A New Digital Protection Algorithm Design For Generators

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2000Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2000Üç fazlı güç sistemlerinde dengesizliğe neden olan çok sayıda etken vardır. Dengesizlik durumunda sistemde pozitif, negatif ve sıfir bileşen akım ve gerilimleri oluşur. Bunlardan negatif bileşen akımlarının generatörlerin hava aralığında oluşturduğu döner alan rotor sargısında şebeke frekansının iki katı frekansta bir gerilim endükler. Bunun sonucunda rotor gövdesinde sirkülasyon akımları oluşur ve rotor aşın ısınır. Generatörler bu duruma karşı uzun süre dayanamazlar. Bu çalışmada, generatörleri simetrik olmayan arızalara ve dengesiz çalışma durumlarına karşı korumak için yeni bir dijital koruma algoritması geüştirilmiştir. Geliştirilen koruma algoritması generatörün ani gücündeki sinusoidal bileşenleri gözlediğinden, başlangıçta bu sinusoidal bileşenlerin ortaya çıkmasına neden olan etkenler araştırılmıştır. Ani güçteki şebeke frekansının iki katı frekanslı sinusoidal bileşenlerin dengesizlikten kaynaklandığını kesin olarak ortaya koymak için faz bileşenleri ile simetrili bileşen yöntemleri kullanılarak ani güç eşitlikleri çıkartılmıştır. Matematiksel bağıntılardan görüldüğü gibi, dengeli durumda ani güç ortalama (aktif) güce eşittir. Dengesizlik durumunda ani güçte şebeke frekansının iki katı frekansta salınımlar oluşmakta ve bu salınımlara sıfir ve negatif bileşen akım ve gerilimleri neden olmaktadır. Bu nedenle, ani güçteki sinusoidal bileşenlerin genliği sistemdeki dengesizliğin belirlenmesinde bir gösterge olmaktadır. Geliştirilen koruma algoritması ani güçteki sistem frekansının iki katı frekanstaki bileşenin genliğini (dengesiz güç bileşenini) ayrık Fourier dönüşümü kullanarak hesaplamaktadır. Dengesiz güç bileşeninin arıza algılama değerini şebeke frekansının yan periyot süresi boyunca aştığı durumda algoritma, arızanın içeride veya dışanda olduğunu belirlemek için, negatif bileşen reaktif gücün (Q~) işaretini kontrol etmektedir. Q~'nin pozitif olması arızanın generator içinde olduğunu belirtir ve algoritma yaklaşık yan periyotluk bir süre içerisinde açma komutu verir. Q_'nin negatif olması durumunda ise algoritma simetrik olmayan dış arıza veya dengesiz yüklenmenin olduğunu algılar ve gecikmeli açma komutu verir. Şebeke frekansının iki katı frekanslı bileşenin birim değer cinsinden genliği, yine birim değer cinsinden, negatif bileşen akımının etkin değerine eşit olduğundan, simetrik olmayan dış arızalar ile dengesiz yüklenmelerde algoritma K= P2m2t bağıntısını kullanarak negatif bileşen aşın akım rölesinin gördüğü görevi yerine getirmektedir. Koruma algoritmasının farklı arızalar ile dengesiz yüklenme durumlarına karşı başanmını incelemek amacıyla bilgisayar benzetimleri yapılmıştır. Algoritmanın ıx performansının incelenmesi için gerekli olan sayısal veriler generatörün çıkış ucundan alınmış ve bu değerler EMTP programı kullanılarak elde edilmiştir. Dengesiz iç arızalar için açma değeri olarak, generatörün nominal gücünün % l'i kadar olacak biçimde seçilmiştir. Algoritma simetrik olmayan iç arızalarda bir periyottan daha kısa sürede açma komutu vermektedir. Simetrik olmayan dış arızalar ile dengesiz yüklenmelerde algoritma yedek korama görevi yaptığından, açma zamanı generatörün negatif bileşen akımına karşı dayanma yeteneğine göre belirlenir. Son olarak, iki adet senkron generator ile değişken yüklerden oluşan model güç sistemi ile algoritmanın gerçek zamanda sınaması yapılmıştır. Model güç sistemindeki generatörler 7 kVA gücünde olup, doğru akım motorları tarafindan tahrik edilmektedirler. Gerçek-zaman testleri için koruma algoritması 12 bitlik analog-dijital dönüştürücü (ADC) içeren veri toplama sisteminin bulunduğu bilgisayara yüklenmiştir. Üç faza ait gerilim ve akım işaretleri yalıtılıp, ADC'nin kabul edeceği gerilim seviyesine düşürüldükten sonra 600 Hz frekansla ömeklenmiştir. Gerçek-zaman test sonuçlarından, generatörleri simetrik olmayan arızalar ile dengesiz yüklenmelere karşı korumak için geliştirilen güç tabanlı koruma algoritmasının görevini tam olarak yerine getirdiği görülmektedir. Koruma algoritmasının normal çalışma durumunda kararlı kalarak açma işareti vermediği görülmüştür. Ayrıca gerçek-zaman test sonuçlarının bilgisayar benzetimleriyle uyuştuğu görülmüştür.There are several system conditions which can cause unbalanced three phase current in a power system. Any unbalanced condition can be resolved into positive, negative, and zero sequence component. The negative sequence component causes a rotating field and generates double frequency e.m.f s in the field winding and rotor body. The resulting eddy currents are very large and cause heating of the rotor body. The machine can not withstand this for a long time. This study has introduced a new power based algorithm to provide protection for generator against unbalanced fault and conditions. Since the proposed algorithm is based on the measurement of power output of the generator and monitors the sinusoidal component of the instantaneous power, an investigation is carried out to find out what causes the sinusoidal oscillations on the instantaneous power. Mathematical equations are derived to calculate instantaneous power using symmetrical component and direct phase quantities to clarify the relationships between these oscillations and unbalanced operation of the power systems. The derived equations show that under balanced conditions, instantaneous power equals to the average (active) power. Under unbalanced conditions instantaneous power oscillates at twice the power system frequency, and these oscillations are due to negative and zero sequence component resulting from unbalanced system conditions. Therefore the magnitude of the sinusoidal oscillations can be used as a measure of system unbalance. The proposed protection algorithm computes the magnitude of double frequency component (unbalanced power component) of the instantaneous power using DFT. Whenever the unbalanced power component exceeds a pre-defined value for a half period of power system frequency, the algorithm checks the sign of the negative sequence reactive power (Q~) to find out if the fault is internal or external. The positive sign of Q~ indicates an internal fault, and the algorithm trips within half a period of power system frequency. Otherwise, the negative sign indicates an internal fault or external unbalanced condition, then the algorithm trips after a time delay to provide back up protection. Since the magnitude of double frequency component of the instantaneous power in pu equals to the negative sequence current in pu, the equation of K= P2m2t can be used to provide back protection characteristic for external unbalanced fault and conditions as negative sequence overcurrent protection scheme does. XI Extensive computer simulation studies have been undertaken to examine the performance of the new protection algorithm for different unbalanced faults and conditions. Required signals for the performance analysis of the proposed algorithm are produced at the generator terminal using EMTP simulation program. The trip level is chosen such that, 1 % increase the generator unbalanced power component based on its rated value will just produce a trip signal for internal asymmetrical faults. The trip time is a half period of power system frequency. Since the algorithm backs up the external asymmetrical faults and conditions, the trip time is determined according to the withstand capability of negative sequence current for external unbalanced conditions. Finally, the real time implementation and testing of the proposed algorithm is carried out by using a model power system containing two small synchronous generators and variable resistive load banks. Both generators have 7 kVA rated capacity and are driven by dc machines. The protection algorithm was programmed into the personal computer to run real time using the existing data acquisition system. The system uses a 12 bit analog to digital converter (ADC) with a selectable input gain. After isolating and analog scaling process the current and voltage signals are sampled at 600 Hz frequency. The results recorded from real-time tests show that the power based algorithm for unbalanced faults and loading protection works correctly in a real-time test system. Real-time test results have shown that the algorithm remains stable during normal operating conditions. Real-time test results also agree with computer simulation results. DoktoraPh.D