بررسی عملکرد سیستم حفاظتی ژنراتور و باس 6kV نیروگاه طوس در یک حادثه واقعی با شبیه‌سازی در نرم‌افزار DIgSILENT

علی ابراهیمی اله آبادی، شرکت افق تأمین انرژی طوس، نیروگاه بخاری طوس، مشهد، ایران، a.ebrahimi@otet.co

چکیده — بررسی رفتار سیستم‌های حفاظتی مربوط به تجهیزات حساس نیروگاهی (از جمله ژنراتورها، باسبارها و …) هنگام بروز خطا و اطمینان از عملکرد صحیح و قابلیت اطمینان آنها، یکی از مهمترین موضوعات مورد بررسی، خصوصاً در نیروگاه‌های قدیمی (با سیستم حفاظتی قدیمی و غیر دیجیتالی) است. در این مقاله ضمن تحلیل حادثه منجر به تریپ واحد 3 نیروگاه طوس ناشی از بی‌برق شدن پمپهای روغن کنترل توربین، به بررسی دالیل تریپ و شبیه سازی شرایط واقعی حادثه و عملکرد سیستم حفاظتی ژنراتور و باس های مصرف داخلی واحد (در نرم‌افزار DIgSILENT) پرداخته شده است.

نتایج، عملکرد اشتباه یکی از حفاظت های باس مصرف داخلی واحد را نشان می دهد. استفاده از تجربیات ارائه شده در این مقاله برای کاهش زمان عیب یابی در حوادث مشابه و اطمینان از وضعیت سیستمهای حفاظتی برای راه اندازی مجدد واحد در نیروگاه‌های دارای سیستم حفاظتی مشابه مفید خواهد بود.

واژه‌های کلیدی — آندر ولتاژ، رله، حفاظت ژنراتور، دیگسایلنت

1 .مقدمه : توقف های اضطراری نیروگاه ها که در زمان نامشخص رخ می دهد، پایداری شبکه برق را کاهش می دهد. تجربه نشان می دهد، سیستم حفاظتی واحدهایی که بیش از 20 سال از عمر آنها سپری شده، در تشخیص بعضی از عیوب و شرایط خطا ناتوان بوده و قادر به عملکرد صحیح نیستند.

یکی از راه‌های کاهش زمان خروج‌های اضطراری و محدودیت‌های تولید، بررسی نمودارها و اطلاعات ثبت شده توسط دستگاه‌های اندازه‌گیری و حفاظتی در لحظه رخداد حادثه و انجام اقدامات اصلاحی (تعمیراتی، تغییر طرح و یا در صورت نیاز بهینه‌سازی) برای جلوگیری از تکرار حوادث مشابه است . در تجربیات مشابهی در بررسی عملکرد سیستم حفاظتی ژنراتور، در تریپ واحد سه نیروگاه طوس ارائه شده و با بررسی اطلاعات رکوردرهای توان و فرکانس ژنراتور، شبیه‌سازی عملکرد رله‌ها در نرم‌افزار دیگسایلنت و بررسی علل صدور فرامین تریپ رله‌های حفاظتی(با استفاده از اطلاعات رکوردرها)، لزوم نصب حفاظت پشتیبان دیجیتالی برای ژنراتورهای نیروگاه طوس بررسی شده است. با استفاده از پارامترهای رله‌های حفاظتی خط و ژنراتور به بررسی خروج واحد یک اشکودا نیروگاه مشهد (و متعاقباً بی‌برقی پست‌های شعاعی غدیر و رضوی در حادثه شبکه فوق‌ توزیع خراسان رضوی) در شهریور 1395 پرداخته شده و پیشنهادهایی برای جلوگیری از تکرار حوادث مشابه ارائه شده است. جرائم ناشی از خروج اضطراری نیروگاه‌ها و هزینه‌های سنگین ناشی از توقف تولید (خصوصاً در نیروگاههای خصوصی مانند نیروگاه طوس)، باعث شده تجزیه و تحلیل و ثبت تجربیات در حوادث منجر به تریپ (خصوصاً در نیروگاه‌های قدیمی با سیستم حفاظتی غیر دیجیتالی مانند نیروگاه طوس)، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار باشد. تفاوت در توپولوژی سیستم حفاظتی، گستردگی تجهیزاتی که نقص (احتمالی) در آنها منجر به تریپ واحد می‌شود و عدم وجود سیستم DCS و حفاظت پشتیبان دیجیتالی در نیروگاه‌های قدیمی نیز از دیگر عواملی است که ضرورت بررسی و تحلیل رفتار سیستم‌های حفاظتی نیروگاه در حوادث منجر به تریپ را نشان میدهد. در این مقاله از دیدگاه حفاظتی به بررسی حادثه رخداده در واحد 3 نیروگاه طوس (مورخ 1397/09/26) که منجر به خروج واحد و بروز
محدودیت در تولید به مدت تقریبی 5 ساعت گردیده، پرداخته شده و با شبیه‌سازی شرایط خطا در نرم‌افزار DIgSILENT عملکرد سیستم حفاظتی ژنراتور و باس‌های مصرف داخلی 6kV ،مورد ارزیابی قرار گرفته است.

نتایج، عملکرد صحیح سیستم حفاظتی ژنراتور و عملکرد کاذب رله ولتاژی باس مصرف داخلی (و یک نقص عملیاتی که منجر به تریپ واحد شده است) را نشان می‌دهد. در ادامه پس از توضیحاتی در مورد سیستم‌های حفاظتی مرتبط با حادثه، به بررسی شرایط تریپ (با استفاده از نمودارهای مستخرج از رکوردرها و شبیه سازی شرایط خطا)، پرداخته خواهد شد.

2 .سیستم حفاظتی ژنراتور و باس 6kV
نیروگاه طوس دارای 4 دستگاه ژنراتور 150 مگاواتی است. برخی از مشخصات این ژنراتورها در (جدول 1) قابل مشاهده است


هر کدام از رله‌های حفاظتی در نیروگاه برای هدف معینی نصب گردیده است. با توجه به تنوع زیاد آنها (خصوصاً در مورد ژنراتور)، در این بخش برخی از حفاظت‌های اصلی ژنراتورها و باس‌های مصرف داخلی 6kV و 400V در نیروگاه طوس که با موضوع مورد بحث مرتبط است، به اختصار معرفی می‌گردد. ذکر این نکته ضرورت دارد که با توجه به مقایسه نتایج
تست‌های انجام شده رله‌های ژنراتور در تعمیرات اساسی و نیمه‌اساسی و مقایسه با نتایج تست‌های نصب راه‌اندازی (شرکت BBC آلمان)، رله‌های حفاظتی در وضعیت مطلوبی از نظر حساسیت، سرعت، انتخابگری، قابلیت اطمینان و غیره قرار دارند.

1،2. رله برگشت بار ژنراتور و باس 6kv
رله برگشت بار یک رله سنجش توان است که برای جلوگیری از حالت موتوری شدن ژنراتور و در واقع برای حفاظت از توربین استفاده شده است. به دلیل اهمیت بالای ژنراتور و برای اطمینان از موتوری نشدن ژنراتور، دو دستگاه رله برگشت بار که به‌صورت پشتیبان هم عمل می‌کنند، در نظر گرفته شده است. در صورتی که قدرت تولیدی ژنراتور از 0.5 %توان نامی یعنی 759 کیلووات کمتر شود، ژنراتور برای جبران تلفات داخلی خود از شبکه جریان کشیده و با عکس شدن جهت جریان رله فعال خواهد شد. رله ها دارای دو عمل کرد سریع و آهسته می‌باشند. مرحله سریع بعد از 2 ثانیه و مرحله آهسته بعد از 10 ثانیه عمل خواهد کرد. اگر کاهش توان تولیدی ژنراتور سریع باشد یعنی والو بخار ورودی به توربین ها کاملاً بسته باشد، مرحله سریع رله وارد مدار شده و بعد از 2 ثانیه فرمان‌های تریپ صادر خواهد شد. در این حالت، تریپ توربین باعث تریپ ژنراتور می‌شود. در حالت دوم اگر توان تولیدی که تابعی از بخار ورودی به توربین‌ها می‌باشد به آرامی کاهش پیدا کند و والو ورودی بخار به توربین کاملاً بسته نباشد، مرحله آهسته رله وارد مدار شده و بعد از 10 ثانیه فرمان‌های تریپ صادر خواهد شد. حالت سومی هم پیش بینی شده که چنانچه توان تولیدی حالت نوسانی داشته و کم و زیاد شود، کارت جمع کننده‌ای به نام انتگرال‌گیر وارد مدار شده و با جمع کردن سطح زیر منحنیهای نوسانات، بعد از حدود 10 نوسان، فرمانهای تریپ را صادرخواهد کرد.

2،2. رله Under Voltage باس مصرف داخلی 6kV
دیاگرام تک خطی باس 6kV یک واحد نیروگاه در (شکل 1) نشان داده شده که شامل باس‌ها و الکتروموتورهای 6kV ،مسیرهای تغذیه باس‌ها، بریکرها و ترانسفورماتورهای مصرف داخلی کمکی می‌باشد.

این رله حفاظت باس 6kV( اصطالحاً BB-BA )و مصرف کننده‌های آن را در مقابل افت ولتاژ بر عهده دارد. نمونه ولتاژ مورد نیاز رله از ترانسفورماتورهای ولتاژ نصب شده روی باس 6kV با نسبت تبدیل 100V:6kV تغذیه می‌شود. درصورتیکه ولتاژ باس به کمتر از مقدار تنظیم شده (0.85pu) روی رله برسد، بعد از چهار ثانیه فرمان قطع به بریکر تغذیه کلیه مصرف کننده‌های در حال کار روی باس صادر و آنها را از مدار خارج خواهد کرد. چنانچه زمان افت ولتاژ کمتر از 4 ثانیه باشد و سطح ولتاژ قبل از آن به حالت عادی برگردد، رله خروجی نداشته و اتفاقی نخواهد افتاد.

3،2. رله Under Voltage باس مصرف داخلی 400V
این رله حفاظت باس مصرف داخلی 400 ولت (اصطالحاً CB-CA) و مصرف کننده‌های آن را در مقابل افت ولتاژ بر عهده دارد. در اثر کاهش سطح ولتاژ (0.80pu) یا بی‌برق شدن باس 6kV مصرفداخلی (BB-BA که ولتاژ تغذیه این باس را فراهم می‌کند) یا قطع ولتاژ تغذیه باس 400 ولت مصرف داخلی (CB-CA)رله بعد از یک ثانیه فرمان باز شدن بریکر ورودی به باس را صادر و متعاقباً واحد با عملکرد حفاظت Voltage Under تریپ می‌کند. چنانچه زمان افت ولتاژ کمتر از یک ثانیه بوده و سطح ولتاژ قبل از آن به حالت عادی برگردد، رله خروجی نداشته و اتفاقی نخواهد افتاد.

3.شرح حادثه
در ساعت 10:14 مورخه 1397/09/26واحد سه نیروگاه با عملکرد حفاظت آندر ولتاژ باس مصرفداخلی 400 ولت، از مدار خارج و منجر به بروز محدودیت در تولید به مدت (تقریبی) پنج ساعت گردید. (شکل 2) نمودار توان تولیدی ژنراتور را در روز حادثه نشان میدهد. در (شکل 3) وضعیت کدهای اختصاص یافته به واحد در روز حادثه و در (شکل 4) نیز نمودارهای مربوط به سیگنال‌های الکتریکی واحد از لحظه تریپ تا راه‌اندازی و پایداری مجدد نشان داده شده است.

1،3. شرح وقایع بهره برداری مربوط به روز حادثه
در نیروگاه طوس در حالت عادی دو دستگاه پمپ آب تغذیه (FWP) در مدار قرار دارد و پمپ سوم به عنوان رزرو خواهد بود؛ برنامه منظمی در نیروگاه برای بهره‌برداری چرخشی (Over Change) پمپ‌های آب تغذیه وجود دارد. این عملیات هر 2 ماه یکبار انجام میشود. رویه عملیات مذکور به این صورت است که ابتدا پمپ سوم (یعنی FWP خاموش و نه الزاماً
FWP شماره 3) روشن می‌شود؛ پس از 5 تا 10 دقیقه بهره‌برداری آزمایشی و پایدار شدن شرایط، یکی از پمپ‌های اول و دوم (طبق برنامه‌ی دستی تنظیم شده در امور بهره‌برداری) خاموش می‌شود. در حادثه مذکور، پس از انجام عملیات Change ،رله Voltage Under باس مصرف داخلی 400 ولت واحد عمل کرده و با بی‌برق شدن پمپ‌های کنترل روغن توربین، توربین تریپ کرده است. لازم به ذکر است بعد از تریپ توربین، ژنراتور با عملکرد رله برگشت بار از مدار خارج شده است. در هر واحد نیروگاه طوس دو دستگاه پمپ کنترل روغن توربین وجود دارد که یک دستگاه در مدار و در صورت نقص، پمپ دیگر وارد مدار می‌شود. تست عملکرد سیستم 2 از 1 پمپ‌های کنترل روغن توربین پس از پایان تعمیرات بر روی پمپ‌ها و قبل از راه‌اندازی واحد انجام می‌شود تا در صورت وجود نقص، نسبت به رفع آن اقدام گردد. در روز حادثه مذکور با از مدار خارج شدن یک نی‌مباس مصرف‌داخلی 400V( CB-CA )ناشی از عملکرد رله Voltage Under ،بایستی Change خودکار پمپ کنترل روغن دوم انجام می‌شده؛ لکن با عدم استارت پمپ رزرو، واحد تریپ کرده است.
تا این قسمت، یکی از دلایل بروز حادثه که استارت نشدن خودکار پمپ کنترل روغن توربین رزرو بوده (و یک نقص عملکردی محسوب می‌شود)، آشکار می‌گردد. از دلایل این اتفاق می‌توان به نقص گذرا در کارت‌های الکترونیکی و اهمی شدن کنتاکت‌های مدار فرمان و اشاره داشت. در ادامه دلیل عملکرد رله Voltage Under باس مصرف داخلی 400 ولت واحد طی انجام عملیات بهره برداری چرخشی (Over Change) پمپهای آب تغذیه (FWP) که یک فعالیت روتین بهره برداری محسوب می‌شود؛ بررسی خواهد شد.

2،3. بررسی عملکرد رله Voltage Under باس مصرف‌داخلی 400 ولت
قطعاً هنگامی که پمپ آب تغذیه سوم وارد مدار می شود، کاهش ولتاژ 6 کیلوولت (BA-BB) مصرف داخلی باس روی (Under Voltage) خواهیم داشت (مسیر بنفش رنگ در شکل 5)

این کاهش ولتاژ بایستی به‌وسیله سیستم خودکار کنترل ولتاژ تحریک ژنراتور (Regulation Voltage Automatic) جبران شود. در روز حادثه سیستم AVR ژنراتور واحد سه به‌علت وجود نقص (در کارت‌های الکترونیکی) از حالت بهره‌برداری خودکار به حالت دستی تغییر وضعیت داشته؛ لذا جبران خودکار ولتاژ در شرایط اضافه شدن پمپ آب تغذیه سوم
انجام نشده است. در واقع ولتاژ ژنراتور و به‌تبع آن افت ولتاژ ترانس مصرف داخلی (Transformer Unit) و سپس باس‌های مصرف‌داخلی 6 کیلوولت به صورت خودکار جبران نشده است. در ادامه بررسی خواهد شد که آیا این کاهش ولتاژ منجر به پیک‌آپ رله‌های ولتاژی می‌شود یا خیر. یکی از مواردی که تحلیل حوادث در نیروگاه‌های قدیمی را دشوار
می‌سازد، عدم وجود سیستمهای DCS و ثبت دیتای دیجیتالی است. یعنی در شرایط عادی امکان تِرِند کردن ولتاژ باس مصرفداخلی 6kV وجود ندارد. در نیروگاه طوس رله اضافه جریان ITX حفاظتهای مختلف الکتروموتورهای 6kV(شامل: اضافه جریان، اتصال کوتاه، اضافه بار و عدم تعادل بار) را بر عهده دارد. با توجه به سابقه بروز نقص و عملکرد کاذب
این رله در الکتورموتورهای 6kV فن دمنده هوای بویلر (Fan.FD)، به تدریج (از سال 1391 تاکنون) رله ITX الکتروموتورهای مذکور با رله دیجیتالی مجتمع (SYMAP) تعویض گردید. اگر سطح ولتاژ باس مصرف داخلی 6kV به حد تنظیم شده رله Voltage Under باس برسد، رله دیجیتالی نصب شده روی اف‌دی‌فنها (SYMAP) اطلاعات لحظه رخداد
را ذخیره میکند. نکته جالب در این است که در حادثه مورد بررسی، رله مذکور اطالعاتی را ثبت نکرده؛ به عبارت دیگر این رله شرایط ولتاژی باس مصرف داخلی 6kV را عادی تشخیص داده است.

4.نتایج شبیه سازی
در این مقاله از مدل شبیه سازی شده شبکه مصرف داخلی نیروگاه طوس در نرم‌افزار دیگ‌سایلنت استفاده شده است، این مدل شامل شبیه‌سازی ژنراتورها به همراه گاورنر و AVR مطابق با اطالعات ارائه شده در ترانسفورماتورها (و تپ چنجر)، باس‌های 6kV و 400V ،برخی از رله‌های حفاظتی مربوط به تجهیزات فوق، الکتروموتورهای 6kV با مدل دینامیکی بار، الکتروموتورهای کندانسور هوایی و … می‌باشد. (شکل 6) وضعیت پخش بار در شبکه مصرف‌داخلی نیروگاه طوس را نشان میدهد. (شکل 7) و (شکل 8) نیز بعضی از دستگاه‌های اندازه‌گیری و رله‌های تعریف شده برای تجهیزات مذکور در واحد یک را نشان میدهد؛ با توجه به توضیحات فوق، برای بررسی وضعیت ولتاژی باس‌های مصرفداخلی (6kV و 400V) در شرایط اضافه شدن پمپ آب تغذیه سوم، شبیه‌سازی شرایط در بار 140 مگاوات (مشابه شرایط واقعی رخ‌دار حادثه)در شرایطی که سیستم AVR در وضعیت Service of Out قرار دارد، انجام شد. نتایج عدم پیک آپ رلههای Voltage Under باسهای مصرف داخلی را نشان می دهد؛ ولتاژ باس های تحت تست در (شکل 9) قابل مشاهده است.

همانطور که مشاهده می‌شود، کاهش ولتاژ از نظر اندازه و زمان به مقدار تنظیم شده رله‌های ولتاژی باس مصرف داخلی6kV (0.85pu چهار ثانیه)و 400V (یک ثانیه 0.80pu) نمی رسد. عدم عملکرد رله های ولتاژی باس های مصرف داخلی در (شکل 10)نشان داده شده است. با توجه به توضیحات فوق و بررسی مستندات مربوط به تست رله Voltage Under باس مصرفداخلی 400V( CB-CA )در امور تعمیرات الکتریک نیروگاه، عملکرد رله مذکور کاذب/ اشتباه بوده است. علت عملکرد اشتباه رله نیز خارج از رنج شدن (و بهم خوردن تنظیمات رله) بوده است. لذا با توجه به نقص و عملکرد اشتباه رله، حتی اگر سیستم AVR ژنراتور در مدار قرار داشت باز هم امکان تریپ واحد وجود داشته است.

5.نتیجه گیری
در این مقاله به تحلیل حادثه منجر به تریپ واحد 3 نیروگاه طوس که منجر به خروج واحد و بروز محدودیت در تولید به مدت تقریبی 5 ساعت گردید، پرداخته شد و با شبیه سازی شرایط خطا در نرم افزار DIgSILENT عملکرد سیستم حفاظتی ژنراتور و باس های مصرفداخلی 6kV و 400V ، مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به قدیمی بودن رله های ژنراتورها و عدم
وجود رله های دیجیتالی پشتیبان، برای تحلیل و بررسی شرایط رخداد حادثه از اطالعات رکوردرهای توان، فرکانس، جریان و ولتاژ ژنراتور و اطلاعات رله دیجیتالی مجتمع الکتروموتور 6kV فن دمنده هوای بویلر (رلهSYMAP) استفاده شد. شبیه سازی مجموعه عملیات بهره برداری انجام شده در روز حادثه و وضعیت ولتاژی باسهای مصرفداخلی (6kV و 400V)
در بار 140 مگاوات در شرایطی که سیستم AVR ژنراتور در وضعیت Out Service of قرار گرفته بود (مشابه شرایط واقعی رخدار حادثه)، انجام شد.در مجموع با توجه به بررسی مجموعه فعالیتهای انجام شده امور بهره برداری و تعمیرات نیروگاه در روز حادثه و مقایسه با نتایج شبیه سازی، عملکرد صحیح سیستم حفاظتی ژنراتور، نقص و عملکرد اشتباه رله ولتاژی
باس مصرفداخلی(و نقص در فرایند Change پمپهای روغن کنترل توربین که منجر به بیبرق شدن پیمپها و تریپ واحد شده است) اثبات و مقرر گردید رله مذکور در اولین تعمیرات برنامه ریزی شده پیشرو، تعویض گردد. استفاده از تجربیات ارائه شده در این مقاله برای کاهش زمان عیب یابی در حوادث مشابه و اطمینان از وضعیت سیستمهای حفاظتی برای راه اندازی مجدد واحد در نیروگاه طوس(و نیروگاههای دارای سیستم حفاظتی مشابه) مفید خواهد بود.

قدردانی
بدینوسیله از زحمات و همکاری آقایان مهندسین محمدرضا زاهد، مصطفی ابراهیمی اله آبادی و اسماعیل نیازی تقدیر میگردد.