New generator incomplete differential protection based on wavelet transform
DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2003.08.005
May 2004
Abstract
This paper proposes a digital computer technique based on wavelet transform for generator incomplete differential protection scheme. Exploitation of the fault-generated high frequency currents, the new scheme can provide fault detection with high sensitivity and is also capable of discriminating between internal and external faults. The effectiveness of the proposed scheme was verified both in the experiment and in the field. The results show that the scheme can detect the generator fault with high sensitivity and selectivity during all operation conditions
Keywords: Generator internal fault, Wavelet transform, Incomplete differential protection, High frequency current
حفاظت ناتمام ديفرانسيلی ژنراتور جدید براساس تبديل موجك
چکیده
اين مقاله تکنیک كامپيوتري دیجینال بر مبنای تبدیل برای طرح ديفرانسيلي ناقص ژنراتور مطرح می کند. با استفاده از خطاي جريان‌هاي فركانس بالاي ژنراتور طرحي جديد ایجاد شده که می تواند به تشخیص خطا با حساسيت بالايي پرداخته و همچنبن قادر به تفکیک بین خطاهاي داخلي و خارجي می باشد. كارآيي طرح پيشنهادي در آزمايش و عمل به اثبات رسيده است. نتايج نشان دهنده آن هستند كه طرح مزبور مي‌تواند خطای ژنراتور را با حساسيت بالايي در تمامي شرايط كاري آشکار نمايد.
کلیدواژه: خطای داخلی ژنراتور، تبدیل موجک، حفاظت دفرانسیل،جریان فرکانس بالا
۱٫ مقدمه
خطاهای استاتور ژنراتورهای سنکرون ایجاد مشکلات جدی خواهند کرد زیرا که این خطاها همراه با خطاهای بزرگ جریان هستند، که نتیجه‌ي این عمل آسیب‌های مکانیکی و هزینه‌ي تعمیرات بسیار بالاست[۱,۲]. حفاظت دیفرانسیل یکی از متعارف ترین روش‌هایی است که برای حفاظت استاتورهای ماشین‌های سنکرون بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر یک ژنراتور بزرگ و گران قیمت را در نظر بگیریم، حفاظت از آن مسئله‌ی بسیار مهمی است و امكان دارد خطاهاي داخلي باعث آسيب‌هاي جدي به قسمت‌هاي مكانيكي و آسيب های حرارتي شوند. از این رو؛ تجهیزات کاملی جهت سیستم محافظت ژنراتور مورد نیاز است. جهت توسعه‌ي بهینه‌ي تجهیزات محافظت ژنراتورها، تلاش‌های بسیاری انجام شده است. از جمله این روش‌ها می‌توان به حفاظت دیفرانسیل ؛ حفاظت دیفرانسیل قطع- فاز متقاطع و حفاظت دیفرانسیل متقاطع دستگاه ها اشاره کرد که البته نمی‌توان گفت این روش‌ها کامل هستند و مواردی مشاهده شده است که قادر به تشخیص نیستند[۲]. برای مثال برای اتصال کوتاهی که در محدوده ی ۲۵/۸۱% (نسبت به نقطه ی خنثی) و ۵۸/۸۹% در انشعاب فاز A (که به صورت عبارت a1 مشخص شده است)، جریان‌های گذرا بسیار کوچک بوده و تمامی طرح‌ها قادر به تشخیص این مورد نیستند. (این مثال در ادامه توضیح داده خواهد شد.)
بیشتر طرح‌های حفاظت دیفرانسیل که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند یا براساس رله‌های دیفرانسیل اند و یا از نوع میکروکامپیوترها هستند، كه تاريخچه‌ي طولاني‌اي در فراهم آوردن حفاظت قابل اطمينان دارند و هنوز هم مورد استفاده قرار مي‌گيرند. این روش‌ها عموماً بر اساس استخراج سیگنال‌های فرکانس جریان جهت پیدا کردن خطاها هستند .[۳-۶]زمانی که خطایی در پهنای باند وسیع و یا در موج‌های جریان موثر در ژنراتور ایجاد می‌گردد؛ نوع جدیدی از رله‌های جریان دیفرانسیل که قادرند استخراج سیگنال های فرکانس بالا را به انجام برسانند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسياري از اين سيگنال‌ها خارج از پهناي باند قابل تشخيص جهت ارائه‌ی طرح حفاظت هستند. در روش‌هاي قبلي، استفاده‌ي از تبديل موجك به طور موفقيت آميزي جهت توسعه‌ي حفاظت‌هاي جديد مورد استفاده قرار گرفته است. در برخي مراجع[۶] استفاده‌ي از تبديل موجك جهت اندازه‌گيري خطاي ايجاد شده‌ي سيگنال‌هاي فركانس بالا در ژنراتورها به كار رفته است. در مقایسه‌ي با روش معمول آنالیز فوریه که متوسط فرکانس در حوزه زمانی و فرکانسی محاسبه می‌شود؛ در روش موجک تجزیه سیگنال‌ها در سطوح مختلف دقت انجام می‌پذیرد (در بازه‌هاي فركانسي). روشی که ما در اینجا به آن می‌پردازیم، طرح استفاده‌ي از كامپيوترهاي ديجيتال به صورت آني جهت حفاظت ديفرانسيلي ژنراتورهاي سنكرون بر اساس ارسال موجك در جریان های فرکانس بالا است. تاثیر این روش در عمل و در شرایط واقعی آزموده شده است.
در ادامه مباحث زير را مورد بررسي قرار مي‌دهيم: در بخش ۲ قاعده‌ي كلي طرح آناليز حفاظت ديفرانسيل بر اساس موجك تشريح مي‌گردد؛ در بخش ۳ معرفي كلي تبديل موجك انجام شده و طرح حفاظت ديفرانسيل بر اساس جريان‌هاي فركانس بالا مورد بررسي قرار مي‌گيرد؛ در بخش ۴ شرح و بحث موارد عملي و نتايج آزمايش‌هاي ميداني گفته شده و نتيجه‌گيري نهايي در بخش ۵ آورده شده است.
۲٫ قاعده‌ي كلي حفاظت ديفرانسيل بر اساس موجك
۲٫۱٫ آناليز فركانس بالاي خطاهاي ژنراتورها
رفتارهاي حالت ماندگار و گذراي ژنراتورهاي بزرگ در شرايط مختلفي بايد مورد بررسي قرار گيرند. [۱,۲,۷-۱۰] بر اساس مدل‌هاي مختلف رياضي، نتايج شبيه‌سازي نشان دهنده‌ي آن هستند، زماني كه خطاي داخلي در سيم‌پيچ‌هاي استاتور اتفاق مي‌افتد، نه تنها هارمونيك‌هاي شكاف هوايي خيلي قوي‌اند، بلكه ديگر هارمونيك‌هاي كوچك زوج و فرد نيز به وجود مي‌آيند. نتايج آناليز هارمونيك‌هاي شبيه‌سازي شده نشان دهنده‌ي آن هستند كه اغتشاشات جريان‌ها قابل ملاحظه هستند. براي مثال جريان تحريك حاوي دومين و چهارمين هارمونيك‌هاي بزرگ است كه به جريان DC تجهيزات افزوده مي‌شود. به طور مشابه جريان‌هاي استاتور حاوي سومين و پنجمين هارمونيك است كه به جريان‌هاي اصلي تجهيزات افزوده مي‌گردد. در برخي منابع[۱۰] ، نتايج اندازه‌گيري‌ها معلوم كرده‌اند كه در ماشين‌هاي سنكرون جريان‌هاي هارمونيك قابل ملاحظه‌اي در صورت ايجاد خطاهاي داخلي به وجود مي‌آيد. در اين مثال ژنراتور حاوي سه شاخه در هر فاز و هر شاخه حاوي ۳۶ شيار است. براي مثال، زماني كه ۵ شيار اتصال كوتاه مي‌شوند، هارمونيك‌هاي سوم، پنجم و هفتم جريان استاتور به ترتيب ۹۹/۱۴%، ۹۲/۵% و ۴۴/۱۶% جريان كل تجهيزات هستند. در خلاصه، جريان هارمونيك تجهيزات در استاتور و روتور در زمان خطاي داخلي مي‌تواند خيلي بيشتر از مقدارش در زمان كار عادي باشد. در شرايط معمول، تقريباً هيچ جريان هارمونيكي به خاطر تقارن استاتور ايجاد نمي‌گردد. هر چند كه، اگر سيم‌پيچ‌هاي فاز در حالت خطاهاي داخلي آسيب نبينند، نتايج شبيه‌سازي و اندازه‌گيري نشان داده‌اند كه جريان‌هاي هارمونيك در سيم‌پيچ‌هاي استاتور مي‌توانند بسيار بزرگ باشند. از اين رو، بايد به اثرات هارمونيك‌هاي جريان اينچنيني كه در اثر خطاهاي داخلي به‌وجود مي‌آيند، توجه شود و طرح مناسبي جهت حفاظت مناسب مورد بررسي قرار گيرد.
۲٫۲٫ قاعده‌ي كلي حفاظت ديفرانسيل بر اساس موجك
در كل طرح‌هاي مرسوم حفاظت بر اساس استخراج سيگنال‌هاي جريان و ولتاژ از فركانس توان سيستم جهت تشخيص خطا، قرار دارد. سيگنال‌هاي فركانس بالاي با پهناي زياد ژنراتورها عموماً در زمان خطا خارج از پهناي باند جريان‌هاي اكثر ترانسفورماتورها هستند. از اين رو، تقريباً هيچ فعالیت خاصی در مورد استفاده‌ي از فركانس بالا براي حفاظت ژنراتورها، گزارش نشده است.
دانلود مقاله انگلیسی و ترجمه کامل فارسی
من
سامان نصیری نویسنده این مقاله هستم.