100% Stator Earth Fault Protection for Multiple Synchronous Generators Operating in Parallel

Abstract

The thesis is a study and an investigation of 100% stator earth fault protection for generators in engine power plants with different configurations and multiple generators operating in parallel. The thesis also gives an overview of the necessary background knowledge about the engine power plants and their protection system, which is required to complete this study.

100% stator earth fault protection has become a frequent requirement from customers. This is important for protecting the expensive generators against all types of earth faults. Two principles for achieving 100% stator earth fault protection have been considered in this thesis, third harmonicbased and injection-based stator earth fault protection. The standard solutions available, as of making the thesis, recommended by the relay manufacturers have been showcased. More advanced and tailored solutions are also discussed in this thesis.

Improvements to the third harmonic-based stator earth fault protection have been investigated. In cooperation with protection relay manufacturers, measurement data necessary for the investigation has been gathered from different power plant installations.

The research has been made using literature regarding the topic, technical guidance documents from experts and mentor, discussions with protection relay manufacturers, and the gathered data from different power plants. Challenging situations for the third harmonic stator earth fault protection have been presented in the results. Based on the research the solution for 100% stator earth fault protection most reasonable for multiple generators operating in parallel on the same bus has been discussed.

Examensarbetet är en studie och en underökning av 100% stator jordfelsskydd för generatorer i motorkraftverk med olika konfigurationer och flera parallellt körande generatorer. Examensarbetet innehåller en överblick av nödvändig bakgrundsfakta om motorkraftverken och deras skyddssystem, vilket är väsentligt för att utföra denna studie.

100% stator jordfelsskydd har blivit ett vanligt förekommande krav från kunder. Det är viktigt för att skydda dyra generatorer mot alla typer av jordfel. Två principer för att uppnå 100% stator jordfelsskydd har beaktats i detta examensarbete, tredje övertonsbaserat och injektionsbaserat jordfelsskydd för statorn. Standardlösningar rekommenderade av relätillverkarna tillgängliga vid skapandet av detta examensarbete har presenterats. Mer avancerade och skräddarsydda lösningar har också diskuterats i examensarbetet.

Förbättringar för det tredje övertonsbaserade stator jordfelsskyddet har undersökts. I samarbete med skyddsrelätillverkare har mätningar och data, nödvändiga för undersökningen samlats in från olika kraftverksinstallationer.

Forskningen har utförts med hjälp av litteratur inom området, tekniska vägledningsdokument från experter och mentorn, diskussioner med skyddsrelätillverkare och den insamlade datan från olika kraftverk. Utmanande situationer för det tredje övertonsbaserade stator jordfelsskyddet har presenterats i resultaten. Baserat på forskningen har den lösningen för 100% stator jordfelsskydd rimligast för flera generatorer som körs parallellt på samma buss diskuterats.

Opinnäytetyö kattaa tutkimuksen ja selvityksen 100%:n staattorin maasulkusuojauksesta generaattoreille eri kokoonpanoissa ja useissa rinnakkain toimivissa generaattoreissa. Lisäksi opinnäytetyössä dokumentoidaan tämän tutkimuksen suorittamiseen tarvittavat taustatiedot moottorivoimaloista ja niiden suojajärjestelmistä.

100%:n staattorin maasulkusuojauksesta on tullut asiakkaiden toistuva vaatimus, mikä on tärkeää kalliiden generaattoreiden suojaamiseksi kaikenlaisilta maasuluilta. Tässä opinnäytetyössä on tarkasteltu kahta periaatetta 100%:n staattorin maasulkusuojauksen saavuttamiseksi, jotka ovat kolmas harmoninen ja injektiopohjainen staattorin maasulkusuojaus. Tämän opinnäytetyön luomiseen käytettävissä olevat standardiratkaisut, joita relevalmistajat suosittelevat, on esitetty. Tässä opinnäytetyössä käsitellään myös edistyneempiä ja räätälöityjä ratkaisuja.

Kolmannen harmonisen staattorin maasulkusuojauksen parannuksia on tutkittu. Eri monimoottorisista voimalaitosasennuksista on kerätty yhteistyössä suojarelevalmistajien kanssa tutkimukseen tarvittavat mittaustiedot.

Tutkimuksessa on käytetty kirjoja, tekniset ohjeet asiantuntijoilta ja mentorilta, aiheeseen liittyviä teknisiä artikkeleita, keskusteluja suojarelevalmistajien kanssa sekä eri voimalaitoksista kerättyä tietoa. Tuloksissa on esitetty tilanteita, joissa kolmannen harmonisen staattorin maasulkusuojaus on haastavaa. Tutkimuksen perusteella on käsitelty 100%:n staattorin maasulkusuojauksen ratkaisua, joka on järkevin useille rinnakkain toimiville generaattoreille samalla virtakiskolla..