1. Úvod

V oblasti ochran alternátorů a přenosových vedení el. soustavy lze sledovat rychlý rozvoj technologie výroby ochran a součástkové základny orientované na digitální techniku. Rozšiřují se také možnosti funkčního využití ochran a sledují se tendence dalšího rozvoje v oboru chráněných synchronních strojů a vedení.

Nástup digitální techniky ve všech technicky vyspělých zemích umožňuje racionalizaci vnitřní stavby ochran. Ukazuje se, že principy a základní funkce ochran se v podstatě sjednocují, ať už se jedná o rychlé, nebo záložní působení. Chránění prvků el. soustavy se na druhé straně stává stále složitější záležitostí, díky stoupajícímu zatížení soustavy, nárokům na kvalitu dodávky el. Energie a složitosti konfigurace sítě. Tyto aspekty vedou k požadavku zkracování doby trvání zkratu pro zvyšení spolehlivosti provozu el. soustavy a rychlé likvidace poruchových stavů. Současně s tím rostou tlaky na snižování pořizovacích a provozních nákladů systému chránění el. soustavy.

U digitálních ochran jsou předpoklady pro splnění všech těchto požadavků, nicméně zárověň rostou nároky na přizpůsobení, nařízení a údržbu ochran, normalizaci vstupů a infrastrukturu přenosových cest. Velké množství vstupních hodnot a informací, které tyto ochrany zpracovávají, vyžaduje složitější a náročnější vnitřní strukturu. Revize kontroly a seřízení těchto digitálních ochran nelze provádět dříve obvyklými prostředky, ale speciálními počítačovými systémy schopnými komunikovat s ochranou. Proto je třeba při projektech rekonstrukcí a náhradě klasických ochran digitálními postupovat uvážlivě, respektovat místní podmínky provozu a hospodárnost návrhu. Normalizace v oblasti digitálních ochran bude realizována na základě těsné spolupráce mezi výrobci a uživateli těchto zařízení. Bude se týkat všech stavebních prvků, logických členů, přenosových cest a všech typů výstupů. Povede to k tvorbě otevřených systémů umožňujících kombinaci různých modulů a funkčních celků ochran při zachování rozumných nákladů.

Ověření správného nastavení ochrany, zkoušky a testy ochran mohou být komplexnější a přísnější, navíc mohou být digitální ochrany testovány i průběžně za provozu vlastních kontrolním systémem. Tím se prodlužují možné intervaly mezi kontrolami a ověřováním správné činnosti ochran. Číslicové ochrany mohou vyhodnocovat poruchové stavy zcela novými sofistikovaněkšími metodami, jsou schopny registrovat stavy před poruchou, způsob likvidace poruchy a evidovat všechny mimořádné a poruchové stavy. Navíc lze ihned analyzovat vzniklý poruchový stav a předat potřebné informace na vyšší řídící úroveň. Soubor informací o poruchách slouží také k tomu, aby bylo možno omezit opakující se poruchy a pro plánování údržby, revizí a oprav zařízení. Je třeba mít stále na mysli, že nová generace systému chránění musí splňovat požadavky, které jsou dány provozem důležitých energetických zařízení a zabezpečováním jejich bezporuchové a spolehlivé funkce.

Nové a náročnější požadavky jsou proto směřovány na výrobce ochran a převodníků veličin, tedy transformátorů proudu a napětí. Pro posouzení správné činnosti systému chránění je třeba provádět zkoušky celého systému, t.j. ochrany včetně měřících transformátorů. Ukazuje se, že je nutné používat transformátory proudu s lineární charakteristikou ve velkém rozsahu, případně využívat inteligentních algoritmů, které eliminují zkreslení vstuních údajů. U digitálních ochran můžeme rozšířit množství vstupních údajů tak, aby analýza poruchy byla provedena naprosto správně. Otázka správného vyhodnocení rychlých přechodných jevů při poruchových stavech je v současné době stále složitější. Nároky na krátkou dobu působení ochrany, potřeba vysoké selektivity ochran a nutnost rychlého působení i v záložní funkci tuto skutečnost potvrzují. Ukazuje se, že významným přínosem pro rozvoj nové generace ochran je také využití optických kabelů pro zkvalitnění přenosu informací.

1. Vliv doby trvání zkratu na stabilitu alternátoru

Uvažujeme alternátor pracující přes blokový transformátor a vedení do el. soustavy. Vytvořením matematického modelu soustavy turbina-alternátor a jejího připojení k el. soustavě lze sledovat otázky statické a dynamické stability alternátoru při provozních i poruchových stavech, chování synchronního stroje při turbinovém i čerpadlovém provozu, rozběhu soustrojí, nebo při vzniku zkratu na blokovém vedení a v závislosti na způsobu likvidace poruchových stavů.

Důležitým parametrm je doba trvání zkratu a možnost použití cyklu rychlého OZ, i když je tento postup v blízkosti zdroje problematický. Nové digitální ochrany umožňují svým rychlým a spolehlivým působením lepší podmínky synchronního chodu alternátoru při vzniku zkratových stavů v nedaleké elektrické vzdálenosti.

Model soustavy turbina-alternátor a jevy probíhající při provozních a poruchových stavech jsou dány při našem zjednodušení numerickým řešením následujících algebro diferenciálních rovnic:

Význam veličin je zřejmý z obrázku číslo 1. a následujícího popisu:

E_q - vnitřní napětí alternátoru v příčné ose

E - vnitřní napětí alternátoru v podélné ose

E_q^/ - přechodné vnitřní napětí alternátoru v příčné ose

U_S - napětí sítě

x_q - reaktance alternátoru v příčné ose

x_d' - přechodná reaktance alternátoru v podélné ose

x_d - synchronní reaktance alternátoru

Y₁₁, Y₁₂ - velikost admitancí charakterizujících vazbu alternátoru na síť

₁₁, ₁₂ - úhlová charakteristika těchto admitancí

- zátěžný úhel alternátoru

- relativní úhlová rychlost alternátoru proti točivému poli sítě

P_a, Q_a - výkony dodávané alternátorem

P_t - výkon dodávaný turbinou

U_if - budící napětí alternátoru

K_tlum - koeficient respektující mechanické tlumení soustavy alternátor - turbina

T_d0 - mechanická časová konstanta soustavy alternátor - turbina

T_m - časová konstanta budící soustavy alternátoru

T_f - časová konstanta nárazového přibuzování

f - frekvence napětí

Parametry alternátoru pro zvolený případ:

x_q = 0.679 p.u., x_d' = 0.199 p.u., x_d = 1.188 p.u.
Y₁₁ = 1.187 Y₁₂ = 0.162 p.u.,
₁₁ = 0.00349rad ₁₂ = -0.0157

(Y_ij, _ij platí pouze pro bezporuchový stav)

U_n = 1 p.u. U_if0 = 2.42 p.u. U_if = 2.5 x U_if0

K_tlum = 3, T_d0 = 5.0 sec, T_m = 11.0 sec

T_f = 0.35 sec

Pracovní P,Q diagram synchronního stroje pro turbinový i čerpadlový provoz je na obrázku číslo 2.:

1. Výsledky řešení

Alternátor pracuje do el. soustavy přes blokový transformétor a dvojité vedení vvn. Na jednom vedení vznikne zkrat, který je vypnut vypínačem a poté proběhne úspěšný OZ. Přitom působí nárazové přibuzení.

Na obázku číslo 3. Je průběh činného výkonu P_a a jalového výkonu Q_a v případě, že k vypnutí zkratu došlo v době 0.2 sec, což je dostatečné pro obnovení stability alternátoru.

V průbězích výkonů jsou velké nespojitosti, které jsou způsobeny poruchou, jejím vypnutím a OZ.

Na obrázku číslo 4, je znázorněna závislost činného výkonu předávaného alternátorem do sítě P_a v průběhu poruchového stavu.

V tomto zobrazení jsou přehledněji vidět již zmíněné nespojitosti ve výkonu, navíc je patrný vliv nárazového přibuzení.

Analýzou nutné doby vypnutí ochrany postupnou aproximací byla stanovena její mezní hodnota na 0.277 sec (s přesností 0.001 sec), při neuvažování OZ. Nutné vypínací doby získané ze simulací jsou důležité pro nastavení ochran jak klasických, tak především digitálních, kde lze využít přesnost. Je si ovšem třeba uvědomit, že kvalitě simulace musí odpovídat rovněž kvalita vlastních parametrů modelu, které má smysl pro praktické účely uvažovat pouze ty, které byly získány přímým měřením na konkrétním systému.