In tali sistemi, l'interazione tra diversi generatori sincrono durante condizioni anormali come i cortocircuiti crea comportamenti transitori complessi che non possono essere adeguatamente compresi utilizzando semplici modelli di generazione per fase. Questo articolo presenta un caso esteso di analisi dei guasti in un impianto di alimentazione multigeneratore utilizzando il metodo di base simmetrica.

Introduzione all'analisi dei guasti nei sistemi di potenza

L'analisi di guasto è una pietra angolare dell'ingegneria del sistema di alimentazione, che consiste nello studiare il comportamento del sistema in condizioni anormali, come le correnti trifase, linea-to-line, doppia linea-to-ground e i difetti di linea-to-ground, per determinare le correnti di guasto, le disavanzi di tensione e le tensioni risultanti sull'apparecchiatura.

Gli obiettivi principali dell'analisi dei guasti in un impianto multi-generatore includono:

  • Determinazione delle correnti di guasto massimo e minimo per il dimensionamento e il coordinamento del relè del frantoio.
  • Valutazione dell'impatto dei neutralizzatori di caduta o delle resistenze di messa a terra.
  • Valutare la stabilità dei generatori sincroni durante e dopo la colpa.
  • Progettare sistemi protettivi che isolano la sezione difettosa mantenendo l'alimentazione elettrica alle parti sane.

I calcoli basati sul phasor tradizionali diventano rapidamente inflessibili quando si verificano errori sbilanciati. Questo è dove il metodo di componenti simmetrici[[], introdotto da Charles LeGeyt Fortescue nel 1918, si rivela indispensabile.

Metodo dei componenti simmetrici

I componenti simmetrici trasformano un sistema trifase sbilanciato in tre sistemi indipendenti bilanciati: la sequenza positiva, la sequenza negativa e la sequenza zero. Ogni rete di sequenze può essere risolta separatamente utilizzando l'analisi dei circuiti AC standard, e i risultati sono ricombinati per ottenere quantità di fase reali.

Rete di sicurezza positiva

La rete di sequenze positive rappresenta il sistema in funzione del normale funzionamento bilanciato. Tensioni e correnti hanno la stessa magnitudine e sono separate da 120 gradi nella sequenza di fase A‐B‐C. Tutti i macchinari rotanti—generatori, motori, condensatori sincroni—sono modellati con le loro impedenze di sequenza positiva (spesso denotato Z1).

Rete di sicurezza negativa

La rete di sequenza negativa rappresenta condizioni sbilanciate che producono correnti che ruotano di fronte alla direzione normale. L'impedenza di sequenza negativa di un generatore, Z2, è solitamente inferiore a Z1 perché il rotore presenta un percorso magnetico diverso ai campi di sequenza negativa. In molte analisi pratiche, Z2 è preso come la reazione di sequenza negativa X2, che per le macchine a poli salienti è di circa Xtransranze.

Rete di sicurezza zero

La rete di zero-sequenza gestisce correnti che sono in fase in tutti e tre i conduttori e ritornano attraverso il terreno, fili neutri, o entrambi. L'impedenza di sequenza zero Z0 dipende pesantemente dalle connessioni di avvolgimento (wye o delta) e dalle pratiche di messa a terra.

Un vantaggio fondamentale del metodo dei componenti simmetrici è che le tre reti di sequenza sono indipendenti; sono interconnesse solo al punto di errore in modo dettato dal tipo di guasto (ad esempio, connessione di serie per un'unica guasto di linea-terra, connessione parallela per un guasto linea-to-line).

Applicare componenti simmetriche a un impianto di alimentazione multi-Generatore

Quando diversi generatori sono collegati ad un bus comune, ogni impedenza di sequenza del generatore deve essere considerata nella rete di sequenza generale. L'interconnessione reale dipende dalla topologia dell'impianto, se i generatori alimentano un singolo bus attraverso singoli rompi, o se sono disposti in una configurazione di unità di trasmissione del generatore.

La procedura generale per analizzare un difetto in tale impianto è:

  1. Sviluppare diagrammi di impedenza positiva, negativa e zero-sequenza[[] per l'intero sistema, inclusi generatori, trasformatori, barre di autobus, linee di trasmissione e qualsiasi carico che contribuisca alla corrente di guasto.
  2. Ridurre ogni rete di sequenze[[[] ad un'impedenza equivalente di Thévenin come visto dal punto di errore.Per un bus multi-generatore, questo comporta in genere combinazioni parallele di impedenze di sequenza di generatore più le impedenze di trasformatori e linee.
  3. Connettare le reti di sequenza[[]] secondo il tipo di guasto. Per un difetto bilanciato a tre fasi, viene utilizzata solo la rete di sequenza positiva. Per i guasti sbilanciati, le reti di sequenza sono collegate in serie, parallele o una combinazione di esse.
  4. Solve per le correnti di sequenza[] al punto di errore utilizzando la legge di Ohm: I1 = Vprefault / (Z1 + Z2 + Z0) per un singolo difetto di linea-to-terra, ecc.
  5. Correnti di sequenza di trasferimento indietro in correnti di fase[] utilizzando la trasformazione inversa di Fortescue: Ia = I1 + I2 + I0, Ib]] = a2I1 + aI2 + I02 = I[FLT]

Il contributo di ogni singolo generatore alla corrente di guasto totale può essere trovato distribuendo la corrente di sequenza secondo la divisione corrente in ogni rete di sequenza.

Sistema di Per-Unit e quantità di base

I calcoli di default sono quasi esclusivamente eseguiti utilizzando il sistema per-unit (pu) per evitare di trattare con grande tensione e magnitudine di corrente e per consentire una facile combinazione di apparecchiature da diversi livelli di tensione. In questo caso, lo studio adotta una base comune di 100 MVA e 13.8 kV per tutte le reti di sequenza.

Per un trattamento dettagliato dei calcoli per unità, i lettori possono fare riferimento a manuali di sistema di alimentazione standard come IEEE] pratiche consigliate o il lavoro classico di Grainger e Stevenson.

Case study: impianto a tre generazioni con un autobus di default

Lo studio del caso prevede una centrale elettrica con tre generatori sincrono identici (ciascuna potenza nominale di 100 MVA, 13.8 kV) collegati ad un autobus comune attraverso singoli trasformatori step-up (13.8/138 kV, 100 MVA ciascuno, XT[ = 10% sulla propria base).

Dati di sistema e Assunzioni

  • Punteggio del generatore: 100 MVA, 13.8 kV, X′d = 0.15 pu (sequenza positiva), X2 = 0.12 pu, X0 = 0.06 pu (tutti sulla base del generatore). I generatori sono solidamente macinati attraverso una resistenza neutra di 0,5 Ω.
  • Impedenza del trasformatore: 10% (0.1 pu) su 100 MVA base, 13.8/138 kV. Per semplicità, i trasformatori sono considerati delta‐wye messa a terra sul lato alto e wye‐delta sul lato basso; percorso di sequenza zero è bloccato per avvolgimento delta.
  • Posizione di default: bus 13.8 kV (punto F).
  • Tensione di pre-fault: 1.0 pu a tutti gli autobus (neglecting load flow Effects).

Passo 1: Sviluppo della rete di sequenza

Ogni generatore è rappresentato dalla sua reattività subtransiente, sulla base comune di 100 MVA, i valori per-unit diventano:

  • Generatore 1, 2, 3: Z1 = j0.15 c, Z2 = j0.12 c, Z0 = j0.06 c + 3Zn]. La resistenza neutrale per fase è di 0,5 Ω. A 13.8 kV e 100 MVA, impedenza di base Zbase = (134482.
  • Impedenza del trasformatore: ZT[] = j0.1 pu (già su 100 MVA base). Per un difetto trifase, il trasformatore è in linea ma il difetto è sul lato a bassa tensione, quindi l'impedenza di sequenza zero del trasformatore può essere considerata infinita se il collegamento a carica blocca la sequenza zero-sequenza (delta su un lato positivo).

Fase 2: Equivalente Thévenin Impedenza al punto di default

Per un difetto trifase, viene utilizzata solo la rete di sequenza positiva. I tre generatori sono paralleli attraverso i rispettivi trasformatori. L'impedenza equivalente di sequenza positiva vista dall'autobus è la combinazione parallela di tre rami identici. Ogni ramo ha Z1 gen + Z T = j0.15 + j0.1 = j0.25 pu. Pertanto, totale Z1 eq = (j0.25) pu/30.083 = j0.

Passo 3: Calcolo Corrente di guasto

La corrente di guasto trifase (per-unità) è I1 = V]prefault / Z1 eq = 1.0 / j0.08333 = –j12.0 pu (magnitudine 12.0 pu). Corrente di base a 13.8 kV e 100 MVA è Ibase = 100 MVA / 13

Passo 4: Contributi del generatore

Poiché i tre rami sono identici, ogni generatore contribuisce un terzo della corrente di guasto totale: 50.208 / 3 ≈ 16,736 A. Questo valore è all'interno della tipica capacità di interruttore di media tensione (ad esempio, 40 kA a 63 kA), confermando che i rompi sono adeguati.

Analisi aggiuntiva: Singola linea-a-torno

Il gruppo di lavoro è composto da un gruppo di lavoro di tipo "in" (in inglese) e "in inglese" (in inglese)

La corrente totale della sequenza per un singolo difetto di linea-to-ground (fase A) è: I1 = I2 = I0 = Vprefault[ / (Z1 + Z2 + Z0) = 1.0 / (j0.08333 + j0.07333 + (0.78 + j0.02)) = 1.0 / (0.78 + j0.176ault fase 1.0.

Risultati e discussioni

Per la guasto trifase, la corrente di guasto totale di 50.2 kA è all’interno del rating 63 kA tipico per commutatore di corrente metallica da 13,8 kV, anche se è necessario un coordinamento attento perché interrompono le correnti vicino al massimo possono interruttori di stress.

L'analisi di guasto monofilato dimostra come un neutro solido possa ancora consentire una sostanziale corrente di terra. Se la resistenza neutrale fosse più grande, la corrente di caduta del terreno sarebbe ridotta, potenzialmente richiedendo una protezione sensibile di caduta del terreno. Questo scambio tra magnitudo di guasto e sensibilità protettiva è una decisione di progettazione classica.

Implicazioni di relè protettive

Con i contributi di guasto noti, gli ingegneri possono impostare relè sovracorrenti (ad esempio, 51G per terra, 51 per fase) e relè differenziali (87G per generatore, 87B per bus) per raggiungere la selettività. Il relè differenziale bus deve operare rapidamente per un guasto di autobus prima che si apra un qualsiasi generatore di rottura, evitando la cattiva gestione durante i difetti esterni.

Conclusioni

Questo studio approfondito dimostra che il metodo dei componenti simmetrici è uno strumento essenziale per l'analisi dei guasti nelle centrali multigeneratori. Decompondo le condizioni sbilanciate in tre reti di sequenza bilanciate, gli ingegneri possono calcolare le correnti di guasto con chiarezza e precisione, anche quando diversi generatori interagiscono. L'esempio di una sicurezza trifase e di un guasto di linea singola a un bus comune illustra come le impedenze di grandezza dei generatori.

Ulteriori letture sull'argomento sono disponibili da [WECC] linee guida di analisi dei guasti e il libro di testo classico [Power System Analysis[] di John J. Grainger e William D. Stevenson Jr. (McGraw‐Hill).