل ژنراتور ، عمل نمی کند؟ در اینجاعملکرد کاذب حفاظت رله

رانس رله دیفرانسیل ت یزان تنظیم توجه به این نکته الزم وضروری است که م

نظیم تسه برابر مقدار بطور معمول می باشد که درصد جریان نامی ترانس 31

ه اگر جریان اتصالی منجر بدر نتیجه ژنراتور می باشد. حفاظت دیفرانسیل

انسیل باالتر از مقدار تنظیمی شود، این اتفاق برای رله جریان دیفر

دیفرانسیل ترانس نیز رخ خواهد داد.

: دیاگرام تک خطی حفاظتی ژنراتورها( 9) شکل

نتیجه گیری -6

-و با تحلیل در این مقاله یکی از حوادث رخ داده در نیروگاه ها تشریح

تاثیر گذار در آن مشخص علت حادثه و عوامل های انجام شده سعی گردید

توجه به این نکته الزم وضروری است شرایط رخ داد حادثه با شرایط شود.

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

ایی که هدیفرانسیل ژنراتور حفاظتپایدار کردن برای در پایان داشته باشد.

ت اپیشنهاد ،آنها دارای عملکرد های کاذب مشابه بوده اندرله دیفرانسیل

.می شود ارائه زیر

آنها جهت محاسبه که دردیفرانسیلی های استفاده از رله پیشنهاد اول :

.کنندالگوریتم های متفاوتی استفاده می از جبران کنندهجریان های

ABB-REG216قسمت قبل اشاره شد رله دیفرانسیل همانطور که در

جهت محاسبه جریان نگهدارنده عالوه بر دامنه از اختالف زاویه بین دو فازور

الگوریتم نمونه دیگری از بررسیاما در . ]11[می کنداستفاده 𝐼1،𝐼2جریان

7UMبه رله دیفرانسیل تیپ استفاده شده در رله دیفرانسیل می توان های

رابطه جهت محاسبه جریان نگهدارنده از شرکت زیمنس اشاره نمود که

𝐼ℎ = |𝐼2| + |𝐼1| .با توجه به شرح 3. در قسمت ]2[استفاده می کند

صورتیکه بوده است در Bرله دیفرانسیل ژنراتور مربوط به فاز حادثه عملکرد

های قدرتو اتوماسیون در سیستمکنفرانس حفاظت یازدهمین دانشگاه علم و صنعت ایران

5921دی ماه 82و 82

ند. آرایش ژنراتور مذکور بصورت جریان خطا را تامین نموده ا A,Cفاز های

طبق قانون جمع جبری جریان ها زمین شده می باشد وامپدانس ستاره با

مجموع جریانها ی فازهای ژنراتور تقریبا برابر با صفر می ر شرایطیدر ه

جریان ثانویه، I1نشان داده شده است، 11شکل درهمانطور که باشد

جریان سمت فاز جریان ثانویه ترانس I2ترانس جریان سمت نوترال و

و Bاز القای شار مغناطیسی فاز I1ژنراتور است. بدیهی است که جریان

در حالت کلی شارهای حاصل می شود. A,Cفازهای شارهای سرگردان

. که این هستندباهم درجه 121دارای اختالف فاز A,B,Cتولیدی فازهای

طبق 𝐼ℎو کاهش مقدار جریان نگهدارنده αموضوع منجر به افزایش زاویه

𝐼ℎ رابطه = √(𝐼1 ∗ 𝐼2 ∗

𝐶𝑜𝑠(∝) 𝑖𝑓 ∝ ≥ گردد. ولی چنانچه از رله ای با محاسبه می 0

𝐼ℎجریان نگهدارنده برابر با = |𝐼2| + |𝐼1| استفاده شود چون وابستگی به

ولی تحقیق این امر باید این مقدار کاهش نمی یابد. زاویه اعمال نمی شود

دقیق تر توسط محاسبات اجزای محدود صورت پذیرد. تبصور

آرایش مداری ژنراتور(: 11شکل)

استفاده از ترانس های جریانی با سیم پیچ متعادل کننده. پیشنهاد دوم :

وجودهای جریان دارای سیم پیچی دومی هستند که درهنگام -این ترانس

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

نقطه ستاره ژنراتورها در داخل جریان هایترانس هادی و پیشنهاد سوم :

قرار داده شوند. در شده داکت آلومینیومی به همراه صفحات اتصال کوتاه

مجاور جریان هایترانس وی رنتیجه اثر شار سرگران حاصل سایر هادیها بر

از بین خواهد رفت. این طرح براحتی قابل اجرا می باشد ولی باید به این

مجاز این صفحات باید با بررسی و محاسبات نکته توجه داشت تعیین فواصل

.11شکل الزم صورت گیرد.

: نحوه قرار گرفتن صفحات آلومینیومی(11)شکل

های قدرتو اتوماسیون در سیستمکنفرانس حفاظت یازدهمین دانشگاه علم و صنعت ایران

5921دی ماه 82و 82

مراجعاع موضعی باش ،عباس ترکمانی، مهدی داورپناه، مجید صنایع پسند

،ترانسفورماتور جریان و تاثیر آن بر سیستمهای حفاظتی و اندازه گیری

1315زمستانو کنترل سیستم های قدرت ، دهمین کنفرانس حفاظت

[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", 10th Mediterranean Electrotechnical

Conference .pp.958- 961

[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. 1431-34, 2006.

[5] S. Seely, "Effect of stray flux on current transformers,"

Journal of Science & Technology, 1970, vol. 37, pp. 115-

120.

[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. 1642-1649, 2004.

[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. 116–122, 1975.

[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. 116–124, 1997.

[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, 1999.

[10] ABB. Switzerland Ltd , Manual "Numerical generator

protection REG216", 2002.