Sustav upravljanja i zaštite u pogonu napajanja ispitne stanice

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA
ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ
10. savjetovanje HRO CIGRÉ
Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011.
B5-05
Ivan Fuljatić
ivan.fuljatic@koncar-ket.hr
Marijan Kuhtić
marijan.kuhtic@koncar-ket.hr
Miljenko Boras
miljenko.boras@koncar-ket.hr
Zlatko Oršulić
zlatko.orsulic@koncar-ket.hr
Končar inženjering za energetiku i transport d.d.
SUSTAV UPRAVLJANJA I ZAŠTITE U POGONU NAPAJANJA ISPITNE STANICE
SAŽETAK
Pogon napajanja ispitne stanice baziran je na agregatima (motor-generatorske grupe) koji su
izvor podesivog napona i frekvencije za potrebe završnih ispitivanja energetskih transformatora.
Agregat 40 MVA (50/60) Hz je namijenjen za ispitivanja i mjerenja napona kratkog spoja, te mjerenja
gubitaka i zagrijavanja transformatora u kratkom spoju i praznom hodu, a agregat 5 MVA
(150/180/200) Hz je namijenjen za ispitivanje transformatora povišenim induciranim naponom i
mjerenje parcijalnih izbijanja.
Agregatima i pomoćnim sustavima upravlja se preko lokalnih operatorskih panela smještenih
na ormarima upravljanja u ispitnoj stanici i komadnoj sobi pogona napajanja ispitne stanice. Sustav
upravljanja koncipiran je s tri zasebna PLC-a Simatic S7 tako da je po jedan predviñen za svaki od
agregata i jedan za procesno upravljanje pomoćnim sustavima koji uključuju sustav rashlade agregata
i sustav podmazivanja ležajeva. PLC-i su meñusobno povezani MPI –RS485 komunikacijom.
Sustav napajanja agregata (ispravljački transformatori, priključni kabeli i diodni most
pretvarača frekvencije) zaštićeni su numeričkim relejem tip 7SJ631 u 20 kV priključnom polju koji
djeluje neposredno na isključenje prekidača. Namot generatora 40MVA spojen je u zvijezdu sa
zvjezdištem uzemljenim preko velikog otpora. Zaštita namota generatora izvedena je pomoću
standardno dobavljive kompleksne numeričke zaštite 7UM621. Namot generatora 5MVA je spojen u
trokut zbog boljeg podnošenja nesimetričnog opterećenja. Zaštita namota generatora je koncipirana
na pojedinačnim statičkim relejima Končar-INEM, nestandardne izvedbe posebno prilagoñenim za
radne frekvencije 150/180/200 Hz.
Ključne riječi: pogon napajanja ispitne stanice, upravljanje agregatima, zaštita agregata
CONTROL AND PROTECTION SYSTEM OF TESTING VOLTAGE SUPPLY SYSTEM
SUMMARY
Testing voltage supply system is based on the aggregates (motor-generator group) that are
the source of adjustable voltage and frequency for the final test of power transformers. Aggregate of
40 MVA (50/60) Hz is used for testing and measuring of short-circuit voltage, measurement of losses
of the transformer in short circuit and in no-load. Aggregate of 5 MVA (150/180/200) Hz is used for
testing the transformer with high induced voltage and partial discharge measurements.
Aggregates and auxiliary systems are controlled thru the local operator panel on the control
cabinets located in the test station and in command room. Control system is designed with three
separate PLC Simatic S7. Each aggregate is controlled by one PLC, and the third one is used to
control auxiliary systems (cooling system and lubrication system of bearings). PLCs are
interconnected MPI-RS485 communication.
1

Power supply system of aggregate (rectifier transformers, power cables and a diode bridge
inverter frequency) is protected by the numerical relay type 7SJ631 located in the 20 kV switch gear.
Protection relay acts directly on the switching off the outgoing circuit breaker.
Stator winding of 40MVA generator is connected in a star with the neutral point grounded thru
high resistance. Protection of generator stator winding is implement complex numerical standard
protection relay type 7UM621.
Stator winding of 5MVA generator is connected in delta for better withstanding of asymmetrical
load. Protection of the stator winding is implemented in single static relays Končar-INEM, nonstandard
versions specially adjusted to operate on frequencies of 150/180/200 Hz.
Key words: Testing voltage supply system, control system, protection system
1. UVOD
Pogon napajanja ispitne stanice koncipiran je na dva ispitna agregata, koji služe kao izvori
podesivog napona i frekvencije za potrebe završnih ispitivanja energetskih transformatora.
Agregat 40MVA čine sinkroni generator tip SB 1726-2, 40 MVA, 12 kV, 3000/3600 1/min,
50/60 Hz i asinkroni motor tip 6AJV4 710S2-2, 5 MW, 4,16 kV, 3000/3600 1/min, 50/60 Hz,
proizvoñača KONČAR-GIM. Strojevi su meñusobno povezani krutom spojkom i postavljeni na
zajedničko postolje - temeljnu ploču. Rotor generatora se oslanja na dva električki izolirana
samostojeća radijalna klizna ležaja, dok je motor izveden s jednim ležajem istog tipa. Motor agregata
se napaja iz 20 kV postrojenja preko tronamotnog ispravljačkog transformatora i pretvarača
frekvencije. Agregat ima mogućnost podešavanja izlaznog napona od minimalnog, odreñenog
remanentnim magnetizmom, do nazivnog i frekvencije oko radnih točaka na 50 i 60 Hz.
Agregat 5MVA čine sinkroni generator tip SB 1259-16, 5 MVA, 6 kV, 1500 1/min, 150/180/200
Hz i asinkroni motor tip 6AJV3 500S2-4, 1,5 MW, 4,16 kV, 1500 1/min, 50 Hz, proizvoñača KONČAR-
GIM. Strojevi su meñusobno povezani elastičnom spojkom i postavljeni na zajedničko postolje -
temeljnu ploču. Rotor generatora se oslanja na dva električki izolirana samostojeća radijalna klizna
ležaja, dok je motor izveden s dva električki izolirana kotrljajuća ležaja podmazivana mašću. Motor
agregata se napaja iz 20 kV postrojenja preko tronamotnog ispravljačkog transformatora i pretvarača
frekvencije. Agregat ima mogućnost podešavanja izlaznog napona od minimalnog, odreñenog
remanentnim magnetizmom, do nazivnog i frekvencije oko radnih točaka na 150, 180, 200 Hz.
Agregati su namijenjeni isključivo za izolirani pogon za vlastite potrebe, te su dizajnirani tako
da mogu podnijeti puno veća nesimetrična opterećenja u odnosu na standardne izvedbe agregata.
Upravljanje agregatima (motor-generatorskim grupama), je potpuno automatizirano. Na taj
način operater treba samo izvršiti odreñene predradnje, kao što su odabir agregata koji će služiti kao
izvor ispitnog napona i priprema ispitne staze, te nakon toga dati nalog za pokretanje agregata.
Prilikom pokretanja i tijekom rada nadziru se svi bitni parametri za rad agregata. U slučaju pojave
kvara sustav upravljanja djeluje na zaustavljanje agregata.
Zaštita agregata je podijeljena na zaštitu sustava napajanja agregata i zaštitu generatora.
Navedena zaštita izvedena je pomoću kompleksne numeričke zaštite, osim za slučaj generatora
namijenjenog za ispitivanje transformatora povišenim induciranim naponom i mjerenje parcijalnih
izbijanja gdje je ista zbog nestandardne radne frekvencije (150/180/200Hz) izvedena preko statičkih
zaštitnih releja.
2. UPRAVLJANJE I NADZOR NAD AGREGATIMA I POMOĆNIM SUSTAVIMA
Agregatima kao i pomoćnim sustavima može se upravljati daljinski i lokalno. Lokano
upravljanje odnosi se na upravljanje pojedinim dijelom sustava (npr. pretvaračem frekvencije i napona,
sustavom uzbude, sustavom rashlade i td.) s lokalnih panela samih ureñaja ili lokalnih ormarića
upravljanja i to isključivo prilikom servisiranja ili puštanja u pogon. U ovom radu je opisano isključivo
daljinsko upravljanje sustavom koje se izvodi preko operatorskih panela osjetljivih na dodir (eng.
„Touch Screen“) smještenih na ormarima upravljanja u ispitnoj stanici i komadnoj sobi pogona
napajanja ispitne stanice. Sustav upravljanja koncipiran je na tri zasebna PLC-a Simatic S7. Za svaki
agregat je predviñen po jedan PLC, te dodatno jedan za procesno upravljanje pomoćnim sustavima u
koji su uključeni sustav rashlade agregata i sustav podmazivanja ležajeva. PLC-i su meñusobno
2

povezani MPI – RS485 komunikacijom. Navedena komunikacija korištena je i za povezivanje PLC-a s
operaterskim panelima. Zbog velike udaljenosti ispitne stanice od pogona napajanja za povezivanje
operaterskih panela u ispitnoj stanici korišten je optički kabel. Blok shema upravljanja i nadzora
prikazana je na slici 1.
Slika 1. Blok shema upravljanja agregatima i pomoćnim sustavima
3

2.1. Upravljanje i nadzor nad pomoćnim sustavima
Kako bi se omogućio rad agregata potrebno je pokrenuti pomoćne sustave, tj. sustav rashlade
i sustav podmazivanja.
2.1.1. Sustav rashlade
Sustav rashlade sastoji se od rashladnih ureñaja (smještenih izvan pogona napajanja ispitne
stanice), vanjskih pumpi rashlade (smještenih na izlaznom cjevovodu rashladnih ureñaja),
redundantnih unutarnjih pumpi rashlade (smještenih u podrumskom dijelu pogona napajanja ispitne
stanice), te nadzornih ureñaja koji služe za signalizaciju protoka rashladnog medija kroz pojedine
dijelove sustava (hladnjaci ulja, generatora, motora i pretvarača frekvencije i napona).
Pokretanje sustava rashlade bazirano je na slijedećoj sekvenci:
1. Uključenje vanjske pumpe rashlade
2. Uključenje rashladnog ureñaja
3. Uključenje unutarnje pumpe rashlade
U radu sustava nadziru se slijedeći parametri:
- protoci rashladnog medija kroz pojedine dijelove sustava,
- tlak u sustavu rashlade,
- status rashladnih ureñaja,
- status pumpi rashlade,
- temperatura rashladnog medija.
2.1.2. Sustav podmazivanja
Slika 2. Sustav rashlade - Prikazi s operaterskog panela
Sustav podmazivanja sastoji se od uljne baterije i nadzornih ureñaja koji služe za signalizaciju
protoka ulja kroz ležajeve agregata.
Ležajevi se podmazuju i hlade uljem iz zajedničkog sustava za cirkulaciono i visokotlačno
podmazivanje. Visokotlačno podmazivanje koristi se samo kod agregata 40MVA i to isključivo prilikom
pokretanja (do brzine 300okr/min) i zaustavljanja (ispod brzine od 300okr/min). Ulje se hladi preko
hladnjaka ulja rashladnim medijem iz zajedničkog sustava rashlade. Podmazivanje ležajeva nadzire
se i upravlja preko PLC-a i lokalnog upravljačkog panela s vizualizacijom na zaslonu operaterskog
panela. U normalnim uvjetima cirkulaciono podmazivanje osigurava AC pumpa s redundancijom
100%, a u uvjetima nestanka AC napajanja automatski se uklapa DC pumpa, napajana iz
akumulatorske baterije, za zaustavljanje u nuždi. Kapacitet akumulatorske baterije je takav da
osigurava napajanje DC pumpe u trajanju najmanje 45 min. Uvjet za pokretanje sustava podmazivanja
je prethodno pokrenut sustav rashlade.
4

U radu sustava nadziru se slijedeći parametri:
- protoci ulja kroz ležajeve agregata,
- status uljnih pumpi (uljne baterije),
- tlak u sustavu ulja,
- temperatura ulja.
Slika 3. Sustav podmazivanja - Prikaz s operaterskog panela
2.2. Upravljanje i nadzor nad agregatima
Za ispitivanje transformatora potrebno je osigurati ispitni napon promjenjivog iznosa i
frekvencije. Kako se u ovom slučaju kao izvori napona koriste agregati, željena frekvencija dobije se
regulacijom brzine vrtnje agregata preko pretvarača frekvencije, dok se izlazni napon regulira preko
regulatora u sustavu uzbude. Odabir radne frekvencije (50/60Hz; agregat 40MVA, 150/180/200Hz
agregat 5MVA) obavlja se prekolopkom na ormaru u ispitnoj stanici. Dodatna „fina“ regulacija
frekvencije (±2Hz) omogućena je tipkalima na istom ormaru. Regulacija napona može se obavljati
preko panela upravljanja ili preko tipkala na ormaru/pultu u ispitnoj stanici.
Postoje dva načina pokretanja/zaustavljana agregata:
- Automatski prema sekvencama pokretanja/zaustavljanja
- Ručno (korak po korak)
Sekvenca pokretanja agregata koncipirana je tako da se, nakon što operater da nalog za start
agregata, prvo pokrenu pomoćni sustavi (sustav rashlade, a zatim i sustav podmazivanja), te nakon
što se steknu svi uvjeti za pokretanje agregata daje nalog pretvaraču frekvencije za start. Pretvarač
frekvencije uklapa dovodni prekidač i postepeno (po rampi) podiže brzinu agregata. Nakon što se
dosegne odabrana radna frekvencija (brzina), uključuje se sustav uzbude postavljajući izlazni napon
na minimalnu vrijednost, čime je sekvenca pokretanja završena. Operater po završetku sekvence
pokretanja sa ispitnog pulta ručno uklapa generatorski prekidač i podiže napon do željene vrijednosti.
Redoslijed sekvence zaustavljanja je obrnut od sekvence pokretanja. Prilikom normalnog
zaustavljanja operater treba, prije nego što da nalog za stop agregata, smanjiti napon generatora na
minimalnu vrijednost te nakon toga isklopiti generatorski prekidač. Nakon što operater da nalog za
5

stop agregata isključuje se sustav uzbude, nakon čega se daje nalog pretvaraču frekvencije za stop.
Pretvarač frekvencije isklapa dovodni prekidač, a zaustavljanje agregata odvija se po inerciji (eng.
„Coast Stop“). Kad se agregat potpuno zaustavi, zaustavljaju se i pomoćni sustavi, čime je sekvenca
zaustavljanja završena. Ako kojim slučajem operater da nalog za stop dok je napon generatora veći
od minimalnog, sustav upravljanja smanjuje napon na minimalnu vrijednost, isklapa generatorski
prekidač, i tek tada pokreće opisanu sekvencu zaustavljanja.
Kod ručnog pokretanja operater daje nalog za start pojedinog ureñaja pri čemu se putem
PLC-a nadzire sveukupni sustav i onemogućava prelazak u slijedeći korak pokretanja a da nisu
ispunjeni svi preduvjeti.
U radu agregata nadziru se slijedeći parametri:
- temperature namota generatora i motora
- temperature ležajeva agregata
- vibracije ležajeva agregata
- status pretvarača frekvencije i napona
- status sustava uzbude
Slika 4. Upravljanje agregatom - Prikaz s operaterskog panela
6

3. SUSTAV ZAŠTITE AGREGATA
Sustav zaštite agregata uključuje zaštitu sustava napajanja agregata i zaštitu generatora.
3.1. Zaštita sustava napajanja agregata
Sustav napajanja agregata sastoji se od ispravljačkog transformatora, pretvarača frekvencije i
pogonskog elektromotora agregata. Zaštita sustava napajanja agregata istovjetna je za oba agregata.
Blok shema zaštite nalazi se na slici 2.
3.1.1. Zaštita ispravljačkog transformatora
U odvodnim ćelijama 20kV postrojenja ugrañen je numerički zaštitni relej (tip 7SJ631) u koji je
implementirana nadstrujna (51/50) i zemljospojna (51N) zaštita ispravljačkog transformatora. Releji
termičke zaštite (tip MSF 220K i tip T-154) smješteni su u zasebnom ormaru. Senzori temperature su
Pt100 sonde ugrañene u namote i PTC sonde na jezgru transformatora.
3.1.2. Zaštita pretvarača frekvencije
Zaštite od kratkog spoja na ulaznom dijelu pretvarača frekvencije implementirane su u
numerički zaštitni relej (tip 7SJ631) u 20kV postrojenju, dok su zaštita od gubitka jedne faze u
napajanju, nadstrujna zaštita, zaštita od previsoke temperature invertora, greška u sustavu hlañenja
pretvarača, zaštita od kratkog spoja u invertoru, te zaštita od zemnog spoja na 2,2kV implementirane
u sam pretvarač.
3.1.3. Zaštita elektromotora
U pretvaraču frekvencije integrirane su slijedeće zaštite elektromotora: zaštita od zakočenog
stanja rotora, zaštita od nadbrzine, nadnaponska/podnaponska zaštita i zaštita od gubitka jedne faze
na motoru. Zaštite od preopterećenja motora i pregrijavanja ležajeva su izvedene preko Pt100 sondi
ugrañenih u namote odnosno ležajeve motora.
Slika 5. Blok shema zaštite sustava napajanja agregata
7

3.2. Sustav zaštite generatora
Statorski namot generatora snage 5MVA, radne frekvencije 150/180/200Hz, spojen je u trokut
dok je statorski namot generatora 40MVA spojen u zvijezdu. Sukladno tome razlikuje se i koncept
zaštite generatora. Generatori se koriste isključivo za otočni pogon čemu je prilagoñen i koncept
zaštite.
3.2.1. Sustav zaštite generatora 5MVA
Za zaštitu generatora 5MVA se koristi modularna statička zaštita GSX3 proizvodnje Končar-
INEM. Osnovna izvedba mjernih releja zaštite specijalno je prilagoñena za radne frekvencije
150/180/200Hz.
Relejna zaštita agregata se sastoji od slijedećih modula
- diferencijalna zaštita generatora tip RDIM 111E
- trofazna nadstrujna zaštita tip RIVC 248E
- jednofazna nadnaponska zaštita RUVA 215E (2 kom.)
- jednofazna nadnaponska zaštita RUVA 117E
- jedinica za napajanje RNM514-2E; RNM 459E
- signalno isklopni modul RNB 634-2E
IL1,2,3
GSX3
KONČAR
RUVA 215E
59-1
U>
RUVA 215E
59-2
U>
RUWA 117E
59N
U0>
UL1-2
UL2-3
U0
IL1,2,3
RDIM 111E
87G
Idif
RIVC 248
50/51
I>>/I>
IL1,2,3
+ -
5MVA
6kV
G
3~
PLC
49
Slika 6. Blok shema zaštite (lijevo) i trofazni spoj diferencijalne zaštite (desno) generatora 5MVA
Opis korištenih funkcija statičke zaštite:
Diferencijalna zaštita generatora (87G) spaja se na strujne mjerne transformatore
generatorskih izvoda (specifičan spoj mjernih grana je prikazan na slici 6.). Koristi se niskoimpedantna
stabilizirana (dvonamotna) krivulja diferencijalne zaštite generatora.
Trenutna nadstrujna zaštita generatora (50) i vremenska nadstrujna zaštita generatora (51)
spajaju se na strujne mjerne transformatore u krugu generatorskih namota spojenih u trokut. Koriste
se kao lokalna rezervna nadstrujna zaštita za slučaj kratkih spojeva izvan štićenog područja
diferencijalne zaštite (vanjski kratki spojevi).
Zemljospojna zaštita (59N) spaja se na naponske mjerne transformatore na izvodima
generatora (na otvoreni trokut).
Nadnaponska zaštita je izvedena pomoću dva jednofazna modula koji mjere linijske napone
na izvodima generatora (51-1 mjeri napon U RS , 51-2 mjeri napon U ST ). Svaki modul uključuje dva
naponska stupnja, visokopodešeni trenutni i nižepodešeni sa vremenskim kašnjenjem. Oba stupnja sa
oba modula daju nalog za isključenje.
8

3.2.2. Sustav zaštite generatora 40MVA
Statorski namot generatora 40MVA spojen je u zvijezdu sa zvjezdištem uzemljenim preko velikog
otpora. Štićen je pomoću kompleksne numeričke zaštite 7UM62.
Osnovne karakteristike numeričke zaštite tipa 7UM62 su:
- velik izbor funkcija zaštita,
- mjerne funkcije zaštite točne u širokom pojasu frekvencije zahvaljujući praćenju frekvencije
ulaznog napona (radno područje 20-70Hz),
- programabilni binarni ulazi i kontaktni izlazi,
- mogućnost lokalne komunikacije, kronologije, arhiviranja dogañaja i zapisa kvarova
Slika 7. Blok shema zaštite generatora 40MVA
Opis korištenih funkcija numeričke zaštite:
Diferencijalna zaštita generatora (87G) spaja se na strujne mjerne transformatore agregata
(prema zvjezdištu i u polju 12 kV). Koristi se niskoimpedantna stabilizirana (dvonamotna) krivulja
diferencijalne zaštite generatora.
Trenutna nadstrujna zaštita generatora (50) i vremenska nadstrujna zaštita generatora (51)
spaja se na strujne mjerne transformatore prema zvjezdištu.
Zemljospojna zaštita statora – strujna (51N) se zasniva na mjerenju struje kroz otpornik za
uzemljenje zvjezdišta generatora (osnovni harmonik). Zaštita je neselektivna – prorañuje kod
zemljospoja u namotu generatora i kod zemljospoja u postrojenju.
Zemljospojna zaštita (59N) spaja se na naponske mjerne transformatore na izvodima
agregata (na osnovu mjerenih faznih napona relej računski dobiva nulti napon).
Zaštita od nesimetričnog opterećenja (46) zasniva se na mjerenju inverzne komponente struje
generatora. Koristi se termički model zagrijavanja s dva stupnja prorade: alarm i isklop.
Do povišenja napona generatora može doći uslijed nadnapona u prelaznim uvjetima (prazni
hod ili rasterećenje) uslijed porasta brzine vrtnje ili kvara na regulaciji uzbude. U stanju povećanog
napona postoji povećana opasnost proboja izolacije statorskog namota agregata, a povećano je i
zagrijavanje zbog povećanja gubitaka u željezu statora generatora. Za nadnaponsku zaštitu (59) se
koriste dva stupnja, visokopodešeni trenutni i nižepodešeni s vremenskim kašnjenjem. Oba stupnja
daju nalog za isključenje.
Do porasta brzine vrtnje agregata (porast frekvencije) može doći uslijed pogrešno postavljenih
parametara pretvarača frekvencije (limita brzine vrtnje i reference brzine vrtnje). Nadfrekventna zaštita
(81O) koja se zasniva na mjerenju frekvencije napona agregata rezervna je mjera za slučaj
neadekvatnog rada regulatora brzine vrtnje.
9

Zaštita od previsoke indukcije (24) zasniva se na odreñivanju omjera napona i frekvencije
generatora (U/f). U uvjetima povećanog omjera napona i frekvencije (omjer V/Hz) dolazi do zasićenja
magnetskog materijala i do pregrijavanja uslijed povećanih gubitaka. U praksi se previsoka indukcija
može očekivati kod rada sa sniženom frekvencijom uz neadekvatnu regulaciju.
4. ZAKLJUČAK
Sustav upravljanja i zaštite u pogonu napajanja ispitne stanice realiziran je tako da operateru
postrojenja daje kompletan uvid u stanje procesa i postrojenja kroz slijedeće funkcije: prikupljanje i
obrada podataka s procesnih kontrolera, vizualizacija stanja i mjerenih veličina, prikaz trendova
mjerenih veličina, prikaz alarmnih stanja i dogañaja te arhiviranje podataka u relacijsku bazu
podataka. Operator postrojenja preko operatorskih panela ima široke mogućnosti nadzora i
upravljanja s postrojenjem kroz: odabir režima rada, postavljanje referentnih vrijednosti, širok prikaz
procesnih slika, prikaz uklopnih i alarmnih stanja te numerički i grafički prikaz procesnih i električnih
veličina. S druge strane ispitivač u ispitnoj stanici ima samo osnovne komande za upravljanje s
izvorom napajanja i osloboñen je suvišnih podataka koji se ne tiču samog procesa ispitivanja.
Sustav upravljanja i zaštite je implementiran u novom pogonu napajanja ispitne stanice
tvornice KONČAR - Energetski transformatori d.d. i uspješno je pušten u rad.
5. LITERATURA
[1] grupa autora „Tehnički opis turbogeneratora 40MVA“, Končar-GIM., Zagreb, 2008.
[2] grupa autora „Tehnički opis generatora SB1259-16“, Končar-GIM., Zagreb, 2008.
10