SVEUILITE U RIJECITEHNIKI FAKULTET

Sveuilini diplomski studij elektrotehnike

Izborni projekt iz kolegijaELEKTRANE

RELEJNA ZATITA AGREGATA HE GOJAKdoc. dr. sc.Dubravko Frankovi

Rijeka, sijeanj 2015. Kristian Mevelj 0069047727

Sadraj1.0.Upoznavanje s HE Gojak21.1.Brane i tlani tunel31.2.Strojarnica HE Gojak31.3.Energetski podaci i podaci o opremi42.0.Jednopolna shema HE Gojak63.0.Zatita agregata Ga, Gb i Gc HE Gojak74.0.Uzemljenje na 10,5 kV i na 110 kV85.0.Podeenje numerike zatite tip 7UM621105.1.Referentne vrijednosti105.2.Diferencijalna zatita generatora 87G105.2.1.Stabilizacija - isklopna karakteristika115.3.100% Zemljospojna zatita statora 27TH (trei harmonik)115.4.Zemljospojna zatita statora - 59N135.5.Zemljospojna zatita rotora 64R135.6.Nadstrujno-podnaponska zatita - 51/27145.7.Zatita mirujueg agregata - 50/27145.8.Podimpedantna zatita - 21155.9.Nadnaponska zatita - 59165.10.Zatita od previsoke indukcije- 24175.11.Gubitak uzbude - 40175.12.Povrat snage generatora - 32R185.13.Zatita od nesimetrinog optereenja - 46185.14.Preoptereenje statora - 49S195.15.Nadfrekventna zatita 51O206.0.Podeenje numerike zatite tip 7UT613216.1.Referentne vrijednosti216.2.Diferencijalna zatita bloka 87U216.3.Nadstrujna zatita 110 - 51237.0.Zakljuak24Literatura25

1.0. Upoznavanje s HE GojakHidroelektrana Gojak je visokotlano derivacijsko postrojenje smjeteno u blizini grada Ogulina koje koristi vode Ogulinske Dobre i Zagorske Mrenice.Obje rijeku su u prirodnom stanju ponornice i poniru u ogulinsko-otarijskoj krkoj zaravni. Znaajni sredinji godinji protok tih dvaju ponornica i injenica da su nakon poniranja i kratkog podzemnog toka izvirale kao stalni vodotoci-Gojaka Dobra,Tounjica i Zveajska Mrenica,pri emu su na tom kratkom podzemnom putu prevaljale i visinsku razliku preko 130m,ukazala je na mogunost njihovog energetskog koritenja. Osnovna koncepcija rjeenja ovog postrojenja je pregraivanje Zagorske Mrenice, provoenje tlanim tunelom do zahvata Dobre, te tlanim tunelom i tlanim cjevovodom dovoenje odiju rijeka do strojarnice HE Gojak.1.1. Brane i tlani tunelHidroelektrana Gojak se sastoji od dvije akumulacije-brane. Rijeka Zagorska Mrenica zahvaena je nasutom branom visine 9 m kod mjesta Sabljaci, gdje je formirano akumulacijsko jezero Sabljaci korisnog volumena 3,698 mil. m3. Na lijevom boku brane Sabljaci smjetena je betonska graevina s preljevom i temeljnim ispustom. Preljev je kapaciteta 120 m3/s opremljen automatskom zaklopkom duljine 16,0 m i visine 2,9 m. Temeljni ispust, s otvorom 2 x 3 m, opremljen je ploastim zatvaraem. Neposredno uz branu Sabljaci smjeten je ulazni ureaj tlanog derivacijskog tunela promjera 4,5 m s grubom i finom reetkom, te glavnim i pomonim tablastim zatvaraem dimenzija 4,5 x 4,5 m kojim se voda iz akumulacije Sabljaci provodi do zahvata Dobre.Ogulinska Dobra pregraena je betonskom branom Bukovnik, visine 13 m, korisnog kapaciteta jezera Bukovnik od 0,238 mil. m3 , u ijem temelju se nalazi tlani tunel koji iz jezera Sabljaci dovodi vode Zagorske Mrenice. Brana je opremljena troslojnim zatvaraem visine 5,2 m, raspona 24 m i kapaciteta preljeva 320 m3/s. Akumulacijski bazen koji je stvoren izgradnjom brane ima maksimalni radni vodostaj na koti 320,15 m n.m.Od brane Bukovnik se vode Zagorske Mrenice i Ogulinske Dobre tlanim derivacijskim tunelom dovode do vodne i zasunske komore na Gojaku. Ukupna duina tunela je 9386 m, promjer 4,5 m, a propusna mo 50 m3/s. Iza zasunske komore voda se elinim tlanim cjevovodom dovodi do strojarnice. Tlani cjevovod je izveden kao elina cijev slobodno poloena u kosom tunelu, promjera 3,4 m u gornjem dijelu do 3,2 m u donjem dijelu kod rave.

1.2. Strojarnica HE GojakStrojarnica je izvedena kao nadzemna graevina i smjetena je na lijevoj obali Gojake Dobre. U strojarnici su smjetene tri proizvodne jedinice, s Francis turbinama, instaliranog protoka 57 m3/s, maksimalnog neto pada 118 m, instalirane snage 18,5 MW svaka i opremljene regulatorima tlaka.Generatori su 10 kV kabelima povezani s transformatorima snage 25MVA i prijenosnog omjera 10,5/115,5 koji su smjeteni u transformatorskim niama rasklopnog postrojenja.Rasklopno postrojenje 110 kV nalazi se na slobodnom prostoru uzvodno od strojarnice. Nedovoljan prostor i konfiguracija terena uvjetovali su izvedbu rasklopnog postrojenja na etiri terase. Rasklopno postrojenje se sastoji od pet transformatorskih i pet dalekovodnih polja, spojnog i mjernog polja.1.3. Energetski podaci i podaci o opremiTablica 1.1. Energetski podaciBruto pad133,5 m

Konstruktivni pad turbine 118 m

Srednji energetski ekvivalent0,267 kWh/m3

Instalirani protok 57 m3/s

Instalirana snaga elektrane55,5 MW

Prosjena godinja proizvodnja 195,4 GWh

Brzina vrtnje agregata428 min-1

Tablica 1.2. Podaci o opremiTurbine

Generatori

TransformatoriTipFrancis, spiralna, vertikalna

komada3

Snaga3*18,6 MW

Komada3

Snaga3*18,5 MVA

Faktor snagecos

Komada3

Snaga3*25 MVA

Prijenosni omjer10,5/115,5 kV

Slika 1.1. Tri generatora HE Gojak

2.0. Jednopolna shema HE Gojak

Slika 2.1. Jednopolna shema HE Gojak

3.0. Zatita agregata Ga, Gb i Gc HE GojakSinkroni generator je nedvojbeno najvaniji element u elektrani, to ga ini jednim od najvanijih elemenata u elektroenergetskom sustavu (EES). Kvarovi mogu rezultirati velikom tetom i velikim potrebnim vremenom za popravke. Zbog tih navedenih razloga, izvanredni uvjeti pogona moraju se odmah i brzo prepoznati i izolirati u svrhu izbjegavanja veih teta.Opisana su preporuena podeenja zatite generatora 20 MVA i bloktransformatora na HE Gojak. Opis relejne zatite HE Gojak raen je prema postojeim tehnikim podacima opreme na objektu. U sluaju kada podaci nisu bili dobavljivi proraun je napravljen u skladu sa preporukama i iskustvu sa slinih objekata.

Elementi koji utjeu na opseg relejne zatite su sljedei :-oekivani kvarovi i smetnje,-nain uzemljenja zvjezdita,-oblik mree,-prikljuak tienog objekta na elektroenergetski sustav,-snaga tienog objekta,-duljina visokonaponskoga voda,-poloaj i uloga tienog objekta u elektroenergetskom sustavu,-prilike pri kvarovima i smetnjama u mrei.

4.0. Uzemljenje na 10,5 kV i na 110 kVGenerator je uzemljen preko otpornika Rs prikljuenog u zvjezdite generatora. Otpornik Rs je iznosa 0,6k (4*0,15k).110 kV nultoka bloktransformatora je kruto uzemljena.Tablica 4.1. Nazivni podaci mjernih transformatoraNazivni podaci za strujni mjerni transformator (zvjezdite generatora)1500/5 A35 VA,5P20

Nazivni podaci za naponski mjerni transformator (zvjezdite generatora)6/0,1 kV

Nazivni podaci za strujni mjerni transformator (izvodi generatora)1500/5 A35 VA,5P20

Nazivni podaci za naponski mjerni transformator (izvodi generatora)10/3/0,1/3 kV50 VA

Nazivni podaci za strujni mjerni transformator (110 kV strana blok-transformatora)100/1 A30 VA, 5P20

Kratki spoj na sabirnicama 110 kV.Tablica 4.2. Prema Proraunu kratkog spoja u mrei Hrvatske do 2020. godine (Institut za elektroprivredu ienergetiku d.d. 03.2004.g.) maksimalne struje 3p i 1p kratkog spoja na sabirnicama 110 kV su:- za 2010.g. slijedee:

Kratki spoj na 10,5 kV.Tablica 4.3.Maksimalna struja 3p kratkog spoja na 10,5 kV sabirnicama generatora je (izmjenina komponenta)

Za elektrinu zatitu generatora i bloktransformatora se koriste tri kompleksna numerika releja koji pruaju irok izbor funkcija zatite.

Slika 4.1. Generatori i blok transformatori HE GojakZatita ukljuuje releje proizvoaa Siemens i ABB :- numeriki relej tip 7UM621 (-F301),- numeriki relej tip REG316 (-F302),- numeriki relej tip 7UT613 (-F303).

5.0. Podeenje numerike zatite tip 7UM6215.1. Referentne vrijednostiPodeenje referentnih vrijednosti omoguava prilagodbu zatite nazivnim vrijednostima tienog objekta. Time se kompenziraju razlike nazivnih vrijednosti tienog objekta i nazivnih vrijednosti mjernih transformatora na koje je spojena zatita.Gdje je: UGN, IGN - nazivne vrijednosti tienog objekta (generator) UN1, UN2 - nazivni napon primara, sekundara naponskog transformatora IN1, IN2 - nazivna struja primara, sekundara strujnog transformatora UN, IN - nazivni napon i nazivna struja releja.

Prilagodba mjernih transformatora:- prilagodba omjera strujnih mjernih ulaza:I = 1500 A / 5 A - na 10,5 kV (izvodi generatora)I = 1500 A / 5 A - na 10,5 kV (zvjezdite generatora)- prilagodba omjera naponskih mjernih ulaza:U = 10 kV / 0,1 kV - na 10,5 kVUE = 6 kV / 0,1 kV - u zvjezditu generatora- nazivna snaga Sn gen = 20,0 MVA- podaci VN namota: Un = 10,5 kV (In gen = 1100 A)

5.2. Diferencijalna zatita generatora 87GDiferencijalna zatita generatora i blok transformatora prua osnovnu, brzu, osjetljivu i selektivnu zatitu kod kratkih spojeva unutar zone tienja. Diferencijalna zatita (87G) spaja se na 10,5 kV strujne mjerne transformatore (prema sabirnicama i zvjezditu).Koristi se niskoimpedantna stabilizirana diferencijalna zatita.

Slika 5.1. Radna karakteristika diferencijalne zatite5.2.1. Stabilizacija - isklopna karakteristikaIsklopna karakteristika ukljuuje dva pregiba. SLOPE 1 odreuje nagib prvog dijela krivulje sa ishoditem koje je odreeno parametrom BASE POINT 1. Ovaj dio isklopne karakteristike koristi se prvenstveno za kompenzaciju strujno proporcionalnih greaka koritenih mjernih transformatora. Ukolikosu mjerni transformatori jednakih karakteristika, dato tvorniko podeenje od 0,25 moe se smanjiti naiznos od 0,15.Drugi nagib krivulje stabilizacije koristi se za pojaanu stabilizaciju u podruju struja koje mogu dovesti do zasienja mjernih transformatora. Njeno ishodite odreeno je podeenjem BASE POINT 2. SLOPE 2 odreuje nagib drugog dijela krivulje. Vei iznos nagiba prua veu stabilnost diferencijalne zatite kod zasienja mjernih transformatora. Dato tvorniko podeenje od 0,5 se u praksi pokazalo kao zadovoljavajua vrijednost.

5.3. 100% Zemljospojna zatita statora 27TH (trei harmonik)Zatita od spoja statora sa zemljom je jedan od najeih unutranjih kvarova generatora koje je uzrokovan fizikom tetom namota statora ili starenjem njegove izolacije. Budui da zvjezdite generatora nije u principu direktno uzemljeno, struje koje se javljaju kod spoja statora sa zemljom su malene, pogotovo u sluaju kada je generator u bloku s transformatorom. No i te malene struje koje se javljaju mogu proizvesti poprilinu tetu eljezne jezgre ili izazvati spoj meu zavojima. Zato se spoj statora sa zemljom mora na vrijeme otkriti i zaustaviti rad generatora to je prije mogue.Ova zatitna funkcija je prvenstveno namijenjena za detektiranje zemljospojeva u blizini ili u samom zvjezditu generatora. Napon generatora pored osnovne komponente sadri i odreen postotak treeg harmonika.U normalnom pogonu je uee ukupnog iznosa treeg harmonika raspodjeljeno na dio napona prisutnog u naponu zvjezdita generatora i na dio prisutnog na izvodima generatora.U sluaju zemljospoja blizu nultoke ukupan iznos napona treeg harmonika ostaje isti, ali se raspodjela mijenja - smanjuje se iznos napona u zvjezdita generatora i poveava na izvodima generatora.

Slika 5.2. Raspodjela napona treeg harmonika generatora

Slika 5.3. Raspodjela napona treeg harmonika generatoraKako ukupni iznos napona 150 Hz generatora varira sa naponom i radnom tokom generatora, podnaponska funkcija za 150 Hz se uvjetuje minimalnim iznosom ukupnog napona generatora i minimalnom snagom.

5.4. Zemljospojna zatita statora - 59NKako se pomou nultog napona generatora (osnovni harmonik) uobiajeno postie osjetljivost od cca. 95% statorskog namota (zemljospojevi u blizini zvjezdita se ne detektiraju), ova zatita se uobiajeno navodi kao 95%-tna. Ogranienje je uobiajeno zbog zahtjeva za stabilnost kod vanjskih kvarova (na VN strani bloka).Za zemljospojnu zatitu koriste se mjerna metoda mjerenje nultog napona agregata spojenog na naponski mjerni transformator u zvjezditu generatora.5.5. Zemljospojna zatita rotora 64RNamot rotora agregata je izoliran pa nastanak jednog zemljospoja nema gotovo nikakve direktne posljedice. Meutim, nastanak slijedeeg zemljospoja (na drugom dijelu rotorskog namota) moe uzrokovati znatne struje i oteenja agregata. Za ovu zatitnu funkcija (nadzor izolacije namota rotora agregata) se koristi niskofrekventni injekcioni napon 1-3 Hz koji se generira u jedinici tip 7XT71. Injektirani napon (priblino 50 V) dovodi se u uzbudni krug rotora preko otporne jedinice tip 7XR60. Na osnovi mjerenja injektiranog i mjerenog napona se odreuje stanje izolacije rotorskog namota - neovisno o pogonskom stanju agregata.Slika 5.4. Zemljospojna zatita rotora

5.6. Nadstrujno-podnaponska zatita - 51/27Kod kvarova u vanjskoj mrei e generator uestvovati u struji na mjestu kvara sve dok se kvar u mrei ne otkloni djelovanjem zatita u mrei. Sam generator ima lokalnu rezervnu nadstrujnu zatitu za sluaj da mrene zatite ne otklone kvar. Kako struja generatora tijekom vanjskog kvara opada, umjesto obine nadstrujne zatite moe se koristiti nadstrujno-podnaponska zatita. Ova zatita je namijenjena za rezervnu zatitu za vanjske kvarove kod kojih struja kvara koju daje generator moe vremenski pasti ispod proradne vrijednosti same nadstrujne funkcije prije nego je isteklo podeeno vrijeme prorade. Nadstrujno-podnaponska funkcija ukljuuje nadstrujnu funkciju u kombinaciji sa podnaponskom.5.7. Zatita mirujueg agregata - 50/27Sluajno ukljuenje agregata u stanju mirovanju (uklop prekidaa) ima ozbiljne posljedice za agregat. Ova funkcija detektira ukljuenje agregata u mirovanju. Za postizanje zatite u tim uvjetima koristi se kombinacija nadstrujnog i podnaponskog elementa. Ukoliko u uvjetima podnapona (mirovanja agregata) istovremeno doe do naglog porasta struje (prorada nadstrujnog elementa) slijedi brzi nalog za isklop prekidaa.

Slika 5.5. Logika rada zatite mirujueg agregata koritenjem nadstrujne funkcijeOva funkcija se ostvaruje kombinacijom vie funkcija:- nadstrujne funkcije 50 (I>),- podnaponske funkcije 27 (U