TOMI AHOKAS VOIMALAITOSGENERAATTORIEN SUOJAUS JA MAGNETOINTI

Transkriptio

1 TOMI AHOKAS VOIMALAITOSGENERAATTORIEN SUOJAUS JA MAGNETOINTI Diplomityö Tarkastaja: professori Seppo Valkealahti Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 5. Lokakuuta 2011

2 ii TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma AHOKAS, TOMI: Voimalaitosgeneraattorien suojaus ja magnetointi Diplomityö, 71 sivua Marraskuu 2011 Pääaine: Sähkövoimatekniikka Tarkastaja: professori Seppo Valkealahti Avainsanat: generaattorin magnetointi, generaattorin suojaus, numeerinen suojarele, staattinen magnetointijärjestelmä, harjaton magnetointijärjestelmä Tässä diplomityössä tarkastellaan voimalaitosgeneraattorien suojauksen ja magnetoinnin merkitystä sekä vertaillaan niiden toteutusvaihtoehtoja. Työssä käsitellään yleisimmät generaattorin, turbiinin ja päämuuntajan suojaamiseen käytetyt laitteistot, tekniikat ja toiminnot. Generaattorin magnetoinnin toteutuksessa keskitytään staattisen ja harjattoman magnetointijärjestelmän ominaisuuksien vertailuun, magnetointijärjestelmän ohjaustoimintoihin sekä magnetointijärjestelmän luotettavuuteen vaikuttaviin tekijöihin. Työssä käydään läpi myös olosuhteiden asettamia vaatimuksia, varmennuksen merkitystä sekä vikatilanteista aiheutuvia seurauksia. Lisäksi annetaan esimerkki erään esimerkkivoimalaitoksen suojauksen, magnetoinnin ja tahdistuksen toteuttamista ja vertaillaan käytettyjä laitteistoja ja toteutusvaihtoehtoja. Generaattorin suojauksen tehtävänä on sähkövoimajärjestelmässä tapahtuvan vian aiheuttamien vahinkojen minimointi. Suojausperiaatteet ja valtaosa käytetyistä suojaustoiminnoista ovat samankaltaisia eri generaattoreiden välillä. Merkittävimmät erot ovat suojaustoimintojen määrässä ja toteutusmenetelmissä sekä suojauksen varmennuksen tasossa. Generaattorin suojauksen luotettavuutta kasvatetaan esimerkiksi toteuttamalla suojaus useammalla eri menetelmään perustuvalla suojaustoiminnolla sekä mittamuuntajien ja kaapeleiden kahdennuksella. Valittu suojaustoimintojen määrä ja suojaustaso riippuu karkeasti generaattorin koosta. Generaattorin kokoa merkitsevämpi tekijä voi jossain tapauksissa olla generaattorin tärkeys sähköverkolle tai energian tuottajalle. Generaattorin optimaalinen suojaustaso valitaan arvioimalla viasta syntyviä vaurioita suhteessa suojauksen toteutuksen kustannuksiin. Generaattorin vikatilanteessa turbiinin ja generaattorin kokemat rasitukset riippuvat muun muassa turbiinityypistä ja generaattorin tähtipisteen maadoitustavasta. Magnetointijärjestelmä vastaa magnetointivirran tuottamisesta, sen muokkaamisesta kuormitustilanteen vaatimaan muotoon ja sen johtamisesta generaattorin magnetointikäämeihin. Magnetointijärjestelmä on merkitsevässä roolissa generaattorin tahdistamisessa sähköverkkoon ja tahtikäytön ylläpitämisessä. Tämän lisäksi nykyaikaisella magnetointijärjestelmällä on useita generaattorin suojausta tukevia rajoitustoimintoja. Yleisimmät käytetyt magnetointijärjestelmät jaetaan staattiseen ja harjattomaan magnetointijärjestelmään. Magnetointijärjestelmän valintaan vaikuttavat järjestelmältä vaaditut dynaamiset ominaisuudet sekä ympäristö, missä magnetointijärjestelmä toimii. Staattinen magnetointijärjestelmä ei sisällä lainkaan liikkuvia osia, joten se soveltuu paremmin olosuhteisiin, joissa siltä vaaditaan nopeaa reagointia sähköverkon muutoksiin. Kestomagneettigeneraattorilla varustettu harjaton magnetointijärjestelmä vastaavasti vaati vähemmän huoltoa ja toimii luotettavammin sähköverkon häiriöiden aikana.

3 iii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering AHOKAS, TOMI: Power Plant Generator Protection and Excitation Master of Science Thesis, 71 pages November 2011 Major: Power Engineering Examiner: Professor Seppo Valkealahti Keywords: Generator excitation, Generator protection, Numerical protection relay, Static excitation system, Brushless excitation system The purpose of this thesis is to investigate the importance of generator protection and excitation and compare their implementation. In this thesis we discuss most commonly used devices, functions and techniques for the generator, turbine and step-up transformer protection. In an implementation of generator excitation, the focus is in comparison of static excitation and brushless excitation systems, excitation system control functions and in factors which increase reliability of the excitation system. We have considered Technical requirements of the environment, the importance of redundancy of components and consequences of faults. In addition, in this thesis is given an example of an implementation of protection, excitation and synchronization for a power plant generator. The purpose of generator protection is to minimize damage when fault occurs anywhere in an electric power system. Protection principles and the majority of utilized protection functions are similar between different generators. The most significant differences are the number of protection functions and the level of redundancy. The number of protection functions and the level of protection depend harshly on the size of the generator. Even more significant factor may be the importance of the generator for the power network and the power producer. An optimal generator protection level estimation, for the damage from the fault and the cost of protection system are calculated and compared. Turbine type and generator neutral grounding methods have an influence on the stresses affecting the turbine and the generator during a fault. Excitation system produces excitation current, transforms it and conducts demanded excitation current to the generator windings. Excitation system has an important factor in generator synchronization and in maintaining the generator synchronized with the power network. Modern excitation systems have various limiting functions that support generator protection. The most common excitation systems are divided in to static and brushless excitation systems. The choice of the generator excitation system depends on the working environment and the required dynamic ability. Static excitation does not have moving parts and therefore it is suitable for applications where fast response to the changes in power network is important. On the other hand, the brushless excitation system that is equipped with a permanent magnet generator requires less maintenance and operates more reliable during fault in the power network.

4 iv ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Airix Teollisuus Oy:lle ja Metso Power Oy:lle. Kiitän yrityksiä mielenkiintoisen ja haastavan aiheen tarjoamisesta sekä palautteesta diplomityötä kohtaan. Lisäksi kiitän näiden yritysten useita työntekijöitä heidän avustaan, kannustuksestaan ja panoksestaan omien kiireidensä keskellä. Työn tarkastajana on toiminut Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitoksen professori Seppo Valkealahti, jota kiitän työn tarkastamisesta sekä rakentavasta palautteesta. Työn ohjaajana toimi Airix Teollisuuden suunnittelupäällikkö Petri Järvenpää, jota kiitän avusta, työhön liittyvästä aineistosta ja kontakteista alan yhteyshenkilöihin, joista oli suuri apu aineiston keräämisessä ja aiheesta oppimisessa diplomityön aikana. Kiitän vanhempiani kannustuksesta ja siskoani avusta ja ohjeista opiskeluvuosien aikana. Kiitokset parhaimmille opiskelukavereilleni Markus Mailakselle ja Mikko Koskelle, joiden kanssa olen jakanut opiskeluaikani haasteet ja hauskuudet. Erityiskiitokset Laura Vestille, joka on auttanut työn kieliopin tarkastamisessa ja ollut suurimpana tukena työn aikana.

5 v SISÄLLYS 1 Johdanto Tahtigeneraattori Tahtigeneraattorin rakenne Tahtigeneraattorin mallintaminen Stabiilisuus Toimintarajat Tahtigeneraattorin virta- ja jännitemittaus Virtamuuntajat Jännitemuuntajat Tahtigeneraattorin liittäminen sähköverkkoon Blokkimuuntajat Tahdistusperiaate Tahdistuslaitteisto Tahtigeneraattorin magnetointi Magnetointilaitteisto Tasasuuntaussillat Hiiliharjat Herätinkoneet Staattinen magnetointilaitteisto Harjaton magnetointilaitteisto Magnetoinnin säätö Jännitteensäätäjä Magnetointijärjestelmän rajoitus- ja suojaustoiminnot Tahtigeneraattorin suojaus Suojareleet Sähkömagneettiset ja staattiset suojareleet Numeeriset suojareleet Numeeristen suojareleiden tiedonkäsittely ja tiedonsiirto Generaattorin tähtipisteen maadoitustavat Jakelumuuntajan kautta maadoitettu generaattori Tahtigeneraattorin viat ja suojaustoiminnot Suojaustoiminnot Staattorin maasulkusuojaus Differentiaalisuojaus Vakioaikaylivirtasuojaus Impedanssisuojaus Roottorin maasulkusuojaus Vinokuormitussuojaus Alimagnetointisuojaus Epätahtisuojaus... 39

6 5.1.9 Staattorin ylikuormitussuojaus Ylijännitesuojaus Taajuussuojaus Takatehosuojaus Ylimagnetointisuojaus Muuntajien suojaus Vikojen laukaisu Teknistaloudelliset näkökulmat Tahtigeneraattorin magnetointilaitteiston valinta Vertailuun käytettävät mittarit Magnetointilaitteistojen vertailu Magnetointijärjestelmän käyttövarmuus Elinikä Magnetointijärjestelmän redundanttisuus Tahtigeneraattorin optimaalinen suojaustaso Vioista aiheutuvat vahingot Suojauksen varmentaminen Esimerkkivoimalaitoksien suojaus-, magnetointi- ja tahdistusratkaisut Tarkasteltavat voimalaitokset Suojaus Jännitteen säätö Tahdistus Kaapitus ja kaapelointi Yhteenveto tarjotuista ratkaisuista Ratkaisujen soveltuvuus muihin voimalaitoksiin Yhteenveto LÄHTEET vi

7 vii LYHENTEET JA MERKINNÄT ANSI AVR DCS IEC IGBT SES φ δ α E f f n I 0 I n I S I 2 I r I sc I 1t I 2t n p K P Q T S U C U S Yhdysvaltain kansallinen standardi-instituutti (engl. American National Standards Institute). Automaattinen jännitteen säätäjä (engl. Automatic Voltage Regulator). Hajautettu automaatiojärjestelmä (engl. Distributed Control System). Kansainvälinen sähköalan standardointiorganisaatio. (engl. International Electrotechnical Commission). Bipolaaritransistori (engl. insulated gate bipolar transistor). Staattinen magnetointijärjestelmä (engl. Static Excitation System). Tehokerroin Tehokulma Tyristorin sytytyskulma Sähkömotorinen voima Järjestelmän taajuus Nimellistaajuus Differentiaalisuojan mittauspiirin virta Nimellisvirta Tahtigeneraattorin ulostulovirta Virran vastakomponentti Jakelumuuntajan syöttämä vikavirta Järjestelmän kapasitanssien syöttämä vikavirta Virtamuuntajan 1 läpi kulkeva virta Virtamuuntajan 2 läpi kulkeva virta Tahtigeneraattorin pyörimisnopeus Generaattorin napapariluku Generaattorin epäsymmetria vakio Pätöteho Loisteho Vinokuormitussuojan laukaisuaika Magnetointilaitteiston kattojännite Magnetointilaitteiston nimellisjännite

8 viii V E V S X d X m X S Tasasuuntaajan lähdejännite Tasasuuntaajan ulostulojännite Tahtireaktanssi Magnetoimisreaktanssi Hajareaktanssi

9 1 1 JOHDANTO Tahtigeneraattorin tehtävänä on syöttää energiaa sähköverkkoon tehokkaasti ja luotettavasti, eikä sille sallita pitkiä käyttökatkoksia. Tästä syystä generaattorille on taattava riittävä magnetointiteho ja se on suojattava erilaisilta vikatapauksilta. Generaattorin suojauksen toteutus on tärkeimpiä kokonaisuuksia voimalaitoksessa. Generaattorin oikeanlaisella suojauksella varmistetaan myös muiden kalliiden ja generaattorin toiminnalle elintärkeiden laitteiden, kuten voimakoneen ja päämuuntajan toiminta. Katkokset energian tuotannossa ovat kalliita, ja generaattoriviat vieläkin kohtalokkaampia. Haasteita suojaukselle tuo useat vaatimukset, joita generaattorin toimille asetetaan. Tahtigeneraattorin on pysyttävä tahdissa sähköverkon kanssa. Tästä vastaa generaattorin magnetointijärjestelmä, joka vastaa jännitteen nostamisesta sähköverkon tasolle ja jännitetason ylläpitämisestä erilaisissa kuormitustilanteissa. Nykyaikaisen magnetointijärjestelmän on myös reagoitava riittävän nopeasti sähkövoimajärjestelmässä tapahtuviin muutoksiin. Generaattorin suojaus tulee toteuttaa siten, etteivät henkilöt, generaattori, päämuuntaja tai muut laitteistot ole vaarassa vahingoittua. Suojaustoimenpiteet eivät saa aiheuttaa myöskään suuria häiriöitä sähköverkkoon. Tahtigeneraattorit ovat suuria investointeja, joiden vaurioituminen tuo suuria kustannuksia korjauksen, uusimisen ja menetetyn tuotannon muodossa. Tahtigeneraattorin suojaus ja magnetointi liittyvät läheisesti toisiinsa ja niiden suunnittelu ja toteutus tehdään yleensä samanaikaisesti. Tämä työ on tehty yhteistyössä suunnittelua ja konsultointia tarjoavan Airix Teollisuus Oy:n ja Metso konserniin kuuluvan voimantuotantojärjestelmiä valmistavan ja suunnittelevan Metso Power Oy:n kanssa. Työn tarkoituksena on tutkia tahtigeneraattorin magnetoinnin toteutustapoja ja generaattorin suojauksen toteutusta voimalaitoksessa. Aihetta ja vaihtoehtoisia toteutustapoja tarkastellaan teknistaloudellisesta näkökulmasta. Työssä käsitellään miten menetelmät on kehittynyt ja mitä ominaisuuksia saavutetaan nykyaikaisilla laitteistolla vanhemman sukupolven laitteisiin nähden. Taloudellinen tarkastelu koostuu pääosin optimaalisesta suojauksien ja toimintojen varmennuksesta, varaosien käytöstä, kahdennuksesta ja riittävän suojaustason arvioinnista. Lähteinä työhön on käytetty alan kirjallisuutta, tutkimuksia, standardeja ja alan ammattilaisten mielipiteitä ja kokemuksia. Jotta generaattorin magnetoinnin ja suojauksen toteutusta voidaan tarkastella riittävän kattavasti, on ymmärrettävä generaattorin suojauksen ja magnetoinnin liitynnät voimalaitoksen muihin kokonaisuuksiin. Kuvassa 1.1. on esitetty samalle akselille sijoitetut turbiini ja generaattori sekä tässä työssä käsiteltävät laitteistot ja kokonaisuudet. Laittei-

10 2 den ja kokonaisuuksien väliset yhteydet on merkitty sinisillä nuolilla. Energian kulku magnetointijärjestelmältä generaattorille sekä generaattorilta apumuuntajan kautta apulaitteille ja päämuuntajan kautta sähköverkkoon on merkitty mustalla kaapelilla. Generaattorin luotettavan toiminnan ja riittävän suojaustason edellytyksenä on näiden kaikkien kokonaisuuksien toiminta ja yhteistyö. Kuva 1.1. Periaatekuva voimalaitoksen turbiinin ja generaattorin toiminnasta [1]. Työssä käsitellään tahtigeneraattoria, joka saa pyörimisenergiansa generaattorin akselille kuvan 1.1. mukaisesti asennetulta turbiinilta ja magnetointivirran magnetointijärjestelmältä. Työssä tarkastellaan pääasiassa nopeasti pyöriviä höyry- ja kaasuturbiineilla pyöritettäviä nimellisteholtaan MVA generaattoreita. Työssä myös käsitellään generaattorin suojaus- ja magnetointijärjestelmän liityntöjä toisiinsa ja voimalaitoksen automaatiojärjestelmään. Useiden toimintakokonaisuuksien tulee toimia saumattomasti yhteistyössä yhtenä kokonaisuutena, jotta generaattorilla saadaan tuotettua kuormien tarvitsema energia ja saadaan ylläpidettyä sähköverkon jännitetaso. Työssä käsitellään myös generaattorin suojauksen ja magnetoinnin uusimisen eroavaisuuksia uuden voimalaitoksen ratkaisuihin nähden. Generaattorin suojaus voidaan jakaa kolmeen työssä käsiteltävään kokonaisuuteen, joita ovat suojaustoiminnot vikojen varalta, katkaisijoiden ohjaus ja mittaukset. Suojaustoiminnot ovat generaattorin sisäisten ja ulkoisten vikojen varalle, jotka havaitaan erilaisin mittamuuntajien mittauksien perusteella. Tärkeä osa-alue on generaattorin ja muiden laitteiden oikea-aikainen ja oikeassa järjestyksessä suoritettu erottaminen sähköverkosta vian sattuessa. Työssä käsitellään myös suojatoimintojen valintaa, varasuojauksen merkitystä sekä taloudellisesti optimaalisen suojaustason arviointia. Työssä käsitellään myös tahtigeneraattorin sähköverkkoon kytkemistä sekä siinä käytettyjä periaatteita ja

11 3 menetelmiä. Suojaukseen käytettyjen eri relesukupolvien lisäksi käsitellään eri suojaustoimintoja sekä generaattorin suojaukseen vaikuttavia tekijöitä kuten generaattorin tähtipisteen maadoitustapoja. Lisäksi käsitellään magnetointijärjestelmän laitteistot, kuten tasasuuntaussillat, ja menetelmät miten tarvittava magnetointivirta tuotetaan ja johdetaan generaattorin magnetointikäämeihin. Työn tarkoituksena oli perehtyä magnetointijärjestelmän valintaan vaikuttaviin tekijöihin sekä siihen, mitkä ominaisuudet parantavat magnetointijärjestelmän luotettavuutta. Viimeisessä luvussa käsitellään kahden esimerkkivoimalaitoksen 30 ja 60 MVA:n tehoisen generaattorin tahdistuksen, magnetoinnin ja suojauksen toteutusta. Näin työhön saadaan alan kirjallisuudesta ja tutkimuksista löytyneiden tekijöiden lisäksi käytännön esimerkki. Alan ammattilaiset ovat tarjonneet esimerkkivoimalaitoksiin toteutusvaihtoehtoja. Luvussa käsitellään ja vertaillaan tarjottuja toteutusvaihtoehtoja, laitteiden teknisiä tietoja sekä ominaisuuksia. Tässä luvussa pohditaan myös lyhyesti tarkasteltavien generaattorien ratkaisujen sovellettavuutta muihin voimalaitostyyppeihin, joissa generaattorin tehot ja voimakoneen tyyppi poikkeavat tarkasteltavasta. Generaattorin magnetointijärjestelmän valinta ja suojauksen toteutus on tehtävä huolella, koska niiltä odotetaan lukuisien vuosien toiminta-aikaa.

12 4 2 TAHTIGENERAATTORI Generaattorit ovat merkittävimpiä komponentteja sähkövoimajärjestelmässä. Suuritehoisissa voimalaitoksissa käytetään korkean hyötysuhteen omaavia tahtigeneraattoreita, jotka tuottavat valtaosan sähköverkkoon kytkettyjen kuormien energiasta. Tahtigeneraattorin toiminta perustuu siihen, että liikkuvan magneettikentän leikatessa johdinta siihen indusoituu jännite. Tätä ilmiötä kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. Kyseinen tilanne saavutetaan joko liikuttamalla johtavaa materiaalia magneettikentässä tai vaikuttamalla paikalla olevaan johtimeen muuttuvalla magneettikentällä. Tahtigeneraattorissa tarvittava magneettikenttä saadaan johtamalla roottorin magnetointikäämeihin tasavirtaa. Virran muodostama magneettikenttä leikkaa staattorikäämityksiä, kun roottori on liikkeessä staattorin suhteen indusoiden vaihtovirran staattorin käämityksiin. Staattorin ja roottorin välille syntyy magneettinen yhteys virrallisten magnetointikäämien ympärille syntyneen magneettikentän ja staattorivirran synnyttämän magneettikentän välillä. Tästä johtuen verkkoon kytketyn tahtigeneraattorin pyörimisnopeus on suoraan riippuvainen sähköverkon taajuudesta. Roottori voi saada pyörimiseensä energian useista eri lähteistä, kuten siihen liitetystä voimakoneesta. Työssä keskitytään tahtigeneraattorikäyttöihin, joiden voimakoneina käytetään höyry- ja kaasuturbiineita. Turbiinin säädöllä vastataan roottorin pyörimisnopeuden nostamisesta sähköverkon taajuuden mukaiselle tasolle, ennen kuin generaattori voidaan kytkeä sähköverkkoon. Sähköverkon kuormituksen kasvuun vastataan voimakoneen tehoa kasvattamalla, jolloin generaattorin tuottama pätötehö nousee kuormituksen vaatimalle tasolle. Esimerkiksi höyryturbiinin tapauksessa tämä toteutetaan höyryventtiilien säädöllä. Jännitteensäädön avulla generaattorin jännite nostetaan halutulle tasolle säätämällä roottoriin johdetun virran suuruutta. Jännitteensäädöllä ohjataan myös verkkoon kytketyn tahtigeneraattorin kuluttamaa ja tuottamaa loistehoa. Pätötehon suhteesta näennäistehoon määräytyy generaattorin tehokerroin cosφ. Tehokertoimen ollessa 1 toimii generaattori perusmagnetoituna, jolloin magnetointivirtaa syötetään roottoriin vain kuorman tarvitseman pätötehon kattamiseksi. Perusmagnetoinnista magnetointivirran kasvattaminen johtaa tilanteeseen, jossa loistehoa tuotetaan ja näin generaattori syöttää induktiivista loistehoa verkkoon. Vastaavasti alimagnetointitilanteessa generaattori syöttää verkkoon kapasitiivista loistehoa. 2.1 Tahtigeneraattorin rakenne Tahtigeneraattorien roottorit jaetaan rakenteensa mukaan avonapaisiin ja umpinapaisiin roottoreihin. Magnetointikäämitykset sijoitetaan kuvan 2.1. mukaisesti. Kuvasta näh-

13 5 dään, kuinka roottoriin magnetointikäämeissä kulkevat virrat synnyttävät N ja S magneettinavat. Magneettivuo kulkee N-navasta S-napaan roottorin ja staattorin välisessä ilmavälissä. Kuva 2.1. Vasemmalla umpinapaisen ja oikealla avonapaisen roottorin läpileikkauskuva [2]. Nopeasti pyörivät tahtigeneraattorit rakennetaan yleensä vaaka-akselikoneiksi, joiden roottorin pituus voi olla tehojen kasvaessa kymmeniä metrejä. Tässä työssä käsitellään tahtigeneraattoreita, jotka on varustettu umpinapaisilla roottoreilla. Umpinapaisia roottoreita käytetään esimerkiksi höyryvoimalaitoksissa, joissa roottorit pyörivät 3000 kierroksen minuuttinopeudella. Avonapaisia roottoreita käytetään vastaavasti hitaammin pyörivissä käytöissä. Niiden käyttökohteita ovat muun muassa vesivoimageneraattorit, joiden pyörimisnopeus on yleensä kierrosta minuutissa. [2] Sähköverkkoon liitetyn tahtigeneraattorin nopeuteen ei voida juuri vaikuttaa sen ollessa tahtikäytössä, sillä se määräytyy sähköverkon nimellistaajuudesta. Täten tahtigeneraattori voi tuottaa energiaa vain yhdellä nopeudella, mutta nopeus voi vaihdella riippuen tahtigeneraattorien rakenteista. Nopeus määräytyy sähköverkon nimellistaajuudesta sekä generaattorin napojen lukumäärästä. Tahtigeneraattorin pyörimisnopeus määräytyy kaavan (1) mukaisesti. n =, (1) jossa n on generaattorin pyörimisnopeus f on järjestelmän taajuus ja p on generaattorin napapariluku. Sähköverkossa, jossa nimellistaajuus on 50 Hz, kaksinapaisen generaattorin nopeus on 3000 kierrosta minuutissa, sillä napapariluku on yksi. Vastaavasti nelinapainen gene-

14 6 raattori pyörii hitaammalla 1500 kierroksen minuuttinopeudella. Suuremmalla napapariluvulla saavutetaan siis sama taajuus hitaammalla pyörimisnopeudella. [3] Staattorikäämitykset on valmistettu siten, että ne muodostavat kolme ankkurikäämitystä A, B ja C kuvan 2.2. mukaisesti. Käämien päät kytketään yhteen siten, että ne muodostavat staattorikäämityksille tähtipisteen. Kytkennän kautta toteutetaan myös generaattorin maadoitus vikatilanteissa syntyneiden transienttijännitteiden pienentämiseksi. Tähtikytkettyihin kolmivaiheisiin staattorikäämityksiin indusoituneiden jännitteiden välille muodostuu 120 vaihe-ero. [4] Kuva 2.2. Staattorin tähtipisteestä maadoitettu kolmivaihekäämitys. Sähköverkkoon kytketyn tahtigeneraattorin staattorikäämityksissä kulkeva virta aiheuttaa roottorin ja staattorin ilmaväliin magneettikentän. Tämä magneettikenttä on yleensä vastakkaissuuntainen roottorivirran synnyttämää magneettikenttää vasten. Generaattorin ulostulojännitteen luomiseksi, on magnetointivirtaa säädettäessä otettava huomioon staattorikäämien virrat, jännitteet ja vaihe-erot. [4] 2.2 Tahtigeneraattorin mallintaminen Tahtigeneraattorin toiminta on helpoimmin tarkasteltavissa muunnettaesssa se kolmivaihe-esityksestä yksivaiheiseen sijaiskytkentään. Jatkuvuustilassa toimivaa tahtigeneraattoria voidaan tarkastella yksivaiheisen sijaiskytkennän avulla, koska kaikki kolme vaihetta ovat symmetrisiä keskenään. Esitetty sijaiskytkentä ei ota huomioon muun muassa saturoitumista, ankkurireaktiota eikä muita epälineaarisia ilmiöitä tai vaikutuksia. Kuvassa 2.3. on esitetty tahtigeneraattorin yksivaiheinen sijaiskytkentä.

15 7 Kuva 2.3. Umpinapaisen tahtigeneraattorin yksivaiheinen sijaiskytkentä [2]. Generaattorin liitinjännitteen U s arvo saadaan laskettua magnetointilaitteiston tuottaman lähdejännitteen E, virran I s, generaattorin reaktanssien ja staattorikäämien resistanssin R avulla kaavan (2) mukaisesti. Koneen reaktanssit koostuvat hajareaktanssista X s ja magnetointireaktanssista X m, joka kuvaa staattorivirran aiheuttaman magneettikentän vaikutusta roottoriin. Nämä voidaan yhdistää generaattorin tahtireaktanssiksi X d. [3] U S = E - (R+ jx d )I s (2) Suurissa tahtigeneraattoreissa resistanssilla on niin vähän merkitystä reaktanssiin nähden, että se voidaan jättää huomioimatta. Tahtigeneraattorin sähköverkkoon tuottama pätöteho P muodostuu kaavan (3) mukaisesti. Tehokulma δ kuvaa generaattorin napajännitteen U s ja generaattorin lähdejännitteen E välistä kulmaeroa, joka tyhjäkäynnissä on nolla ja kasvaa sitä suuremmaksi mitä suuremman tehon roottoria pyörittävä voimakone antaa. [2] P = 3 sinδ (3) Voimakoneen tehon kasvaessa pyrkii myös tehokulma kasvamaan suuremmaksi. Kaavasta nähdään, että maksimiteho saavutetaan 90 tehokulmalla. Tahtikoneen tehoon vaikuttaa myös jännitteiden E ja U S suuruudet. Verkko määrää kuitenkin jännitteen U S suuruuden, joten tehoa voidaan nostaa suurentamalla koneen jännitettä E. Tahtikoneen toimintarajojen sisäpuolella pysyttäessä voi koneen sisäistä jännitettä suurentaa magnetointivirtaa nostamalla ja näin vaikuttaa tuotetun maksimitehon suuruuteen. Voimakoneen antamaa tehoa nostaessa on kuitenkin otettava huomioon, että tehokulma ei saa nousta yli 90, koska tällöin generaattori putoaa tahdista roottorin ja staattorin magneettinapojen yhteyden menettämisen vuoksi. [2] Yksivaiheisesta sijaiskytkennästä voidaan muodostaa tahtigeneraattorin osoitinpiirros, jolla voidaan ilmoittaa kaavan (3) suuret sekä näiden väliset suunnat ja kulmat. Tahti-

16 8 generaattorin osoitinpiirroksen avulla voidaan mallintaa tahtigeneraattorin toimintaa erilaisissa kuormitustilanteissa. Kuvissa 2.3 on esitetty esimerkit tahtigeneraattorin osoitinpiirroksista yli- ja alimagnetointitilanteista. Kuva 2.4. Tahtigeneraattorin osoitinpiirros. Vasemmalla yli- ja oikealla alimagnetoitu tahtigeneraattori. [3] Tahtigeneraattorin loistehon tuottokyky on hyvin oleellinen ominaisuus. Loistehon tuotannon kasvattamisella on kuitenkin vaikutuksensa suoraan siihen, kuinka paljon pätötehoa voidaan koneen toimintarajoissa tuottaa. Generaattorin teknisissä tiedoissa ilmoitettu tehokerroin kuvaa arvoa, jolla generaattorin näennäistehon tuotto on suurimmillaan. Tällä tehokertoimella on pätötehon tuotantoa pienennettävä, jos loistehon tuotantoa halutaan lisätä, jotta tuotettu näennäisteho ei ylittäisi koneen toimintarajoja. [3] 2.3 Stabiilisuus Vakaassa jatkuvuustilassa generaattorin roottorin ja staattorin synnyttämät magneettikentät lukittuvat kiinni toisiinsa. Voimakoneella saadaan tuotua tehoa sähköverkkoon roottorin ja staattorin välisen ilmavälin kautta. Sähkövoimajärjestelmän kaikki generaattorit toimivat tahdissa keskenään, niiden roottorinapojen seuratessa staattorivirtojen synnyttämää magneettikenttää. Viat tai muut muutokset järjestelmässä aiheuttavat hetken jolloin roottorin ja staattorin aiheuttaman kentän nopeudet ja kulmat eroavat hetkellisesti toisistaan. Sähköverkolla ja siihen kytkeytyneillä tahtigeneraattoreilla on mahdollisuus joutua epästabiiliin tilaan, jos se menettää staattisen, dynaamisen tai transienttisen stabiilisuuden. Jos järjestelmä on riittävän stabiili, tapahtuu verkossa värähtelyä mikä kuitenkin vaimenee sitten kun roottori on löytänyt uuden tilanteen tehokulman ja palannut staattorin kanssa samaan tahtiin. Jotta järjestelmä saadaan palautettua takaisin stabiiliin tilaan, on generaattorin pystyttävä tuottamaan riittävä vääntömomentti tahtikäytön ylläpitämiseksi. Jos tähän ei pystytä, joutuu generaattori epästabiiliin tilaan, jolloin roottorin ja staattorin yhteys menetetään eikä järjestelmä ole staattisesti tasapainossa. Generaattorin ja järjestelmän on pystyttävä myös tuottamaan riittävä vian seurauksena syntyviä värähtelyjä vaimentava voima, jotta vältytään dynaamisen stabiilisuuden menettämiseltä, mikä johtaa kasvavaan jännitteiden ja virtojen heilahteluihin sähköverkossa. Staattinen ja dynaaminen stabiilisuus menetetään, jos tehokulma kasvaa yli kriittisen

17 9 90 arvon. Seuraavassa on esitetty sähköverkkoon siirrettävän energian kaava (4). Kaavassa E on lähdejännite, U kuormituksen jännite ja X jännitteiden välissä oleva kokonaisreaktanssi. Tehokulmakulma δ kuvaa sitä, kuinka paljon lähdejännite on kuormituksen jännitettä edellä. [5] P = 3 sinδ (4) Kuvassa 2.5. on esitetty tahtigeneraattorin teho tehokulman funktiona. Kuvaan on merkitty toimintapiste tehokulmakäyrällä, jossa katkoviivalla merkitty voimakoneen antama teho leikkaa generaattorin sähköjärjestelmään syöttämän energian kuvaajan. Kuva 2.5. Tahtigeneraattorin tehokulmakäyrä [5]. Kuormituksen kasvamiseen on vastattava tahtigeneraattorin voimakoneen tehon kasvattamisella. Kuvasta nähdäänkin, että mekaanisen tehon kasvattaminen nostaa toimintapisteen tehokulmakäyrällä kuormitusta vastaavalle korkeudelle. Generaattorin sisäisen jännitteen pienentäminen vastaavasti laskisi käyrän korkeutta, koska verkkoon syötettävä maksimitehon arvo laskisi. Tehokulma ei kuitenkaan saa ylittää 90, tällöin tahtigeneraattorin taajuus nousee yli verkon nimellistaajuuden. Mekaanisen voiman kasvattaminen ei lisäisi tällöin enää verkkoon siirtyvää energiaa ja generaattori ei toimi enää tahtikäytössä. [5] Transienttinen stabiilisuus kuvaa järjestelmän käyttäytymistä merkittävän häiriön aikana, jolloin sähkövoimajärjestelmä kokee voimakkaita muutoksia ja heilahduksia. Transienttista stabiilisuutta horjuttavat muun muassa verkossa tapahtuvat oikosulut, suuren tuotannon putoaminen sähköverkosta ja suuret muutokset kuormituksissa. Järjestelmän transienttisella stabiilisuudella tarkoitetaan järjestelmän kykyä pysyä tahtikäytössä äkillisestä viasta huolimatta. Magnetointijärjestelmän ominaisuuksilla on oleellinen osa systeemin transienttisen stabiilisuuden parantamisessa. Vastaavasti myös erillisiä lisästabilointipiirejä käytetään tilanteen vaatiessa. [3] Sähkövoimajärjestelmä on stabiilissa tilassa eli tasapainoisessa tilassa niin kauan, kun sen jännite on siirtokyvyn kannalta riittävällä tasolla ja tahtikoneet toimivat tahtikäytös-

18 10 sä. Sähkövoimajärjestelmä voi pysyä stabiilina vain silloin kun verkon stabiilisuutta eli tasapainoa ylläpitävät tekijät merkitsevät enemmän kuin verkon stabiilisuutta heikentävät ilmiöt. Sähköverkon stabiilisuutta parannetaan esimerkiksi verkon jännitettä nostamalla ja sähköverkossa tapahtuvia vikoja erottamalla. [6] 2.4 Toimintarajat Tahtigeneraattorin PQ-diagrammista saadaan selville, kuinka paljon generaattorilla voidaan tuottaa pätö- ja loistehoa koneen toimintarajojen sisäpuolella pysyttäessä. Toimintarajat asettavat rajat, joissa tahtigeneraattoria voidaan ajaa jatkuvasti ilman laitteiden vaurioitumista. Rajat tahtigeneraattorille piirretään kyseisen koneen lämpenemän ja stabiilisuusrajojen perusteella. Vaaka-akselilla on loistehon ja pystyakselilla pätötehon suhteellisarvo. Kuvassa 2.6. on esimerkki tyypillisestä tahtigeneraattorin PQdiagrammista ja tahtigeneraattorin kuormittamista rajoittavista tekijöistä. [7, s.94-96] Kuva 2.6. Esimerkki tahtigeneraattorin PQ-käyrästä [7, s. 95]. Magnetointivirtaa säädettäessä tulee huomioida alimagnetointiraja, jota ei voida alittaa, jotta saadaan pidettyä tahtigeneraattori tahdissa. Loistehon tuotantoa suurennettaessa koneen lämpeneminen asettaa maksimirajan sille kuinka suurta virtaa roottoriin voidaan johtaa vahingoittamatta magnetointikäämejä. Staattorikäämien kestämä maksimivirta asettaa ylärajan sille, kuinka paljon generaattorilla voidaan tuottaa näennäistehoa verkkoon. Generaattorin jäähdytyksen parantamisella voidaan vaikuttaa käyrän muotoon, sillä lämpötila saadaan pidettyä samassa arvossa suuremmilla virran arvoilla. [7, s.94-96] 2.5 Tahtigeneraattorin virta- ja jännitemittaus Mittamuuntajien tehtävänä on eristää ensiö- ja toisiopiirit toisistaan sekä muuntaa virrat ja jännitteet pienjännitteisille valvonta-, suojaus- ja mittauslaitteistoille. Generaattorien

19 11 suojauksen kannalta mittamuuntajat ovat merkittävässä roolissa, koska suojareleiden toiminta perustuu mittamuuntajilta saatuihin arvoihin ja informaatioon. Näin ollen myös suojien toiminnan tarkkuus on riippuvainen virta- ja jännitemuuntajien tarkkuudesta. Suojauksen suunnittelun kannalta on myös oleellista tuntea mittamuuntajien käyttäytyminen erilaisissa kuormitus- ja vikatilanteissa. Mittamuuntajan polaarisuudella ei ole merkitystä jos mitataan vain virran ja jännitteen suuruutta, mutta se tulee olla tiedossa tilanteissa jolloin laitteen toiminta perustuu virtojen ja jännitteiden summiin ja erotuksiin. Yleisimmät suojareleiden ja mittamuuntajien arvot ovat virroilla 1A ja 5A sekä jännitteinä 100V, 110V tai 120V. [6] Virtamuuntajat Virran mittaukseen tuo haastetta se, että virran vaihtelut ovat suuria ja kuormitusvirtakin voi vaihdella normaalissa käyttötilanteessa runsaasti. Eniten virheitä mittauksessa aiheuttaa rautasydämellisen virtamuuntajan kyllästyminen, mikä on otettava huomioon virtamuuntajaa käytettäessä. [7] Virtamuuntaja ei saisi saturoitua edes vikatilanteissa, jolloin virrat voivat nousta hyvin korkeiksi. Erovirtasuojauksessa virtamuuntajien kyllästymisellä voi olla haitallinen merkitys, koska suojaus voi reagoida suojausalueen ulkopuolisiin vikoihin kyllästymisen vuoksi. Virtamuuntajien laadulla onkin eniten merkitystä silloin, kun jonkin laitteen toiminta perustuu useammasta virtamuuntajasta saatujen arvojen vertailuun. Ylivirtasuojien toiminnan kannalta ei kyllästymisestä kuitenkaan ole usein haittaa, sillä niiden toiminnalle signaali virran noususta on riittävä eikä tarkkuus ole niinkään merkitsevä. Myös muissa suojareleratkaisussa virtamuuntajan on toimittava oikein ja riittävän tarkasti, jotta vältytään turhilta laukaisuilta ja saavutetaan vaadittava suojauksen taso. [6] Jännitemuuntajat Jännitteen vaihtelu ei ole yhtä suurta verkossa kuin virran. Induktiivisen jännitemuuntajan toistokyky on sen verran hyvä, että jännitemuuntajan valinta on selvästi virtamuuntajavalintaa helpompi tehdä. Jännitemuuntajat sisältävät yleensä yhden rautasydämen, jonka ympärillä on ensiökäämi ja tämän lisäksi muuntajassa voi olla jopa kolme erillistä toisiokäämiä. Toisiokäämit on jaettu mittauskäämeihin, suojauskäämeihin ja maasulkusuojauksessa käytettyihin avokolmiokäämeihin. Näistä mittauskäämeille on asetettu tarkimmat tarkkuusvaatimukset ja avokolmiokäämeille pienimmät. Jos tarkkuus on riittävä, voidaan suojauskäämiä käyttää mittaamiseen sekä suojaamiseen, eikä erillistä mittauskäämiä tarvita. Erillisillä toisiokäämeillä on vaikutuksensa toistensa toimintaan, minkä vuoksi tulisi harkita, toteutetaanko kaikki mittaukset yhdellä muuntajalla vai kojeistojen tilan salliessa useammalla erillisellä muuntajalla. [7]

20 Tahtigeneraattorin liittäminen sähköverkkoon Suuret tahtigeneraattorit kytketään verkkoon oman blokkimuuntajaksi kutsutun päämuuntajan kautta, joka nostaa jännitteen suurjännitteiseksi. Tahtikonetta käynnistettäessä ei tahtigeneraattori voi olla vielä verkkoon kytkettynä, kuten on mahdollista oikosulkukoneen tapauksessa. Tahtigeneraattori on tahdistettava sähköverkon ominaisuuksien perusteella ja pidettävä erotettuna katkaisijan avulla verkosta kunnes kaikki tahdistusehdot on riittävän tarkasti täytetty. Erillistä tahdistinta voidaan käyttää sulkemaan generaattorikatkaisija automaattisesti oikealla tahdistushetkellä. Kuvassa 2.7. on havainnollistettu sähkövoimajärjestelmään liitettävää generaattoria, joka on liitetty suurjännitepuolelle oman blokkimuuntajan avulla. [8] Kuva 2.7. Blokkimuuntajan kautta suurjänniteverkkoon kytketty generaattori [8]. Kuvassa 2.7. on verkkokatkaisija (1), päämuuntaja (2), generaattorikatkaisija (3) ja omakäyttömuuntaja (4). Generaattorikatkaisija on päämuuntajan ja generaattorin välissä ja sitä käytetään generaattorin tahdistamiseen sekä verkosta erottamiseen generaattorivian sattuessa. Vaikka generaattori erotettaisiin verkosta, sähköä on vielä saatavilla apujärjestelmälle, koska verkkokatkaisija voidaan pitää vikaantuneen generaattorin erotuksen vuoksi kiinni. Generaattorikatkaisijalle asetetaan verkkokatkaisijaa tiukemmat sähköiset vaatimukset. [8] Blokkimuuntajat Blokkimuuntajat ovat yleensä tähtikolmiokytkettyjä ja maadoitettuja tähtipisteensä kautta [9]. Blokkimuuntajaa käytetään nostamaan generaattorin tuottama jännite suurjännitteiseksi siirtohäviöiden minimoimiseksi. Suuritehoiset tahtigeneraattorit kytketään yleensä oman yksittäisen blokkimuuntajan kautta sähköverkkoon. Blokkimuuntaja onkin tämän vuoksi kriittinen komponentti, koska ilman toimivaa blokkimuuntajaa ei tah-

21 13 tigeneraattoria saada kytkettyä verkkoon. Tämä asettaa tarkat vaatimukset blokkimuuntajan luetettavuudelle sekä blokkimuuntajan suojaukselle. [10] Pienitehoiset generaattorit voidaan kytkeä yhteiseen tehomuuntajaan, jolloin kaksi tai useampi generaattori on kytketty kiskon kautta yhteiseen tehomuuntajaan. Tämä toteutustapa tuo lisähaasteita muun muassa kiertävien virtojen muodossa. Näitä muodostuu, jos kiskoon kytketyillä generaattoreilla on keskenään eroavaisuuksia jännitteissä tai impedansseissa. [3] Tahdistusperiaate Suuren tahtigeneraattorin voi liittää verkkoon vain, kun seuraavaksi mainitut vaatimukset on täytetty. Vaatimukset on täytettävä, jotta saadaan toteutettua turvallinen verkkoon kytkentä ja vältytään generaattorin ja blokkimuuntajan vaurioilta sekä sähköverkon jännitteen heilahteluilta. [11] Seuraavassa neljä ehtoa, joiden on täytyttävä ennen kuin koneen generaattorikatkaisijan voi turvallisesti sulkea: Jännitteiden amplitudien tulee olla likimain samansuuruiset katkaisijan molemmilla puolilla. Generaattorin ulostulon ja verkon välisen jännite-eron maksimiarvo on ±5 % verkon jännitteestä järjestelmän stabiilisuuden turvaamiseksi. [9] Taajuuksien on oltava mahdollisimman lähellä toisiaan katkaisijan molemmilla puolilla ennen katkaisijan sulkemista. Taajuuseron tulisi olla alle ±0,067 Hz. [9] Ennen tahtigeneraattorin verkkoon kytkentää on myös varmistuttava siitä, että järjestelmän vaihejärjestys on sama kuin generaattorissa. [4] Verkon ja generaattorin välinen vaihe-ero tulee olla pieni. Vaihekulmien erotukselle on asetettu maksimiarvoksi ±10. [9]. Kun tahtikoneen verkkoon tahdistaminen toteutetaan onnistuneesti, tahtikone toimii tyhjäkäynnissä, eikä virtaa kulje kumpaankaan suuntaan. [7] Mitä lähemmin arvot vastaavat toisiaan katkaisijan molemmin puolin, sitä turvallisempaa katkaisijan sulkeminen on. Jos kyseiset arvot eivät täsmää riittävän tarkasti, voivat seuraukset olla vakavia generaattorille ja sähköverkolle. Generaattorin taajuuden poikkeaminen verkon nimellistaajuudesta johtaa pyörivien osien nopeaan kiihtymiseen tai hidastumiseen. Tämä tilanne altistaa generaattorin ja voimakoneen voimakkaille mekaaniselle rasitukselle. Jännite-eron aiheuttavat virrat vastaavasti vahingoittavat blokkimuuntajaa sekä käämityksiä.

22 14 Muut kuormat verkossa voivat kokea voimakkaita jännitteen heilahteluita huonosti toteutetun tahdistuksen vuoksi. [11] Tahdistuslaitteisto Sähköverkosta generaattorin erottavan katkaisijan lisäksi tahtigeneraattorin tahdistamisessa tarvitaan pyörimisnopeuden valvoja, joka säätää voimakonetta ja täten roottorin pyörimisnopeutta. Magnetointivirran säädöllä nostetaan jännite verkon jännitteen vastaamalle tasolle. Yksinkertaisimmillaan voidaan käyttää lamppuja indikoimaan jänniteeroja katkaisijan yli. Katkaisijan on voinut sulkea lamppujen sammuttua jännitteiden ollessa likimain samansuuruisia ja -vaiheisia. Mikroprosessoripohjaiset laitteet ovat helpottaneet tahdistusta, koska saatavilla on enemmän ja tarkempaa tietoa tahdistustilanteesta. Esimerkki digitaalisesta tahdistusyksiköstä on esitetty kuvassa 2.8. [11] Kuva 2.8. Lumel KS3 digitaalinen tahdistusyksikkö [12]. Nykyaikaisista voimalaitoksista löytyykin tahdistuspaneelit, joiden avulla on nähtävissä mitatuista suureista milloin katkaisija on suljettavissa turvallisesti. Automaattinen tahdistuslaitteisto vastaa tahtigeneraattorin arvojen säätämisestä siten, että katkaisija on mahdollista sulkea turvallisesti. Varatoimintona tahdistuksen voi silti modernissakin tahdistuslaitteistossa suorittaa manuaalisesti käsitahdistuksena. [11] Automaattisesti generaattorin verkkoon tahdistava järjestelmä tarkkailee jännitettä, vaihekulmaa sekä sen vaihteluita katkaisijan yli. Automaattisessa tahdistusjärjestelmässä on automaattinen tahdistaja ja laitteistot, jotka ohjaavat ja mittaavat generaattorin jännitettä ja taajuutta halutuksi ennen generaattorin kytkemistä verkkoon. Järjestelmä antaa signaaleja generaattorin nopeuden nostamiseksi tai laskemiseksi verkosta mitattujen arvojen perusteella. Generaattorin nopeus voidaan nostaa hieman verkkoa korkeammak-

23 si, jos halutaan varmistua, että takatehorele ei havahdu. Se myös ottaa huomioon katkaisijan sulkeutumisajan laskiessa optimihetkeä generaattorikatkaisijan sulkemiselle. Jos tahdistus toteutetaan manuaalisesti, käyttäjä säätää vastaavasti jännitteet ja taajuudet samansuuruisiksi mittausten tuoman informaation perusteella sekä sulkee generaattorikatkaisijan. [9] 15

24 16 3 TAHTIGENERAATTORIN MAGNETOINTI Magnetointijärjestelmän päätehtävänä on syöttää roottorikäämityksiin virtaa tarvittavan magneettikentän luomiseksi. Se myös pitää yllä jännitetasoa vakioarvossaan generaattorin toimiessa osana sähkövoimajärjestelmää. Magnetointijärjestelmä vastaa ohjearvojen perusteella loistehon kulutuksesta tai tuotannosta koneen tehokertoimen säädöllä. Sen vastuulla on myös sähköverkon stabiilisuuden ylläpito ja tukeminen häiriötilanteissa sekä osaltaan generaattorin suojaaminen erillisten suojareleiden tukena. Magnetointijärjestelmän käsittelemät virrat voivat nousta suurten generaattorien tapauksessa useisiin tuhansiin ampeereihin. Magnetointijärjestelmän suunnittelussa on tämän lisäksi huomioitava, että järjestelmän on erilaisissa poikkeustilanteissa kyettävä toimimaan lyhyitä aikoja tahtigeneraattorin toimintarajojen ulkopuolella verkon stabiilisuuden ylläpitämiseksi. [3] Magnetointijärjestelmä on jaettavissa kahteen erilliseen kokonaisuuteen. Näitä ovat automaattinen jännitteensäätäjä AVR (engl. Automatic Voltage Regulator) ja magnetointilaitteisto. Jännitteensäätäjään kuuluvat magnetointijärjestelmään sisältyvät suojaustoiminnot ja rajoittimet. Se myös vastaanottaa ja käsittelee magnetointijärjestelmän ja muiden laitteistojen väliset signaalit. Magnetointilaitteiston tehtävänä on puolestaan virran ja jännitteen muuntaminen generaattorille halutun muotoiseksi ja suuruiseksi. [4] Magnetointijärjestelmä on liitettävissä väyläratkaisuilla muuhun automaatiojärjestelmään. Digitaaliset magnetointijärjestelmät mahdollistavat asettelujen asettamisen, ohjaamisen ja tietojen seuraamisen etäkäyttönä. Myös kalibrointi ja mittausten käsittely on helpottunut ja monipuolistunut. Mitta-arvot ja tapahtumat tallennetaan aikaleimattuina, mikä mahdollistaa myöhemmin tilanteiden tarkastelun ja magnetointijärjestelmän toiminnan tutkimisen. [13] Magnetointilaitteistot voidaan jakaa tasa- ja vaihtosähkömagnetointilaitteisiin. Työssä perehdytään vaihtosähkömagnetointiin, sillä tasasähkömagnetointi soveltuu vain hitaisiin käyttöihin. Nykyään niitä on käytössä lähinnä vanhoissa vesivoimalaitoksissa. Ennen tasasuuntaukseen käytettyjen diodi- ja tyristorikomponenttien yleistymistä ja niiden helppoa saatavuutta, oli roottorin magnetointikäämityksille tuotu virta yleensä tasasähkögeneraattorilla tuotettua. Magnetointilaitteisto koostui suuresta tasasähkögeneraattorista, jonka tuottama virta johdettiin liukuharjojen avulla magnetointikäämeihin. Vanhat tasasähkögeneraattorit vaativat paljon huoltoa, ja varaosien saaminen on nykyään hankalaa. [4] Tasasähkögeneraattorit on uusissa voimalaitoksissa jo pitkään korvattu vaih-

25 17 tosähkömagnetoinnilla sen hyvien säätöominaisuuksien, pienemmän huollon tarpeen ja luotettavuuden vuoksi. [7, s ] 3.1 Magnetointilaitteisto Generaattorin ulostulojännitettä nostetaan magnetointikäämeihin syötetyn virran suuruutta kasvattamalla. Kun tahtigeneraattori on kytkettynä sähköverkkoon, ei magnetointivirran lisääminen enää nostakaan jännitettä, sillä generaattorin jännite määräytyy verkon jännitteen mukaan. Tarvittavan magnetoinnin saavuttaminen generaattorissa voidaan saavuttaa sähkövirran sijaan kiinnittämällä kestomagneetit roottoriin. Kestomagneettien käyttö yksinkertaistaisi magnetointilaitteistoa, mutta tällöin jännitteensäätö ei ole mahdollinen siitä syystä, että magneettikenttä ei ole muutettavissa. Kestomagneettigeneraattoreita voidaan kuitenkin käyttää osana magnetointilaitteistoa tarkasteltavissa tahtigeneraattoriluokissa. Eri magnetointimenetelmissä on sama tavoite ja lopputulos, eli tarvittavan magneettikentän synnyttävä tasavirta magnetointikäämissä. Jako eri menetelmiin tuleekin siitä, millä menetelmällä magnetointivirta tuotetaan tai miten se johdetaan roottorikäämityksiin. Magnetointilaitteiston on syötettävä käyttötilannekohtaisesti tasavirtaa generaattorille. Tämän lisäksi nykyaikaisten magnetointilaitteistojen on pystyttävä reagoimaan ja toimimaan nopeasti verkossa tapahtuvien muutoksien aikana. Nykyaikaiselta magnetointilaitteistolta vaaditaan myös generaattoria suojaavia toimintoja vikatilanteissa generaattorisuojien tueksi. [4] Kun tehoelektroniikkakomponenttien avulla tasasuunnattua vaihtosähköä hyödynnetään generaattorin magnetoimisessa, jännitteen nousuaika on huomattavasti tasasähkömagnetointia nopeampi. Tasasähkömagnetoinnilla jännitteen nousuaika on tyypillisesti 1-2s. Jännitteennousuaika on nopeutunut huomattavasti, kun magnetointimenetelmät ovat kehittyneet tasasähkömagnetoinnista vaihtosähkömagnetointiin. Staattisella magnetoinnilla vastaava arvo on s ja harjattomalla hieman hitaampi s. Magnetointilaitteiston tarvitsema teho on yleensä noin 2-3,5 kw/mw, eli muutaman tuhannesosan luokkaa generaattorin nimellistehosta [7, s ] Tasasuuntaussillat Erillisestä magnetointikoneesta, generaattorin ulostulosta tai muusta teholähteestä saadun vaihtosähkön tasasuuntauksesta vastaavat kolmivaiheiset diodi- ja tyristorisillat. Tyristorisiltoja käytetään magnetointijärjestelmässä diodisiltojen sijaan silloin, kun tasasuuntauksen lisäksi säädetään magnetointivirran suuruutta. Kuvassa 3.1. on esitetty yksinkertaistettu kuva sytytyspulsseilla ohjatusta tyristorisillasta, jossa tasasuuntaajasillan sisääntulojännite on magnetointilaitteiston lähdejännite V E. Tasasuunnattu ulostulojännite on V S.

26 18 Kuva 3.1. Kolmivaiheinen tasasuuntaava kuusipulssityristorisilta [14]. Tyristorit siirtyvät johtavaan tilaan silloin, kun ne saavat sytytyspulssin automaattiselta jännitteensäätäjältä ja jolloin jännite on positiivinen tyristorin yli. Säätäjän ulostulo määrää tyristorei en ytyty kulman α uuruu en. Sytytyskulmaa muuttamalla säädetään magnetointivirtaa siten, että se saavuttaa generaattorilta vaadittavan ulostulojännitteen. Sytytyskulman muutoksilla vastataan myös verkossa tapahtuviin muutoksiin. Kaavan (5) mukaisesti sytytyskulman α ollessa 0 tyristorisilta toimii diodisillan tavoin ja jännite V S on suurimmillaan. Mitä enemmän sytytyskulmaa viivästytetään, sitä pienempi on magnetointikäämityksen yli oleva jännite. [14] Vs = 3 2 3V E cos(α) (5) Tasasuuntauksesta vastaavien diodien ja tyristorien jäähdytys toteutetaan yleensä ilmatai vesijäähdytteisenä. Ohjattavat tasasuuntaussillat on toteutettavissa tyristorikomponenttien sijaan myös IGB-tranistorien ja diodien kombinaatiolla. [14] Hiiliharjat Staattisessa magnetointilaitteistossa magnetointimuuntajalta saatu tasasuunnattu virta johdetaan roottorin magnetointikäämityksiin kiinnitettyihin liukurenkaisiin esimerkiksi grafiitista tehtyjen hiiliharjojen avulla. Vierekkäisten liukurenkaiden polariteetti on vastakkainen, sillä toinen kuljettaa virtaa roottoriin ja toinen roottorista poispäin. Liukurenkaiden pinta valmistetaan riittävän liukkaaksi kitkan pienentämiseksi, koska harjat hankaavat liukurenkaita suurilla nopeuksilla. Lisäksi on varmistettava, että hiiliharjat painautuvat riittävällä voimalla liukurenkaita ja liukurenkaiden johtavia osia vasten, ja täten mahdollistavat riittävän kulkutien magnetointivirralle. Tarvittava paine toteutetaan jousilla, jotka painavat harjoja riittävällä voimalla. Hiiliharjoja käytettäessä jousien antama oikeanlainen paine on yksi kriittisimmistä tekijöistä hiiliharjallisen magnetointi-

27 19 laitteiston toiminnan kannalta. Suurella nopeudella liukurenkaisiin laahaavat hiiliharjat synnyttävät korkean lämpötilan harjojen läheisyyteen, mikä tulee ottaa huomioon koneen jäähdytyksessä. [3] Hiiliharjojen käytön huonoja puolia ovat harjojen vaatima huolto, niiden kuluminen käytössä, sekä niistä aiheutuva hiilipöly. Näistä ongelmista päästään eroon, jos käytetään harjatonta magnetointilaitteistoa. [4] Herätinkoneet Erillistä magnetointivirran generaattorille tuottavaa magnetointigeneraattoria kutsutaan herätinkoneeksi. Harjaton magnetointilaitteisto voidaan varustaa kestomagneettigeneraattorilla, jolloin ei tarvita ulkoista teholähdettä magnetointigeneraattorille. Tällöin saavutetaan myös riippumattomuus sähköverkon vioista, sillä herätinkone saa staattorin magnetointikäämitykseen tarvittavan virran kestomagneettigeneraattorilta. Jännitteensäätäjä säätää kestomagneettigeneraattorin tasasuunnattua ulostuloa magnetointigeneraattorin roottorikäämeille. Jos generaattorilta vaaditaan suurempaa kattojännitteen nostokykyä kuin mitä kestomagneettigeneraattorilla saadaan aikaan, se voidaan korvata jollain teholähteellä ja säätää tehoelektroniikkakomponenteilla magnetointimuuntajalle johdettua virtaa. Magnetointigeneraattorin valinnassa suositaan yleensä suurinapalukuisia generaattoreita riittävän suuren taajuuden tuottamiseksi. [14] 3.2 Staattinen magnetointilaitteisto Nimitys staattiselle magnetointilaitteistolle tulee siitä, että kaikki jännitteen ja virran suuruutta tai muotoa muokkaavat laitteistot pysyvät paikallaan. Staattisessa magnetointilaitteistossa ei myöskään käytetä muita pyöriviä osia, kuten erillistä magnetointigeneraattoria niin kuin muissa esitetyissä magnetointimenetelmissä. Laitteisto tarvitsee erillisen magnetointimuuntajan, jotta generaattorin liittimistä tai erillisestä tehonsyötöstä johdettu magnetointiin käytetty sähköenergia saadaan muunnettua jännitetasoltaan magnetointilaitteistolle sopivaksi. Magnetointimuuntaja vastaa myös magnetointilaitteiden sähköisestä eristämisestä. Magnetointimuuntajalta saatu jännite tuodaan jännitteen säätäjän ohjaamaan piikomponenteista koottuun tasasuuntaussiltaan. Tasasuuntaussillan aikaansaama tasavirta johdetaan liukurenkaita laahaavien hiiliharjojen kautta roottoriin magnetointikäämityksille. Kuvassa 3.2. on esitetty staattisen magnetointilaitteiston periaate. Kuvaan on merkitty katkoviivalla pyörivät komponentit. [4]

28 20 Kuva 3.2. Periaatekuva staattisesta magnetointijärjestelmästä [4; 15]. Staattinen magnetointilaitteisto on korvannut tasasähkömagnetoinnin uudemmissa voimalaitoksissa. Vanhempien voimalaitosten tasasähkömagnetointi korvataan usein uudistusvaiheessa staattisella magnetoinnilla, koska kummatkin laitteistot tuovat virran liukurenkaisiin hiiliharjojen avulla. Staattisella magnetointilaitteistolla saavutetaan pyöriviä magnetointilaitteistoja korkeampi hyötysuhde. Huollon tarve on kuitenkin harjattomaan magnetointilaitteistoon nähden suurempi, sillä liukurenkaat ja hiiliharjat on huollettava säännöllisin väliajoin. [9] Jos tarvittava magnetointiteho otetaan generaattorin liittimistä, täytyy generaattorin käynnistämistä varten tarvittava teho olla saatavissa esimerkiksi verkosta tai erillisestä akustosta. [13] Staattisen magnetointilaitteiston tasasuuntaussilta reagoi lähes välittömästi siltä vaadittuihin muutoksiin, jolloin jännitteensäätäjän piireissä tapahtuu ainoa järjestelmässä syntyvä pieni toimintaviive. [5] 3.3 Harjaton magnetointilaitteisto Harjattomassa magnetointilaitteessa herättimenä toimiva vaihtosähkögeneraattori syöttää tasasuuntaajan avulla tasavirran generaattorille. Herätinkoneen magnetointikäämitys on sijoitettu koneen staattoriin. Kolmivaiheinen ankkurikäämitys, johon jännite indusoidaan, on sijoitettu koneen pyörivään roottoriin. Diodeilla toteutettu pyörivä tasasuuntaajasilta tasasuuntaa roottorissa kulkevan virran ennen, kuin se johdetaan päägeneraattorin magnetointikäämityksille. Pyörivä kestomagneetti indusoi jännitteen kestomagneettigeneraattorin staattoriin, josta se johdetaan tasasuunnattuna herätinkoneen magnetointikäämeihin. Päägeneraattorin jännitteensäätäjä ohjaa apuherättimen tuottamaa magnetointivirran suuruutta tyristoreiden sytytyskulmaa säätämällä. Sytytyskulma määrää herätinkoneen magnetointikäämeihin johdetun tasavirran suuruuden. Tällä menetelmällä magnetointikentän suuruus määrätään halutun magnetointivirran mukaisesti.

29 21 Harjattomalla magnetointijärjestelmällä päästään eroon staattiseen magnetointilaitteistoon kuuluvista huoltoa vaativista liukuharjoista ja niiden synnyttämästä hiilipölystä. Harjattoman magnetointilaitteiston etuna on myös riippumattomuus verkon häiriöistä, koska se tuottaa magnetointivirran generaattorin akselilla olevalla magnetointigeneraattorilla. Tämä lisää merkittävästi järjestelmän luotettavuutta, koska magnetointivirtaa voidaan tuottaa niin kauan, kun voimakone pyörittää generaattorin roottoria. Kuvassa 3.3. on yksinkertaistettu periaatekuva harjattomasta magnetointilaitteistosta, jossa herätinkone saa energiansa kestomagneettigeneraattorilta. [4; 7, s ] Kuva 3.3. Periaatekuva harjattomasta magnetointijärjestelmästä [4; 15]. Kuvassa 3.3. on katkoviivalla merkitty pyörivät osat harjattomassa esimerkkimagnetointijärjestelmässä. Näihin kuuluvat apuherätinkoneena toimivan kestomagneettigeneraattorin roottori, herätinkoneen ankkurikäämitys, tasasuuntaava diodisilta ja generaattorin roottori. Suurissa generaattoreissa magnetointivirta saattaa nousta useisiin tuhansiin ampeereihin, jolloin näin suuria virtoja käsitteleviä ohjattuja tasasuuntaussiltoja ei ole välttämättä taloudellisesti järkevää käyttää. Ohjatun tasasuuntaussillan kokoa saadaan pienennettyä siten, että sitä käytetään päägeneraattoria huomattavasti pienempitehoisen magnetointigeneraattorin syöttämiseen. [5] 3.4 Magnetoinnin säätö Generaattorien on pystyttävä toimimaan nimellispätötehollaan tehokertoimen ollessa alimagnetointitilanteessa 0,95 ja ylimagnetointitilanteessa 0,9. Näissä rajoissa generaattorin on kyettävä toimimaan verkkojännitteen vaihdellessa suhteessa verkon nimellisjännitteeseen alimagnetointitilanteessa % ja ylimagnetointitilanteessa %. Verkkohäiriön yhteydessä jännitteen ollessa 70 % liittimen nimellisjännitteestä on generaattorin myös kyettävä tuottamaan loistehoa nimellispätötehonsa suuruisen

30 22 määrän 10 sekunnin ajan, mikä on huomioitava generaattorin ja magnetointijärjestelmän suunnittelussa. [16] Kattojännite on suurin mahdollinen magnetointijännitteen taso, mikä magnetointijärjestelmällä voidaan tuottaa. Generaattorin magnetoinnista vastaavan magnetointipiirin on kyettävä toimittamaan riittävän suuri kattojännite vaurioitumatta. Generaattorin magnetoimislaitteistolta vaaditaan magnetoimisjännitteen kattojännitteen syöttömahdollisuutta 10 sekunnin ajaksi. Harjattomalle laitteistolle kattojännitteeksi on määritetty 1,6 ja staattiselle 2 kertaa generaattorin nimelliskuormituspistettä vastaava magnetointijännite. Käyttövarmuus on turvattava toteuttamalla jännitteensäätäjä kaksikanavaisena ja magnetointivirralle on oltava manuaalinen säätö automaattisen lisäksi. Generaattori ja päämuuntaja tulee suunnitella siten, että ne tukevat loistehon kompensointia ja sähkövoimajärjestelmän stabiilisuutta. Tähän päästään pyrkimällä teknisissä ja taloudellisissa rajoissa laitteiden pienimpiin mahdollisiin reaktansseihin. [16] Jännitteensäätäjä Nykyaikaisessa magnetointijärjestelmässä jännitteensäätäjä on yksi tärkeimmistä komponenteista. Tämä mikroprosessoritekniikkaan perustuva digitaalinen säätäjä vastaa automaattisesti magnetointilaitteiston tuottamasta virrasta. Staattisessa magnetointilaitteistossa säätäjä määrää tasasuuntaavien komponenttien sytytyskulman, kun taas harjattomassa magnetointilaitteistossa säätäjä ohjaa magnetointigeneraattorin magnetointikäämityksille johdetun virran suuruutta. [4] Jännitteensäätäjä koostuu kahdesta erillisestä laitteesta. Näitä ovat automaattinen ja manuaalinen jännitteensäätäjä. Automaattisen jännitteensäätäjän tehtävänä on toimi automaattisesti säätäen ohjattujen tasasuuntaussiltojen sytytyskulmia jännitemuuntajan generaattorin ulostulosta mitattujen ja annettujen ohjearvojen perusteella. Säätäjällä on suuri merkitys sähköverkon stabiilisuuden ylläpitämisessä. Sen nopea reagointi verkossa tapahtuviin vikoihin edesauttaa generaattorin pitämistä tahdissa sähköverkon kanssa. Myös osa magnetointijärjestelmän suojaustoiminnoista on sisällytetty siihen. Automaattista jännitteensäätäjää käytetään magnetointivirran ohjaamiseen niin kauan kuin se on toimintakunnossa. Vika automaattisessa jännitteensäätäjässä ei kuitenkaan pysäytä generaattorin toimintaa, sillä jännitteen säätö on toteutettavissa varasäätäjäksi tarkoitetulla manuaalisella jännitteen säätäjällä. Automaattinen jännitteensäätäjä mittaa generaattorin ulostulosta tarvittavat arvot virta- ja jännitemuuntajilla. Näiden tietojen perusteella jännitteensäätäjä säätää magnetointijännitteen arvoa kuormitustilanteen ja muut vaatimukset huomioiden. [5] 3.5 Magnetointijärjestelmän rajoitus- ja suojaustoiminnot Modernin magnetointijärjestelmän päätehtävän, riittävän ulostulojännitteen tuottamisen, lisäksi sille on asetettu myös useita muita vaatimuksia. Järjestelmästä voi löytyä useita aputoimintoja, kuten rajoittimia, suojauksia, kompensaattoreita ja stabilointipiirejä. Näiden toimintojen toteutuksessa ja suunnittelussa tulee ottaa huomioon muun muassa

31 23 voimakoneen tyyppi, generaattorin koko ja tärkeys sekä siltä vaaditut ominaisuudet ja tehtävät. [9] Kuvassa 3.4. on havainnollistettu mistä toiminnoista ja ohjauksista jännitteensäätäjän magnetointivirtaa ohjaava ulostulo muodostuu. Kuva 3.4. Magnetoinnin säätöjärjestelmä [17]. Kuvassa 3.4. esitetyn lisästabilointipiirin on oltava teholtaan 50 MVA ja tätä suurempitehoisten generaattorien jännitteensäätöjärjestelmässä. Lisästabilointipiirin tehtävänä on vaimentaa generaattorin ja sähkövoimajärjestelmän heilahteluja. Lisästabiloinnin määrän on oltava säädettävissä sähköverkon tasapainottamistarpeen mukaisesti. [16] Alimagnetointirajoitin valvoo, että generaattoria ei ajeta alle generaattorille määritetyn PQ-diagrammin alimagnetointirajan tai stabiilisuusrajan alapuolella. Rajoittimen asetteluissa ja toiminnassa on otettava huomioon generaattorin alimagnetointisuojausasetukset ja -menetelmät. Vastaavasti magnetointijärjestelmän ylimagnetointirajoittimen tarkoituksena on rajoittaa roottoriin magnetointikäämityksille johdettua magnetointivirtaa. Täten suojataan generaattorin staattorikäämityksiä ylikuormittumasta. [13] V/Hz rajoittimen tehtävänä on suojata generaattoria ja päämuuntajaa ylimagnetoitumiselta. Se estää generaattorin liitinjännitteen ja taajuuden suhteen ylittämästä asetettua maksimiarvoa pyörimisarvosta riippumatta. Rajoittimen on kuitenkin sallittava hetkellisiä asetteluarvon ylityksiä tilanteissa, joissa jännite nousee sähköverkon transienttien takia. Ylimagnetointirajoittimen lisäksi generaattoria suojataan erillisellä ylimagnetointisuojalla, mikä tulee ottaa huomioon rajoittimen ja suojauksen asetteluissa. [15] Magnetointijärjestelmää suojataan hyvin samantyylisiltä vioilta kuin generaattoriakin, suojauslaitteistot vain ovat usein monimutkaisempia generaattorisuojaukseen nähden.

32 24 Vaadittavat suojat ja suojausmenetelmät ovat vahvasti riippuvaisia siitä, minkälaista magnetointimenetelmää generaattorin magnetointiin käytetään. Tämän vuoksi suojaus olisi hyvä olla osana magnetointijärjestelmää. Usein rajoitustoiminnot sisällytetään magnetointijärjestelmään ja tärkeät suojaustoiminnot toteutetaan erotettuna magnetointijärjestelmästä. Staattisen ja harjattoman magnetointilaitteiston suojauksessa tulee vastaan joitakin eroavaisuuksia johtuen erilaisista komponenteista. Staattisen magnetointilaitteiston suojauksessa on huomioitava magnetointimuuntajan ylivirta- ja käämien ylikuormitussuojaus. Vastaavasti harjattomassa magnetoinnissa magnetointigeneraattoria on suojattava mekaaniselta tärinältä ja staattorikäämien ylikuormittumiselta. Muita magnetointijärjestelmän suojaustoimintoja, joita yleensä käytetään molemmissa magnetointimenetelmissä, ovat oikosulku-, maasulku-, ylivirta- ja epäkuormitussuojaus. Usein myös käytetään jännitteen ja taajuuden suuruutta sekä jäähdytysjärjestelmän vikaantumista tarkkailevia suojaustoimintoja. [13] Staattinen magnetointijärjestelmä tulee myös varustaa kenttäkatkaisijalla, jolla voidaan nopeasti katkaista virran syöttö magnetointikäämeihin. Tätä käytetään esimerkiksi generaattorin sisäisissä vikatilanteissa, jolloin generaattorin magneettikenttä on heikennettävä mahdollisimman nopeasti generaattorin ja magnetointijärjestelmän suojaamiseksi. Tämän avulla magnetointikenttä katkaistaan ja magneettikentän energia saadaan kulutettua erillisessä purkausvastuksessa. Myös erilaisia negatiivisen jännitteen tuottavia kentänheikennyspiirejä voidaan käyttää uusissa magnetointijärjestelmissä magneettikentän heikentämiseksi. [13] Magnetointilaitteistossa tapahtuvat viat eivät ole niin vahingollisia tai vakavia kuin generaattorin viat. Kuitenkin magnetointilaitteistojen vikojakin varten on oltava riittävä suojaus, jotta vikaantunut magnetointilaitteisto ei pysäytä generaattorin toimintaa. [9]

33 25 4 TAHTIGENERAATTORIN SUOJAUS Tahtigeneraattorissa voi esiintyä sisäisiä vikoja, kuten roottorin ja staattorin oiko- ja maasulkuja. Suuri osa generaattoria koskevista vioista on generaattorista riippumattomia. Tällaisia ovat esimerkiksi viat sähköverkossa tai generaattorin toimintaan vaikuttavat voimalaitoksen normaalista käyttötilanteesta poikkeavat tapahtumat. Myös vika magnetointilaitteistossa voi estää generaattorin toiminnan, sillä tällöin tarvittavaa magnetointivirtaa ei saada johdettua generaattorin staattoriin. Viat generaattorissa tai sen läheisyydessä voivat johtaa generaattorin vakaviin vaurioihin. Myös päämuuntaja ja voimakone ovat vaarassa vaurioitua generaattorin toimiessa normaalista käyttötilanteesta poikkeavalla tavalla, jolloin suojauksessa täytyy ottaa huomioon myös nämä erilaisten vikatilanteiden varalta. Viat päämuuntajassa tai voimakoneen vääränlainen toiminta johtavat tilanteisiin, jolloin generaattorin toimintaa ei voi jatkaa. Generaattorisuojauksen pääasiallinen tehtävä on havaita viat mahdollisimman aikaisessa vaiheessa. Tällöin tarvittavat katkaisijat vian erottamiseksi avataan nopeasti, jotta generaattorin ja muiden laitteiden vahingot minimoidaan. Tämän vuoksi generaattorin suojaus on erittäin tärkeä osa-alue generaattorien toiminnassa. Sähköverkossa tapahtuu kuitenkin normaaleissa olosuhteissa jatkuvasti useita pienempiä muutoksia ja kuormitusten vaihteluita. Suojauksen on sallittava riittävässä määrin verkossa tapahtuvia muutoksia ja heilahduksia irrottamatta generaattoria verkosta, mikä tekee generaattorin suojauksen suunnittelusta ja toteutuksesta haastavaa. Generaattorin suojaus voi jäädä muiden osa-alueiden varjoon, sillä kun generaattori toimii normaalisti, ei suojausjärjestelmään välttämättä kiinnitetä riittävästi huomiota. Generaattorin suojauksen ei voida ajatella koostuvan vain suojareleistä ja laitteistoista. Yhtä merkittäviä tekijöitä suojauksen toteutumisen kannalta ovat suojalaitteiden oikeanlaiset asettelut sekä suojaustoimintojen välinen koordinaatio ja kommunikointi muun automaatiojärjestelmän kanssa. Tarkoitusmukaisten ja tarkkojen asetteluarvojen tai suojalaitteiden koordinaation puutteellisuus voi aiheuttaa ylimääräisiä käyttökatkoksia energian tuotannossa. Se voi myös johtaa tilanteeseen, jolloin suojalaitteet eivät suorita niiltä odotettuja toimintoja vikatilanteessa. Useimmat suurien generaattorien ja muun laitteiston kriittisimmät vikaantumiset johtuvat juuri suojauksen puutteellisesta toiminnasta. [3] 4.1 Suojareleet Suojareleiden nimitykset kuvaavat mitattavaa suuretta sekä sitä, minkä luonteisesta releestä on kysymys ja millä käyttöalueella kyseistä suojarelettä käytetään. Seuraavassa

34 26 on käsitelty tyypillisiä generaattorin suojauksessa käytettäviä suojareletyyppejä sekä generaattorin suojauksessa käytettyjä esimerkkejä: Yli uurerele on a eteltu toimimaan kun tietty a etteluarvo ylittää asetteluarvon. Esimerkiksi ylijännite, -virta ja -magnetointirele ovat ylisuurereleitä. Alisuurerele toimii, jos tarkkailtava arvo alittaa asetteluarvon. Alimagnetointija jänniterele ovat alisuurereleitä. Suuntarele. Tehoreleet ovat usein suuntareleitä, jotka mahdollistavat koneen toiminnan vain sallitulla toimintasuunnalla. Esimerkiksi generaattorin takatehosuoja reagoi, mikäli tehon suunta vaihtuu ja näin sen tehtävänä on estää generaattorin toimiminen moottorina. Erovirtarele. Generaattorin ja päämuuntajan suojina käytetään erovirta- eli differentiaalireleitä. Differentiaalirele vertailee tietyn suureen mitattuja arvoja eri kohdista järjestelmää, kuten vaiheiden virtoja. Suojarele toimii mitattujen arvojen erotuksen poiketessa yli suojan asetteluarvon. [18 ; 19] Yhden vian varalta suojaus voidaan toteuttaa useammalla eri menetelmään perustuvalla suojareleellä. Tällöin suojarele voidaan nimetä käytettävän sovelluksen tai menetelmän mukaan. Suojareleet voidaan jakaa kolmeen suojarelesukupolveen. Uusinta tekniikkaa edustavia numeerisia suojareleitä ovat edeltäneet staattiset ja sähkömagneettiset suojareleet. [18 ; 19] Sähkömagneettiset ja staattiset suojareleet Vanhimmat generaattorisuojauksessa käytettävät suojareleet ovat sähkömekaanisia suojareleitä. Sähkömekaanisien suojareleiden toiminta perustuu aina johonkin mekaaniseen komponenttiin, kuten virran synnyttämän magneettikentän aiheuttamaan muutokseen jousessa. [18] Mekaanisten komponenttien vuoksi releet ovat vieneet paljon tilaa, ja jokaista suojaustoimintoa varten on tarvittu erillinen suoja. Tämän lisäksi ne vaativat säännöllistä huoltoa ja kalibrointia. Staattisissa releissä sähkömekaanisten suojien liikkuvat osat on korvattu puolijohdekomponenteilla ja mikropiireillä. Staattisissa suojareleissä elektroniikkakomponenteilla, kuten diodeilla, tyristoreilla, kondensaattoreilla ja vastuksilla on muodostettu tarvittavia toimenpiteitä suorittavia logiikoita. Sähkömekaanisten releiden hitaus ja epätarkkuus eivät ole staattisilla suojilla ongelma, koska elektroniset komponentit ovat korvanneet mekaaniset osat. Staattisten releiden tarkkojen ja monipuolisten toimintojen avulla on mahdollista toteuttaa vaativampia suojaustoimintoja kuin sähkömekaanisilla releillä. [6] Staattisissa suojareleissä ei nimensä mukaisesti ole liikkuvia osia apureleitä lukuun ottamatta. Näin toiminnan ainoat hidastukset muodostuvat elektroniikkapiireissä. Staattisilla releillä saavutetaan parempi tarkkuus sekä asettelujen pysyvyys ja toimintanopeus kuin mekaanisilla suojilla. [18]

35 27 Generaattorien relesuojaus on toteutettavissa nykyäänkin sähkömekaanisilla, staattisilla ja numeerisilla suojareleillä. Sähkömekaanisia ja staattisia releitä käytetään vielä vanhemmissa voimalaitoksissa. Numeeristen releiden parantunut saatavuus, luetettavuus ja hinta suhteessa saavutettaviin hyötyihin ovat kuitenkin usein hyviä perusteita korvata vanhemmat reletyypit numeerisilla suojareleillä uusintatöiden yhteydessä ja uusissa generaattoritoimituksissa. Kun käytetään staattisia tai mekaanisia suojareleitä, ovat mitattavat suureet ja noudatettavat suojausperiaatteet pääosiin samat kuin numeerisilla suojilla toteutetussa generaattorisuojauksessa. Numeeristen suojien tuomien mahdollisuuksien myötä saavutetaan kuitenkin huomattavasti parempi tarkkuus ja käytettävyys. Ne vievät myös vähemmän tilaa, koska niiden käyttö generaattorisuojauksessa mahdollistaa usean toiminnon sisällyttämisen yhteen laitteeseen. [9] Numeeriset suojareleet Sähkövoimajärjestelmän näkökulmasta numeeriset releet eivät poikkea muista reletyypeistä. Numeeriset releet kykenevät kuitenkin muita releitä huomattavasti suurempaan näytteenottotaajuuteen ja monipuolisempaan informaation käsittelyyn. Numeeristen suojareleiden tekniikka on myös mahdollistanut vikojen havaitsemiseen menetelmiä, jotka eivät ole vanhemmilla reletyypeillä olleet mahdollisia. Tekniikan tarjoamat laajemmat ja monipuolisemmat mahdollisuudet edesauttavat uusien menetelmien syntymistä generaattorien suojaamiseksi. Merkittävin numeerisilla releillä saavutettu etu muihin reletyyppeihin nähden on suojan luotettavuutta lisäävä itsevalvontaominaisuus. Itsevalvontaominaisuuden avulla saadaan ilmoitus viallisesta suojareleestä, jolloin se estää viallisen releen toiminnan. Näin vika suojalaitteessa saadaan tarkastettua ja rele palautettua toimintakuntoon nopeasti vikaantumisen jälkeen. Numeeristen suojareleiden itsevalvontaominaisuuden ansiosta vältytään aiheettomilta toiminnoilta ja suojien huollon tarve vähenee. [18 ; 19] Generaattorien suojaus on toteutettavissa nykyään monitoimireleillä, joiden avulla voidaan korvata useat erilliset sähkömekaaniset ja staattiset generaattorin suojareleet. Kuvassa 4.1. on esimerkki monitoimireleestä, jossa asetteluarvot voidaan syöttää suojareleelle etänä PC:ltä tai etupaneelin painikkeilla.

36 28 Kuva 4.1. Siemens SIPROTEC 4 7UM62 monitoimisuojarele [20]. Numeeristen releiden tekniikka mahdollistaa useiden eri toimintojen keskittämisen yhteen laitteeseen. Tähän vanhemmilla reletyypeillä ei ole pystytty. Kun tarvittavat mittaukset, asetukset ja ohjaukset voidaan tehdä yhdeltä laitteelta, säästetään kaapelointikustannuksissa ja suojauksien asettelu helpottuu huomattavasti. Generaattorin suojaus voidaan toteuttaa käyttämällä kahta erillistä monitoimirelettä, jolloin toinen suojareleistä toimii varasuojana. Myös nykyaikaisen magnetointijärjestelmän avulla voidaan toteuttaa varasuojaus osalle mahdollisista vioista. [9] Numeerisella releellä saavutetaan hyvä toimintatarkkuus ja luotettavuus myös pitkällä aikavälillä. Numeerinen rele on helppo sopeuttaa erilaisiin tilanteisiin niiden monipuolisten asettelumahdollisuuksien ansiosta. Asetteluarvot on aseteltavissa ja luettavissa digitaalisessa muodossa. Häiriötilanteiden selvittäminen on helpottunut numeerisen relesukupolven myötä, sillä releiden muistiin vikatilanteissa taltioiduista mittausarvoista saadaan häiriöiden selvittämistä helpottavaa informaatiota. [18] Numeeristen suojareleiden tiedonkäsittely ja tiedonsiirto Numeerisen suojareleen kyky suoriutua sille asetetuista tehtävistä tarkasti ja luotettavasti riippuu fyysisten komponenttien ohella laitteen ohjelmistosta. Lisäksi suorituskyky riippuu kommunikointitekniikasta, käyttöjärjestelmästä ja ohjelmistojen kyvystä käsitellä kerättyä informaatiota. Suojareleelle tuleva informaatio ja signaalit koostuvat analogisista ja digitaalisista sisääntuloista. Numeeriset releet saavat mittaustietoja analogisena, esimerkiksi mitatut virrat ja jännitteet, kuten kuvassa 4.2. on esitetty. Numeerisen suojareleen mikroprosessori käsittelee sille tuodun informaation digitaalisessa muodossa. Tämän vuoksi analogiset mittaukset on muunnettava numeerisen muotoon. Suojalaitteesta lähtevät digitaaliset ulostulot antavat hälytys- tai laukaisukäskyn katkaisijoille. Kuvassa 4.2. on esitetty lohkokaaviomalli mikroprosessoripohjaisesta suojareleestä sekä sen komponenteista, sisään- ja ulostulosignaaleista, ja suojan sekä muun järjestelmän välisestä kommunikoinnista. [9 ; 19]

37 29 Kuva 4.2. Digitaalisen monitoimisuojareleen lohkokaavio [9]. Mikroprosessori käsittelee mitatut arvot ja tallentaa tiedot RAM-muistiin, josta ne löytyvät tarvittavia laskutoimituksia varten. Tietojen käsittely tapahtuu ROM- ja EPROMmuistiin tallennettujen algoritmien ja asetteluarvojen mukaisesti. Kun laskutoimitukset ylittävät ohjearvot, mikroprosessorilta lähtee ulostulona toimintakäskyt, kuten hälytykset ja laukaisut. Tiedonkeruujärjestelmä vastaa signaalien skaalauksesta ja suodattamisesta sekä muuntaa analogiset suureet digitaaliseen muotoon mikroprosessorille. Numeerisen releen luotettava ja nopea toiminta riippuukin siitä, pystyykö se käsittelemään tarvittavan informaation riittävän tarkasti ja nopeasti vaaditussa järjestyksessä. Kommunikointi automaatiojärjestelmän kanssa voidaan toteuttaa kaksisuuntaisen tiedonsiirron mahdollistavalla väylätekniikalla. Fyysinen yhteys muodostetaan laitteiden välillä esimerkiksi kupari- tai valkokaapelilla. [9 ; 19] Kenttäväyliä käytetään nykyään usein tiedonsiirtovälineenä niiden saavuttamien lukuisten etujen vuoksi. Kenttäväyliä käytetään siirtämään tietoa digitaalisesti toimilaitteiden ja automaatiojärjestelmän välillä. Tällöin saadaan integroitua toimilaitteet, kuten numeeriset suojareleet, osaksi automaatiojärjestelmää. Myös suojareleet voivat kommunikoida ja vaihtaa tietoja keskenään kenttäväylää pitkin. Kenttäväylätekniikalla voidaan käydä kahdensuuntaista tiedonsiirtoa yhden väylän avulla. Näin kaapelointia ja ristikytkentöjä saadaan vähennettyä huomattavasti. Muita kenttäväylillä saavutettavia etuja ovat muun muassa asennusten helpottuminen ja kunnossapitokustannusten pienentyminen. Kenttäväylätekniikalla ja numeerisilla suojareleillä toimintoja voidaan hajauttaa laajemmalle alueelle, sillä kenttälaitteet voivat suorittaa tarvittavia laskentatoimenpiteitä. Tällöin myös kokonaisuuden luotettavuus kasvaa. [20]

38 Generaattorin tähtipisteen maadoitustavat Generaattorien maadoittaminen poikkeaa sähköverkkojen maadoittamisesta muun muassa siten, että generaattorit on vaikeampi suunnitella kestämään maasulkutilanteiden aiheuttamaa ylikuormittumista ja mekaanisia rasituksia. Tämän vuoksi myös generaattorin tähtipisteen maadoitustavan suunnittelu on tehtävä huolella. Generaattorit toimivat yleisesti maadoitettuina, jolloin generaattorin tähtipisteestä on muodostettu yhteys maapotentiaaliin. Maadoitus on toteutettavissa usealla eri tavalla. Käytetty maadoitustyyppi määräytyy generaattorin tähtipisteen ja maan väliin kytketystä komponentista, sen suuruudesta sekä siitä, kuinka se on kytketty nollajohtimeen. Kaikkien maadoitusmenetelmien päätehtävänä on maasulkujen aiheuttamien ylijännitteiden tai transienttiylijännitteiden rajoittaminen siedettävälle tasolle. Generaattorin kokemat rasitukset ovat suhteessa vikavirran neliöön, jolloin pienikin muutos vikavirran suuruudessa vaikuttaa merkittävästi generaattorin kokemaan rasitukseen vian aikana. Generaattori maadoitetaan myös siksi, että voidaan havaita koneen sisäiset maasulut maasulkusuojilla. [5] Jos generaattorin tähtipisteen ja maan välille ei muodosteta fyysistä yhteyttä, vikavirrat pysyvät niin pieninä, että niistä ei aiheutuisi merkittävää huolta. Maasta erotetussa generaattorissa ylijännitteet kuitenkin nousisivat vaarallisen suuriksi ja voisivat näin aiheuttaa vaurioita. Tämän vuoksi generaattorit yleisesti maadoitetaan tähtipisteistä erilaisten impedanssien kautta maahan. Ylijännitteiden suuruudet ovat riippuvaisia maadoitusimpedanssista, minkä takia impedanssin valinta on tehtävä huolella. Kaikissa maadoitusmenetelmissä tavoitteena on havaita vikavirta, jonka perusteella maasulkutilanne voidaan todentaa. Vikavirtojen suuruuksissa on suuria eroja eri menetelmiä käytettäessä. Käytetty maadoitusmenetelmä määrittää myös menetelmän miten generaattorin maasulkusuojaus voidaan toteuttaa. Maadoitusmenetelmät voidaan yleisesti jakaa maadoittamattomaan, tehollisesti maadoitettuun sekä suuren tai pienen impedanssin läpi maadoitettuun menetelmään. Pienen impedanssin läpi maadoittaessa käytetään pienen resistanssin tai reaktanssin omaavia komponentteja. Jotta saavutettaisiin maadoituksen toteutuksessa taloudellisesti optimaalinen tilanne, vaaditaan generaattorilta yleensä generaattorin liittimissä tapahtuvan kolmivaiheista oikosulkua vastaavaa vikavirran sietokykyä. Tämän vuoksi maadoitusmenetelmiltä vaaditaan useissa standardeissa, ettei vikavirta saa ylittää tätä arvoa. Kuvassa 4.3. on esitetty generaattorin tähtipisteestä toteutettuja maadoitusmenetelmiä. [5]

39 31 Kuva 4.3. Tehollisesti sekä resistanssin ja induktanssin läpi maadoitettu tahtigeneraattorin tähtipiste [5]. Suuritehoiset tahtigeneraattorit maadoitetaan harvoin suoraan, koska tällöin pienestä vikavirrasta huolimatta jännitetransientit kasvavat vaarallisen suuriksi. Tämän vuoksi generaattorin tähtipisteen maadoitus yleensä toteutetaan sijoittamalla vikavirtaa rajoittava vastus generaattorin ja tähtipisteen väliin. Mitä suurempaa vastusta käytetään, sitä pienemmät ovat myös vikavirrat. Pieniohmista vastusta käytetään yleensä pienempitehoisissa generaattoreissa, jotka ovat kiskokytkettyjä eivätkä oman blokkimuuntajan kautta kytkettyjä. Resistanssin tilalla voidaan myös käyttää induktanssia, jolloin vikavirrat ovat huomattavasti suurempia verrattuna suuriohmista vastusta käyttäessä. [9] Jakelumuuntajan kautta maadoitettu generaattori Esimerkki suuriohmisesta impedanssimaadoituksesta on jakelumuuntajan käyttö maadoituksessa. Tätä menetelmää käytetään usein oman päämuuntajan kautta verkkoon kytketyissä tahtigeneraattoreissa. Jakelumuuntaja sijoitetaan kuvan 4.4. mukaisesti staattorin tähtipisteen ja maan välille. Tällöin vastus sijoitetaan muuntajan rinnalle. Muuntosuhde valitaan yleensä siten, että toisiokäämissä jännitteen suuruus on muutamia satoja voltteja. Samaan lopputulokseen päästäisiin myös suuriohmisen vastuksen sijoittamisella maan ja staattorin tähtipisteen väliin. Usein on taloudellisesti järkevämpää käyttää jakelumuuntajaa, jonka avulla resistanssina voidaan käyttää edullisempaa, huomattavasti pienempää, ja pienemmän eristysvaatimuksen omaavaa vastusta. Muuntajan rinnalle kytketty vastus mitoitetaan niin, että maasulkutilanteessa jakelumuuntaja syöttää vikapaikkaan vikavirtaa I r, joka on vähintään samansuuruinen kuin järjestelmän kapasitanssien vikapaikkaan syöttämä I sc. Näin saadaan ylijännitteet pienennettyä riittävän turvalliselle tasolle. Muuntajan jännitemitoituksen pitää olla vähintään generaattorin vaihejännitteen suuruinen. Lisäksi on varmistettava, että muuntaja ei kyllästy maasulkutilanteissa esiintyvillä suurilla ylijännitteillä. [5]

40 32 Kuva 4.4. Jakelumuuntajan kautta maadoitettu generaattori [5]. Jakelumuuntajan kautta maadoitetussa menetelmässä voidaan käyttää myös säädettävää rinnakkaisinduktanssia, jolloin kuvan 4.4. muuntajan rinnalle kytketty resistanssi korvataan induktanssilla. Tässä maadoitusmenetelmässä induktanssin arvo mitoitetaan siten, että ensiöpuolelta tarkasteltuna se on arvoltaan kolmannes järjestelmän kapasitiivisestä kokonaisreaktanssista. Nollajohtimen virrat saadaan mitoituksen avulla samansuuruisiksi, mutta erisuuntaisiksi. Tällöin ne kumoavat toisensa, joten menetelmällä saadaan nollajohtimessa kulkeva virta pienennettyä hyvin alhaiselle tasolle. [5]

41 33 5 TAHTIGENERAATTORIN VIAT JA SUOJAUS- TOIMINNOT Suojareleiden suojaustoimintojen päätarkoituksena on pienentää generaattorin sisäisen tai ulkoisen vian aiheuttama vahinko mahdollisimman pieneksi. Generaattorin sisäisiä ja ulkoisia vikatilanteita varten on oltava suojausmenetelmä, joka toimii aina vian sattuessa varmasti ja riittävän nopeasti. Tämä asettaa kovat vaatimukset suojaustoimintojen suunnittelulle ja toteutukselle. Kun suoja reagoi asetteluarvojen ylittymiseen, se antaa joko hälytyksen voimalaitoksen ohjaamoon tai laukaisukäskyn katkaisijalle, joka erottaa suojattavat komponentit sähköverkosta. Yksittäistä vakiintunutta tapaa tai standardia ei generaattorin suojaukseen ole, vaan suojauksen toteutus, asetteluarvot sekä suojalaitteiden välinen koordinointi voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla ja tekniikoilla. [3] Tarvittavia suojaustoimintoja on lukuisia, koska generaattorien sisäisten vikojen varalta täytyy generaattori suojata myös lukuisilta sähköverkon ja laitteiden toimintahäiriöiltä. [21] Ensisijaiset suojalaitteet mittaavat yleensä virtaa, jännitettä, lämpötilaa tai painetta. Ensisijaiset suojalaitteet useimmiten irrottavat suojattavat laitteet verkosta mitattavan arvon ylittäessä sille asetetut asetteluarvot. Osa suojatoiminnoista on seuraussuojausta, jolloin tarkasteltavaa arvoa ei mitata reaaliaikaisesti vaan tietyin väliajoin tapahtuvilla tarkastuksilla. [3] Seuraavassa tarkastellaan yleisimpiä tahtigeneraattorin ensisijaisista suojaustoiminnoista, niiden vaihtoehtoisia toteutustapoja ja vikojen aiheuttamia mahdollisia vahinkoja. 5.1 Suojaustoiminnot Jotta generaattorille saavutetaan riittävä suojaustaso, tarvitaan useita eri suojaustoimintoja. Suojaustoimintojen määrä ja niiden toteutustapa riippuu useasta eri tekijästä. Muun muassa generaattorin koko ja tärkeys sekä monet muut tapauskohtaiset tekijät, kuten suunnittelijoiden kokemukset ja suojausfilosofiat vaikuttavat suojauksen toteuttamiseen. Seuraavassa on esitetty yleisiä numeerisista suojareleistä löytyviä toimintoja. Mitä suuremman generaattorin suojauksen toteutus on kyseessä, sitä enemmän on myös yleensä tarvittavia suojaustoimintoja. Taulukossa 5.1. on esitetty yhden suojalaitevalmistajan suosittelemat suojaustoiminnot ja niiden käyttö generaattorikoon vaihdellessa 5 50 MVA ja MVA välillä.

42 34 Taulukko 5.1. Generaattorien suojaustoimintojen suositukset teholuokittain. Täytetyllä pisteellä on merkitty vaaditut suojaustoiminnot sekä tyhjällä pisteellä suojaustoiminnot, jotka ovat vaihtoehtoisia [22]. Toiminto (ANSI-koodi) Staattorin 90% maasulkusuojaus (59N, 64, 67G) Staattorin 100% maasulkusuojaus (64G(100 %)) Symboli V0>, 3I0> V0 (3. harm.) Nimellisteho (MVA) Differentiaalisuojaus (87G, 87T) Δ I Vakioaikaylivirtasuojaus (51) I>> Impedanssisuojaus (21) Z< Roottorin maasulkusuojaus (64R) R< Vinokuormitussuojaus (46) I2> Alimagnetointisuojaus (40) 1/xd Epätahtisuojaus (78) ΔZ/Δt Staattorin ylikuormitussuojaus (49) I²t Roottorin ylikuormitussuojaus (49R) I²t Ylijännitesuojaus (59) V> Taajuussuojaus (81) f<, f> Takatehosuojaus (32) P Ylimagnetoimissuojaus (24) V/f Taulukossa 5.1. on esitetty suojarelevalmistajien yleisimmin käyttämät suojaustoiminnot ja niiden ilmoittamiseen käytetyt koodit ja symbolit. Suojaustoimintojen merkitsemiseen on käytetty laajasti tunnettuja ANSI-koodeja. Symboli vastaavasti ilmoittaa minkä suureen mittauksesta suojaustoiminnossa on kyse ja viittaa menetelmään, johon suojaustoiminto perustuu. Suojaustoiminnoista osa on toteutettavissa useammalla eri menetelmällä. Erilaisia menetelmiä on kehitetty, sillä jotkin menetelmät toimivat paremmin tietynlaisessa tilanteessa. Tämä johtuu siitä, että eri menetelmien toiminta pe-

43 35 rustuu eri suureiden mittaamiseen. Seuraavaksi käsitellyt yleiset suojausmenetelmät ovat kaikki toteutettavissa nykyaikaisella numeerisella suojareleellä. Koodin yhteydessä ilmoitettu kirjain viittaa suojattavaan kohteeseen. Esimerkiksi differentiaalisuojan kohdalla käytetty kirjain kertoo, onko kyseessä generaattorin vai muuntajan differentiaalisuoja. Kirjain voi viitata myös vian havaitsemisessa käytettyyn tekniikkaan, kuten staattorin maasulkusuojauksessa, jossa nollajännitteen mittaukseen perustuva tekniikka on merkitty N-kirjaimella. Käsiteltyjen suojaustoimintojen lisäksi suojareleet voivat sisältää myös muita tapauskohtaisia suojaustoimintoja, kuten kierrosoikosulku-, alijännite- ja taajuusmuutossuojaustoiminnon Staattorin maasulkusuojaus Generaattoria on suojattava staattorissa tapahtuvan maasulun varalta ja erotettava generaattori sähköverkosta, ennen kuin maasulusta johtuvat vikavirrat vahingoittavat staattoria. Se kuinka maasulku havaitaan ja tilanteen varalta suojaudutaan, riippuu generaattorin maadoitusmenetelmästä. Suuren impedanssin kautta maadoitetun generaattorin maasulkusuojauksessa tarkkuus on laukaisunopeutta tärkeämpää, koska vikavirrat pysyvät pieninä. Pienen impedanssin läpi maadoitetun generaattorin suojauksessa vastaavasti pyritään mahdollisimman nopeaan laukaisuun vikatilanteessa. Jos generaattori on maadoitettu jakelumuuntajan avulla, voidaan maasulkutilanne havaita nollajohtimesta. Maasulkusuojarele kytketään rinnan maadoituksessa käytetyn muuntajan toisiopuolelle sijoitetun resistanssin tai reaktanssin kanssa, jolloin se havaitsee staattorikäämin maasulusta aiheutuvan nollajohtimen jännitteen nousun. Suojarele havaitsee sitä suuremman jännitteen, mitä lähempänä generaattorin liittimiä maasulku tapahtuu. Suojausmenetelmällä saadaan suojattua n. 95 % kaikista staattorissa tapahtuvista maasuluista, mutta viiden prosentin osuus lähellä nollajohdinta jää suojaamatta. Tämän vuoksi on kehitetty erillinen 100 % staattorin maasulkusuojaustoiminto, joka havaitsee maasulut staattorissa myös nollajohtimen läheisyydessä. Lähellä nollajohdinta tapahtuvat maasulut voidaan havaita esimerkiksi menetelmällä, joka perustuu generaattorien aiheuttamiin harmonisiin yliaaltojännitteisiin. Ne eivät kumoa toisiaan nollajohtimessa, koska ne ovat samanvaiheisia keskenään. Menetelmässä tarkkaillaan helpommin havaittavaa 3. kertaluvun yliaaltojännitettä, sillä se on kolmella jaollisista yliaaltojännitteistä suurin. 3. kertaluvun yliaaltojännitteen suuruus vaihtelee nollajohtimessa sekä generaattorin liittimissä sen mukaisesti kummassa päässä staattorikäämityksiä vika tapahtuu. Staattorikäämityksestä löytyy kuitenkin myös kohta, jossa kolmas harmoninen yliaalto on nolla, joten suoja ei havaitse kaikkia staattorissa ilmeneviä maasulkuja. Näiden havaitsemiseksi käytetäänkin 95 % staattorisuojausta. Yliaallot riippuvat paljon generaattoreista ja kuormituksista, mikä vaikeuttaa suojauksen toteutusta. Tämän vuoksi on kehitetty toinen menetelmä nollajohtimen läheisyydessä tapahtuvien vikojen havaitsemiseen. Tässä menetelmässä nollajohtimeen syötetään matalataajuista virtaa. Suoja reagoi syötetyn virran muutokseen staattorin maasulkutilanteessa. Tätä kutsutaan injektiomenetelmäksi. [5]

44 Differentiaalisuojaus Staattorikäämityksissä tapahtuvat oikosulut aiheuttavat todella suuria ja vahingoittavia oikosulkuvirtoja. Koneen sisäisistä oikosuluista johtuvat suuret virrat voivat aiheuttaa esimerkiksi käämityksien ja eristemateriaalien vahingoittumisen. Generaattorin differentiaalisuojauksen eli erovirtasuojauksen tehtävänä on suojella generaattoria tällaisten tilanteiden varalta. Differentiaalisuojareleen toiminta perustuu siihen, että häiriöttömässä tilanteessa suojattavaan kohteeseen menevä virta vastaa arvoltaan laitteesta ulos tulevaa virtaa. Virtamuuntajat kytketään suojattavan kohteen, eli generaattorin tai päämuuntajan molemmin puolin kuvan 5.1. esitetyn yksivaiheisen differentiaalisuojan mukaisesti. Ideaalisilla virtamuuntajilla normaalissa käyttötilanteessa virrat I 1t ja I 2t ovat samansuuruisia ja suuntaisia keskenään. Tämän vuoksi mitattava virta I 0 on nolla. Jos vika tapahtuu suojattavan alueen sisäpuolella, vikapaikkaan syötetty vikavirta jälkimmäisen virtamuuntajan läpi on erisuuntainen normaaliin tilanteen virtaan nähden. Näin virrat ovat erisuuntaisia myös mittauspiirissä ja summautuvat virraksi I 0, minkä perusteella suoja havaitsee sisäisen vian. Asetteluista riippuen suoja antaa laukaisukäskyn virran I 0 arvon suuruuden perusteella. Differentiaalisuojaus tulee toteuttaa ja asetella niin tarkasti, että suoja ei havahdu suojausalueen ulkopuolella tapahtuviin vikoihin. Tämä menetelmä ei kuitenkaan havaitse käämien välisiä oikosulkuja, vaikka vaiheiden välillä esiintyisikin virtaeroja, sillä virtamuuntajien mittaamat arvot ovat samat. [5] Kuva 5.1. Generaattorin differentiaalisuojan periaatteellinen toiminta. Virtojen suuntia normaalissa käyttötilanteessa on kuvattu mustilla nuolilla, jotka kulkevat generaattorin läpi verkkoon ja mittauspiirissä vastakkaiseen suuntaan. Punaiset nuolet esittävät vikavirtojen suuntia vian tapahtuessa suojattavalla alueella [5]. Erot muuntajien välillä voivat aiheuttaa virtojen välisiä eroja, mitkä laukaisevat releen. Jotta erovirtarele toimisi oikein ja vältyttäisiin virhelaukaisuilta, tulisi virtamuuntajien kyllästymisen, käyttäytymisen ja muuntosuhteiden olla mahdollisimman samanlaisia. Tällaisen tilanteen välttämiseksi virtamuuntajien tulisi olla samasta valmistuserästä ja yhdessä testattuja. [17]

45 Vakioaikaylivirtasuojaus Ylivirtareleellä toteutetaan generaattorin varasuojaus. Vakioaikaylivirtareleen tehtävänä on toimia tilanteissa, joissa generaattorin tai päämuuntajan pääsuojana käytetty erovirtasuoja on vikaantunut tai ei jostain syystä reagoi vikaan. Verkossa voi myös tapahtua oikosulkuja, jotka eivät vielä ylitä erovirtasuojan asetteluarvoja, jolloin ylivirtarele laukeaa estäen generaattorin vahingoittumisen. Suojan on havaittava pienin mahdollinen vikavirta, mikä voi vahingoittaa suojattavia kohteita. Jos käytössä on manuaalinen jännitteen säätö, on vikavirta pienimmillään, sillä automaattinen jännitteensäätäjä nostaisi magnetointivirtaa ja täten vikavirtaa oikosulun aikana. Tavalliset ylivirtareleet eivät välttämättä havaitse pienimpiä virtoja, minkä vuoksi usein käytetään virran ja jännitteen mittaukseen perustuvaa suojausta. Suojan toiminnan perustana on kolmivaiheisen oikosulun aiheuttama generaattorin impedanssin arvo ja näin generaattorin liitinjännitteiden nopea laskeminen. [5] Impedanssisuojaus Impedanssisuojaa käytetään estämään generaattoria syöttämästä vikavirtaa vikapaikkaan verkossa tapahtuneen pitkittyneen oikosulun aikana. Suoja irrottaa generaattorin verkosta, jos sähköverkon releet eivät reagoi vikaan ja generaattori tai muuntaja ovat vaarassa vahingoittua. Suoja laskee impedanssin mittaamalla generaattorin nollajohtimen virran generaattorin liittimistä mitatun jännitteen avulla. Se toimii näin generaattorin ja päämuuntajan suojana. Suojattavissa kohteissa tapahtuville oikosuluille on määritettävä pienin mahdollinen aikaviive. Näin se toimii myös differentiaalisuojan nopeana varasuojana. Verkossa tapahtuvien vikojen laukaisuviiveiden asettelussa on huomioitava verkon muiden samalla toiminta-alueella toimivien releiden asetteluarvot. Suojareleelle voidaan asettaa toimintaviive joka ottaa huomioon verkossa tapahtuvat stabiilit heilahtelut, jotta suoja ei irrota generaattoria turhaan näiden seurauksena. [9] Roottorin maasulkusuojaus Koska roottori on suunniteltu toimimaan maadoittamattomana, ei teoriassa yksittäisestä maasulusta ole haittaa eikä se vaikuta generaattorin tavalliseen toimintaan. Ongelmia alkaa kuitenkin ilmetä, jos roottorissa on samanaikaisesti kaksi erillistä maasulkua. Kun generaattori toimii tilanteessa, jossa roottorissa on maasulku, on toisen maasulun syntyminen todennäköisempää ensimmäisen maasulun indusoimien jännitteiden vuoksi. Tämän vuoksi suojauksen on toimittava jo ensimmäisen maasulun tapahtuessa. Kaksi maasulkua aiheuttaa lukuisia ongelmia. Epätasainen ilmavälivuo, roottorin epätasainen lämpeneminen, roottorin lisääntynyt tärinä ja epätasainen ulostulojännite ovat seurausta kahdesta maasulusta roottorissa. Pahimmillaan suuren vikavirran aiheuttamat vahingot johtavat roottorin uusimiseen kokonaan. Toimintaa ei näin ollen voi jatkaa edes yhden maasulun aikana, joten generaattori on kytkettävä irti verkosta mahdollisimman nopeasti. [3]

46 38 Harjallisessa tahtigeneraattorissa maasulun tunnistamiseen käytetyssä menetelmässä pieni vuotovirta kulkee magnetointikäämin ja maan välillä. Releen toiminta perustuu tässä menetelmässä virran suuruuden muuttumiseen vikatilanteessa. [6] Harjattomalla magnetoinnilla ei vastaavaa tarvita, koska se mittaa vain herätinkoneen piiriä eikä pääkoneen roottoria Vinokuormitussuojaus Tahtigeneraattorin epätasaista kuormittamista tulee välttää useiden vinokuormituksesta johtuvien haittojen vuoksi. Epätasainen kuormitus johtuu kolmivaihevirtojen keskinäisestä epäsymmetriasta, mikä voi johtua lukuisista generaattorin toiminnasta riippumattomista syistä. Järjestelmän avoimet katkaisijat ja epätasaiset kuormat ovat yleisiä epäsymmetrisen kuorman aiheuttajia. [3] Vika voi johtua myös generaattorin omasta toiminnasta, kuten suojalaitteen viasta. Suurimpana ongelmana on epäsymmetrisen kuorman aiheuttama lisääntynyt lämpö. Epäsymmetriset virrat aiheuttavat vastakiertokentän, joka indusoi roottorin rakenteisiin virran. Tämä vastakiertokentän indusoima virta on verkon taajuuteen nähden kaksinkertainen ja nostaa nopeasti lämpötilaa roottorissa lisääntyneiden virtahäviöiden vuoksi. Epäsymmetriset viat tuottavatkin symmetrisiä vikoja enemmän lämpöä ja näin johtavat nopeasti roottorirakenteiden vahingoittumiseen. [6] Kun järjestelmä on täydellisessä tasapainossa, ovat vaihevirtojen ja -jännitteiden vaiheerot 120, eikä vastakomponenttia I 2 esiinny. Jos jännitteiden ja virtojen arvot poikkeavat toisistaan vaiheiden välillä, syntyy järjestelmään myös vastakomponentti, jonka mittaukseen perustuu vinokuormasuojareleen toiminta. [5] Sallittu aika on laskettavissa kaavalla (6). [22] T S = 2 2, (6) jossa T S on sallittu aika I 2 on vastakomponentin arvo ja K on generaattorin epäsymmetria vakio Alimagnetointisuojaus Alimagnetointisuojan tehtävänä on toimia ja suojata generaattoria tilanteissa, joissa magnetointikäämeihin ei jostain syystä saada johdettua riittävää magnetointivirtaa. Tämä voi johtua esimerkiksi viasta magnetointilaitteistossa tai jostain muusta toimintahäiriöstä, joka estää riittävän magneettikentän muodostamisen generaattorin ilmaväliin. Generaattorin sisäisen jännitteen laskeminen heikentää roottorin ja staattorin välistä

47 39 magneettista yhteyttä, millä on vahingolliset vaikutukset generaattorille ja sähköverkolle. Liian suuren heikkenemän seurauksena yhteys ei ole enää riittävä voimakoneen antaman tehon siirtämiseksi sähköverkkoon. Tilanteessa, jossa generaattori ei saa tarvitsemaansa magnetointivirtaa magnetointilaitteistolta, se ottaa magnetointitehonsa sähköverkosta ja toimii nopeammalla kierrosnopeudella induktiogeneraattorin tavoin. Sähköverkosta otettu teho magnetointia varten nostaa generaattorin kuormitusta ja voi ylittää sen toimintarajat. Verkosta otetulla teholla voi olla myös verkon jännitetasoa laskeva vaikutus. Magnetoinnin menettäminen on kriittisintä täydellä kuormituksella, jolloin staattorikäämitykset kokevat huomattavasti normaalia käyttötilannetta suurempia kuormituksia. [9] Impedanssin arvon vaihtelut noudattavat tiettyä kaavaa tilanteissa, joissa riittävää magnetointikenttää ei kyetä luomaan. Tähän ominaisuuteen perustuu generaattorin alimagnetointisuojaus. Alimagnetointisuojarele mittaa generaattorin liittimistä impedanssin vaihteluita ja antaa asetteluarvojen ylittyessä generaattorikatkaisijalle laukaisukäskyn. Suojareleen asetteluarvot täytyy asetella magnetointijärjestelmään sisällytetyn alimagnetointirajoittimen asettelut huomioiden. [9] Epätahtisuojaus Tahtigeneraattori voi joutua epätahtitilaan muun muassa sähköverkon liian matalan jännitteen, generaattorin magnetointilaitteiston tuottaman liian pienen sisäisen jännitteen tai verkossa tapahtuvien ilmiöiden vuoksi. Kun generaattori menettää tahtikäytön, kokee se ja voimakone korkeiden virtapiikkien ja taajuuden heilahteluiden vuoksi useita haitallisia ilmiöitä. Generaattorien fyysisen koon pienentyminen on pienentänyt koneiden inertiaa, jolloin generaattori on yhä nopeammin irrotettava verkosta tahtikäytön menettämisen jälkeen. Käämien kokemat rasitukset ja mekaaniset resonanssit aiheuttavat merkittävää vahinkoa ellei generaattoria kytketä irti verkosta välittömästi, kun havaitaan mahdollisuus tahtikäytön menettämisestä. Muut generaattoria suojaamaan tarkoitetut suojareleet eivät suojaa tahtikäytön menetykseltä. [9] Generaattorin liittimien impedansseista voidaan tarkkailla generaattorin joutumista epätahtitilaan. Impedanssien vaihtelut noudattavat tiettyä kaavaa epästabiileissa tilanteissa, jolloin vaarana on tahtikäytön menettäminen. Erillistä epätahtisuojausta käytetään varsinkin suurissa tahtigeneraattoreissa, koska alimagnetointisuoja ei havaitse kaikkia epätahtitilanteeseen johtavia tilanteita, koska impedanssien vaihtelut ovat erilaisia erilaisissa epätahtitilanteissa. Tämän vuoksi käytetään erillistä epätahtisuojaa tahtikäytön menettämisen seuraamiseen. Mitä nopeammin tilanne havaitaan ja generaattori irrotetaan verkosta, sitä pienemmäksi jäävät generaattorin ja voimakoneen akseliin kohdistuvat mekaaniset värähtelyt. [3]

48 Virta [%] Staattorin ylikuormitussuojaus Tahtigeneraattorien ilmoitettu teho on määritetty tietyillä jännitteen arvoilla ja tietyllä taajuudella sekä tehokertoimella. Tällä teholla generaattori on suunniteltu toimimaan jännitteen vaihdellessa muutaman prosentin yli tai alle nimellisjännitteen. Erilaisissa käyttötilanteissa ja vikojen takia voivat virrat nousta käämityksissä niin korkeiksi, että se aiheuttaa vaurioita generaattorille. Myös jäähdytysmenetelmän vaurioituminen tai vika käämityksissä voi johtaa haitallisen suureen lämpötilan nousuun. Generaattorien tulee kuitenkin kestää hetkellisesti nousseita virtoja. Kuvassa 5.2. on esitetty hetkellinen staattorivirta prosentteina suhteessa suurimpaan sallittuun normaalin käyttötilanteen virtaan ajan funktiona. [9] Aika [s] Kuva 5.2. Staattorin sallittu hetkellinen virta ajan funktiona normaalissa kuormitustilanteessa suhteessa nimellisvirtaan [9]. Kuvassa 5.2. esitetyn käyrän pohjalta asetellaan staattorin ylikuormitussuojalle virtaarvot ja näitä virran suuruuksia vastaavat sallitut toiminta-ajat. Generaattorit varustetaankin lämpötilan tarkkailua varten usein erillisillä lämpösensoreilla. Yleisesti käytetään muun muassa resistanssiin perustuvaa mittausta, jolloin lämpötila on laskettavissa lämmön aiheuttaman resistanssin arvon muutoksen perusteella. Lämpösensoreilta saatujen tietojen mukaan suojat hälyttävät tai erottavat generaattorin sähköverkosta ja näin suojaavat generaattoria vahingollisilta lämmön noususta johtuvilta ylikuormittumisilta. [9] Ylijännitesuojaus Ylijännitesuojan tarkoituksena on suojata generaattoria ja sen kojeistoja haitallisen suurilta jännitteen nousuilta. Generaattorit suunnitellaan yleensä niin, että ne voivat toimia nimellistaajuudella jännitteen ollessa 105 % nimellisjännitteestä. Jännite voi ylittää tämän arvon esimerkiksi tilanteissa, joissa suuri kuorma putoaa äkkiseltään verkosta tai

49 41 automaattinen jännitteensäätäjä vikaantuu. Ylijännitteet voivat aiheuttaa vaurioita eristyksille sekä haitallisen suuren magneettivuon tiheyden, kun jännitteen ja taajuuden välinen suhde kasvaa. [19] Päämuuntajan ylijännitekestoisuudet ovat yleensä muutaman prosentin generaattoria suuremmat. Taulukossa 5.2. on esitetty tyypilliset generaattorin ja päämuuntajan ylijännitekestoisuudet kuormittamattomassa tilanteessa. [23] Taulukko 5.2. Esimerkkitaulukko generaattorin ja päämuuntajan ylijännitekestoisuuksista [23]. Generaattori Päämuuntaja Aika 105 % 110 % Jatkuva 110 % 115 % 30 Min. 115 % 120 % 5 Min. 125 % 130 % 2 Min. Kaasu- ja höyryturbiinikäyttöisissä generaattoreissa jännitteen nousuun pyritään vastaamaan nopeasti jännitteen heilahteluihin reagoivalla nopeuden- ja jännitteensäätäjällä. Suojaus voidaan toteuttaa esimerkiksi asettamalla kaksi erillistä laukaisuporrasta, jolloin pienemmille ylijänniterajan ylityksille asetellaan pidempi laukaisuaika. [9] Taajuussuojaus Verkossa tapahtuvien muutoksien vuoksi, verkon taajuus vaihtelee nimellisestä 50 Hz:stä. Kun tehon tuotanto ylittää sen hetkisen kulutuksen, alkaa verkon taajuus nousta. Vastaavasti verkon taajuuden lasku nimellisen alapuolelle voi johtua esimerkiksi suuren tuotantoyksikön irtoamisesta verkosta. Alitaajuustilanteessa energiaa tuotetaan kuormille liian vähän, mikä voi johtaa verkkoon kytkettyjen generaattorien tehorajojen ylittymiseen. Ylitaajuus on vähemmän haitallinen generaattorille alitaajuuteen nähden. Koska ylitaajuus johtuu liian suuresta tehon tuotosta verkkoon, on se helposti säädettävissä ja ja näin taajuus saadaan laskettua takaisin halutulle tasolle. Alitaajuutta ei voida korjata samalla tavoin, koska nimellistaajuutta alempi taajuus verkossa johtuu liian suuresta kuormasta suhteessa tehon tuotantoon. Liian suuri kuormitus voi johtaa verkkoon kytkettyjen generaattorien toimintarajojen ylittymiseen. [5] Turbiinit ovat generaattoreita suuremmassa vaarassa vahingoille taajuuden poiketessa nimellisarvostaan. Höyryturbiinit ovat kaasuturbiineita herkempiä yli- ja alitaajuustilanteissa mekaanisen resonanssin aiheuttamille vaurioille. Mekaaninen resonanssi altistaa lavat voimille, jotka kuluttavat niitä ja saattavat aiheuttaa lapojen rikkoutumisen. Kuvassa 5.3. on esitetty esimerkki toiminta-alueista, jotka esittävät sallittuja taajuuksia nimellistaajuuden f n ylä- ja alapuolella ajan funktiona. Turbiinivalmistajat määrittävät sallittavat vaihtelut ja aikarajoitukset. Mitä enemmän generaattorin taajuus poikkeaa nimellistaajuudesta, sitä nopeammin generaattori on erotettava verkosta. Taajuuden

50 42 vaihteluiden vuoksi pienet erot ovat aikarajoitettuja ja generaattori tiputetaan verkosta vain poikkeamaa vastaavan aikarajan ylityksen jälkeen. [5] Kuva 5.3. Sallitut toimintataajuudet ajan funktiona [5]. Generaattorin toiminta nimellistaajuuden alapuolella olevalla taajuudella on usein ylitaajuutta haitallisempaa. Tämän vuoksi ovat sallitut toiminta-ajat alitaajuudella ylitaajuusaluetta lyhyempiä. Taajuussuoja suojaa generaattoria ja voimakonetta erottamalla generaattorin verkosta verkon taajuuden vaihdellessa yli sallittujen rajojen. Mikroprosessoripohjaisella tekniikalla voi suojarele taltioida aikaisemmat toiminta-ajat, jolloin on toimittu nimellisestä poikkeavalla taajuudella. Ali- ja ylitaajuuksilla toimitut ajat lasketaan yhteen ja näin sallitut toiminta-ajat ennen generaattorin irrottamisesta sähköverkosta vaihtelevat turbiinien lapojen kunnon mukaan. [5] Taajuussuojaukseen voidaan myös sisällyttää toiminto, joka reagoi taajuuden muutosnopeuden ylittäessä sille asetellut asetteluarvot. [22] Takatehosuojaus Takatehosuojan tarkoituksena on estää tilanteet, joissa generaattori alkaa toimia moottorina ja näin pyörittää turbiinia sähköverkon tahdissa. Tällainen tilanne voi tapahtua, jos jostain syystä voimakoneen roottorin pyörittämiseen tarvittava teho menetetään ja generaattori pysyy kytkettynä sähköverkkoon. Tahtigeneraattori voisi toimia pitkään moottorina vahingoittumatta ja ottaa tarvittavan magnetointivirran sähköverkosta. Verkkokaan ei kokisi vakavia häiriöitä menetettyä tuotantoa lukuun ottamatta. Takatehosuojan pääasiallisena tarkoituksena onkin suojata voimakonetta, joka altistuu useille vahingollisille ilmiöille generaattorin pyörittäessä sitä. Voimakoneen tyyppi vaikuttaa siihen, kuinka vahingollinen ilmiö on turbiinille. Esimerkiksi höyryturbiinin tapauksessa generaattorin toimiminen moottorina on erittäin vahingollista. Höyryturbiinin toimiessa normaalisti voimakoneena, höyryvirtaus poistaa lämmön turbiinista, mutta generaattorin toimiessa moottorina tämä virtaus on huomattavasti heikompi. Jos virtaus ei ole riittävä lämmön poistamiseksi, alkaa korkea lämpötila sulattaa turbiinin lapoja.

51 43 Takatehorele havaitsee takatehotilanteen ja avaa generaattorikatkaisijan, jos tehon suunta on muuttunut sähköverkosta generaattorille. [9] Ylimagnetointisuojaus Ylimagnetointisuojan tehtävänä on suojata generaattoria ja muuntajaa ylimagnetoitumasta ja samalla toimia ylimagnetointirajoittimen varasuojana magnetointijärjestelmän vikaantuessa. Ylimagnetointia mitataan jännitteen ja taajuuden suhteella. Täydellä kuormalla toimiessa generaattorin ylimagnetoitumisrajana pidetään 105 %. Tämän arvon ylittyessä alkaa magneettisissa rakenteissa esiintyä kyllästymistä magneettivuon tiheyden nousemisen vuoksi ja syntyvä lisälämpö voi aiheuttaa eristeiden vahingoittumista. Jännitteen ja taajuuden välisen suhteen nouseminen voi myös kasvattaa pyörrevirtoja runkorakenteissa ja kasvattaa suuria jännitteitä näiden välille. Ylimagnetointitilanne voi tapahtua esimerkiksi generaattorin käynnistyksessä taajuuden laskiessa. Muita jännitteen ja taajuuden suhdetta suurentavia tilanteita ovat muun muassa viat magnetointijärjestelmässä ja suuren kuorman tippuminen verkosta. [15] Ylimagnetointikäyrät piirretään generaattorin ja päämuuntajan jännitteen ja taajuuden välisen suhteen sietokyvyn perusteella kuvan 5.4. mukaisesti. [5] Kuva 5.4. Ylimagnetointisuojareleen ja ylimagnetointirajoittimen asettelut [5]. Kuvassa 5.4. on päämuuntajan (1) ja generaattorin (2) sallitut rajat tietyillä jännitteen ja taajuuden arvojen suhteilla. Ylimagnetointisuoja (3) ja jännitteensäätäjän rajoitin (4) asetellaan niin, että ne toimivat ennen kuin saavutetaan generaattorin ja päämuuntajan sallitut rajat. Magnetointijärjestelmään sisällytetty ylimagnetoitumisen rajoitustoiminto asetellaan toimimaan pienemmillä arvoilla, kuin ylimagnetointisuojarele. Rajoitin pyrkii korjaamaan tilanteen aikaviiveen aikana, mikä on aseteltu ennen suojareleen toimintaa.

52 44 Jos automaattinen jännitteensäätäjä vikaantuu, eikä rajoitin toimi, laukaisee ylimagnetointisuoja generaattorin verkosta. [5] 5.2 Muuntajien suojaus Generaattorin päämuuntaja ja omakäyttömuuntaja täytyy suojata vahingollisilta sisäisiltä oiko- ja maasuluilta. Päämuuntaja suojataan yleensä differentiaalireleellä, joka toimii samalla periaatteella, kuin generaattorin differentiaalisuojaus. Tämän lisäksi muuntajat sisältävät sisäisiä paineen tai kaasun mittaamiseen perustuvia muuntajan sisäisiä vikoja tarkkailevia suojausmenetelmiä, joita ei ole sisällytetty suojareleeseen. Nämä suojausmenetelmät huomaavat tietyt muuntajassa tapahtuvat viat differentiaalisuojaa nopeammin. Esimerkiksi differentiaalisuojauksen toiminnan kannalta tärkeät virtamuuntajat voivat saturoitua suurivikavirtaisien vikojen aikana, jolloin suojareleen ulkopuoliset muuntajasuojat suojaavat muuntajaa varmemmin. [9] Päämuuntajaa suojaava differentiaalisuojaus voidaan toteuttaa niin, että virtamuuntajien väliin jää generaattori ja päämuuntaja. Generaattorin ja päämuuntajan välillä ei ole erillistä katkaisijaa. Tämän vuoksi generaattori ja päämuuntaja on irrotettava sähköverkosta, mikäli kummassa tahansa ilmenee sisäinen vika. Tällainen päämuuntajan differentiaalirele toimii myös generaattorin vikojen aikana ja tarjoaa näin varasuojan generaattorin differentiaalisuojaukselle. Suurissa generaattoreissa käytetään lisäksi vain päämuuntajaa suojaavia differentiaalireleitä. Myös omakäyttömuuntajan suojaus voidaan sisällyttää päämuuntajan differentiaalisuojan suojattavaan alueeseen. Varmempi suojaus omakäyttömuuntajalle kuitenkin saavutetaan käyttämällä erillistä differentiaalisuojarelettä myös omakäyttömuuntajalle. [21] Merkittävä edellytys suojareleiden toiminnan ja generaattorin säädön kannalta on jännitemuuntajien toimintakunto. Jännitemuuntajan vikaantumisen syynä voi olla esimerkiksi jännitemuuntajaa suojaavan sulakkeen laukeaminen tai kaapeleissa ilmenevä vika. Mikä tahansa onkin syy jännitemuuntajan toimimattomuudessa, varaudutaan siihen yleensä menetelmällä, joka ilmoittaa vian jännitemuuntajassa. Jännitemuuntajan toimintakuntoa voidaan esimerkiksi valvoa suojareleellä, mikä vertailee jännitemuuntajien mittaustietoja. Näin sulakkeen laukeaminen aiheuttaa eron mitatuissa jännitteissä ja suojarele antaa hälytyskäskyn viallisesta jännitemuuntajasta. Ominaisuus on tärkeä myös siksi, että saadaan annettua estokäsky suojaustoiminnoille, jotta ne eivät avaa generaattorikatkaisijaa vääränlaisen mittaustiedon vuoksi. [9] 5.3 Vikojen laukaisu Generaattoria, muuntajia ja niihin liittyvää laitteistoa suojataan vikatilanteissa katkaisijoilla, jotka erottavat vikaantuneet osat muusta järjestelmästä. Suojareleet havaitsevat vikavirran tai jonkin muun epätavallisesta käyttötilanteesta indikoivan suureen ja anta-

53 45 vat laukaisukäskyn niille katkaisijoille, jotka erottavat vikaantuneet tai vikatilanteessa vahinkoa kokevat osat. Generaattorilla ja siihen liittyvillä laitteistoilla on useita katkaisijoita, joilla laitteet erotetaan vian sattuessa. Voimalaitoksesta ja järjestelmästä riippuu, minkä katkaisijan tulee avautua kunkin vian sattuessa. Usein useampi kuin yksi katkaisija avataan vian sattuessa. Minkälainen vika aiheuttaa minkäkin katkaisijan avautumisen voidaan esittää laukaisumatriisin avulla, jossa vaaka-akselille on merkitty laite tai katkaisija ja pystyakselille suojaustoiminto, joka antaa laitteelle avautumiskäskyn. [22] Useat tekijät vaikuttavat siihen, mitkä katkaisijat avataan. Tähän vaikuttavat muun muassa voimalaitoksen laitteistot ja se kuinka nopeasti generaattori täytyy saada kytkettyä takaisin sähköverkkoon. Katkaisijoiden avaamisen lisäksi myös avaamisjärjestyksellä on merkitystä. Katkaisijat avataan joissain tilanteissa kaikki yhtä aikaa, mutta joissakin tapauksissa se voi johtaa pyörivien osien liialliseen nopeuden kasvuun. Generaattori saadaan nopeasti takaisin verkkoon, jos vian seurauksena voimakone voidaan pitää toiminnassa ja generaattori saadaan erotettua vian ajaksi sähköverkosta. [3] Kun laaditaan katkaisijoille laukaisusuunnitelmaa, tulee ottaa huomioon myös henkilöiden turvallisuus, vaikutukset sähköverkkoon ison tuotannon tippumisen myötä, voimakoneen tyyppi ja vahinkojen suuruus epänormaalissa käyttötilanteessa. Mitä suuremmista generaattoreista on kysymys, ja täten myös monimutkaisemmista höyryn tai muun voimakonetta pyörittävän aineen kiertokulusta, sitä tärkeämpää on katkaisijoiden avaaminen tietyssä järjestyksessä. Kun voimakone irrotetaan ennen generaattoria toiminnasta, saadaan voimakoneen antama pyörimisenergia laskemaan riittävän pieneksi ennen generaattorikatkaisijan avaamista. Näin generaattorikatkaisijan avaaminen ei johda pyörivän akselin suureen nopeuden nousuun, mikä johtaa merkittäviin vahinkoihin. Vahingot voivat olla jopa merkittävämmät kuin tilanteessa jolloin generaattori toimii moottorina. [9] Kuvassa 5.5. on esitetty esimerkki laukaisumatriisista. Kuva 5.5. Laukaisumatriisi [22].

54 46 Suojareleen reagoidessa johonkin edellä mainituista vioista se antaa hälytyksen tai laukaisukäskyn yhdelle tai useammalle katkaisijalle kuvan 5.3. esimerkkilaukaisumatriisin mukaisesti. Vian laukaisemia katkaisijoita voivat olla esimerkiksi generaattorikatkaisija, turbiinin sulkuventtiili, verkkokatkaisija, omakäyttökatkaisija ja magnetointikatkaisija, mikä estää magnetointivirran johtamisen generaattorin roottoriin. Mitä suuremman generaattorin laukaisumatriisia tarkastellaan, sitä useampi katkaisija asetellaan yleensä toimimaan vian sattuessa. [22] Osa toiminnoista aiheuttaa hälytyksen välittömän laukaisukäskyn sijaan. Hälytystä laukaisun sijaan käytetään vioissa, jotka voidaan korjata generaattorin ollessa toiminnassa. Kuitenkin valtaosa vioista ja niiden seurauksista on niin kriittisiä, että ne erottavat generaattorin välittömästi verkosta. [6] Myös hälytykset voidaan sisällyttää laukaisumatriisiin. Nykyaikaisen suojareleen laukaisuasettelut, kuten katkaisijoiden avaaminen ja hälytyksistä päättäminen on helposti asetettavissa ja muokattavissa. Nämä asetukset ovat toteuttavissa niin, että katkaisija saa tiedon avautumiskäskystä useampaa reittiä pitkin. Useat tekijät vaikuttavat siihen, mitkä katkaisijat avataan vian sattuessa. Tämä toteutetaan voimalaitoskohtaisesti ja siihen vaikuttavat niin käyttäjän aikaisemmat kokemukset ja suojausnäkemykset sekä turbiini- ja generaattorivalmistajien suositukset. Vian tyypillä on vaikutuksensa siihen, mitkä katkaisijat tulee vikatilanteessa avata. Vakavissa vioissa useat katkaisijat avataan välittömästi generaattorivahinkojen ja verkon kokemien häiriöiden minimoimiseksi. Esimerkiksi viat generaattorissa tai päämuuntajassa aiheuttavat yleensä generaattori-, magnetointi- ja voimakoneen katkaisijoiden aukeamisen. Toiset viat voivat vaatia vain yhden katkaisijan aukeamisen tai ne voivat antaa hälytyksen ennen laukaisua. [9] Generaattorikatkaisijalla on keskeinen asema generaattorin suojauksessa, sillä se erottaa generaattorin verkosta suojareleen havahduttua. Valtaosa ilmenevistä vioista vaatii generaattorikatkaisijan avaamista. Jos generaattorikatkaisija ei toimi, ei generaattorilla ole suojaustakaan. Tämän vuoksi Generaattorikatkaisijan vikaantumista varten on oltava menetelmä, joka valvoo katkaisijan toimintaa. Generaattorikatkaisijan vikaantumista voidaan esimerkiksi valvoa ajastimella, joka seuraa katkaisijan avautumista vaaditussa ajassa. Jos generaattorikatkaisija ei ole avautunut riittävän nopeasti, annetaan laukaisukäskyt muille katkaisijoille, joiden avaaminen johtaa generaattorin irrottamiseen sähköverkosta. [9] Generaattorin suojareleisiin on sisällytettävissä generaattorikatkaisijan toimintaa valvova suojaustoiminto.

55 47 6 TEKNISTALOUDELLISET NÄKÖKULMAT Tahtigeneraattorin suojauksen ja magnetoinnin toteutusvalinnat ovat tarkkaa arviointia vaativia päätöksiä. Valinnoilla on kauaskantoiset vaikutukset, sillä generaattorin suojaus- ja magnetointiratkaisut vaikuttavat merkittävästi siihen, kuinka generaattori tulee toimimaan tulevina vuosina. Menetelmien valintaan vaikuttaa suuresti se onko kyseessä uusi generaattori vai jo pitkään toiminnassa olleen generaattorin suojaus- tai magnetointilaitteiston uusinta. Uusintatoimituksissa voimalaitoksen aikaisemmat ratkaisut ja toiminta vaikuttavat merkittävästi valittuihin ratkaisuihin. On arvioitava, kuinka vanhaa laitteistoa on käytettävissä, mitä rajoituksia voimalaitos ja ympäristö asettavat sekä kuinka pitkä elinaika ratkaisulle on odotettavissa. Myös generaattorin koolla ja erityisesti sen tärkeydellä sähkövoimajärjestelmälle on suuri merkitys. On löydettävä toimintavarmuuden taso, jolla laitteistoihin investoitu hinta on taloudellisesti järkevä. Toteutus on aina voimalaitoskohtaista ja siihen vaikuttavat usein myös ihmisten kokemukset ja mielipiteet. Joiltakin voi löytyä halua jatkaa vanhemman sukupolven laitteistolla, jos laitteisto on toiminut luotettavasti. Uusilla laitteistoilla saavutetaan kuitenkin lukuisia etuja uusimman teknologian vuoksi. Tällöin laitteiston uusiminen on usein järkevää, vaikka vanha laitteistokin olisi vielä käyttökelpoinen. 6.1 Tahtigeneraattorin magnetointilaitteiston valinta Työssä tarkasteltavan tahtigeneraattorikokoluokan tämänhetkiset uudet magnetointijärjestelmät rajoittuvat karkeasti staattiseen ja harjattomaan magnetointilaitteistoon, joilla kummallakin menetelmällä on omat etunsa ja rajoituksensa toisiinsa nähden. Magnetointijärjestelmän valinnassa vaikuttavat muun muassa siltä vaadittava magnetointivirran tuottokyky sekä riittävän nopea reagointikyky muutoksiin. Koska generaattori ei voi toimia sähköverkossa ilman riittävää magnetointia, vaaditaan järjestelmältä varmaa luotettavuutta. Myös hankinta- ja käyttökustannukset ovat merkittäviä tekijöitä tarvittavan huollon ja laitteiston eliniän arvion ohella. Tässä luvussa käsitellään tekijöitä, joiden avulla järjestelmiä voidaan vertailla keskenään. Kun tehdään päätöstä generaattorin magnetointijärjestelmästä, on otettava huomioon useita eri tekijöitä. Magnetointijärjestelmän suunnittelun lähtökohtana on luonnollisesti generaattori, jolle magnetointivirta muokataan ja johdetaan. Generaattorilla tuotettu teho määrää sen, miten suurta magnetointivirtaa generaattorin magnetointikäämeihin on johdettava ja täten käytettyjen magnetointijärjestelmän komponenttien mitoituksen. Magnetointijärjestelmän valinnassa tulee myös huomioida magnetointijärjestelmältä vaaditut ominaisuudet, kuten jännitteennousuajat ja toiminnan luotettavuus. Lisäksi on selvitet-

56 48 tävä voimalaitoksen tila, tarvittavan käynnistysvirran saanti sekä se, mistä magnetointijärjestelmän tyypin mukainen magnetointivirta tuodaan. Tahtigeneraattorin merkittävimmät tiedot magnetointijärjestelmän suunnittelua varten ovat pyörimisnopeus, voimakoneen tyyppi, nimellisteho, tehokerroin, taajuus ja liitinjännite. [13] Magnetointijärjestelmän aiheuttamat tehohäviöt koostuvat virtahäviöiden lisäksi menetelmästä, jolla virta johdetaan generaattorin magnetointikäämityksiin. Staattisessa magnetointijärjestelmässä pieniä häviöitä syntyy, kun virta johdetaan liukuharjojen avulla liukurenkaille. Harjattomassa magnetointijärjestelmässä saman kokoluokan häviöt syntyvät pyörivässä suuntauslaitteistossa. Staattisella magnetointijärjestelmällä saavutetaan yleensä hieman harjatonta järjestelmää parempi hyötysuhde. [14 ; 8] Käyttökustannuksien erot ovat sen verran pieniä muihin järjestelmien eroista syntyviin tekijöihin nähden, että ne eivät ole ratkaiseva tekijä magnetointijärjestelmää valitessa. Kummassakin magnetointijärjestelmässä magnetointivirta saadaan alun perin voimakoneen avulla. Staattisessa magnetointijärjestelmässä magnetointivirta voidaan ottaa generaattorin liittimistä voimakoneen tuottamasta tehosta. Vastaavasti harjattomassa järjestelmässä voimakone pyörittää generaattorin roottoria ja samalla akselille sijoitettua magnetointivirran magnetointigeneraattorille tuottavaa kestomagneettigeneraattoria. Magnetointijärjestelmän toteutuksessa tulee ottaa huomioon minkälaiseen ympäristöön laitteistot sijoitetaan. Täytyy huomioida magnetointilaitteiston kokema tärinä, tilojen lämpötilat, kosteus, ja muiden laitteiden aiheuttamat häiriöt ja vastaavasti magnetointilaitteiston aiheuttama häiriö muihin laitteisiin [13] Vertailuun käytettävät mittarit Koska magnetointijännitteellä ohjataan generaattorin ulostuloa, voidaan magnetointijärjestelmän ulostulojännitteen nousuaikoja pitää oleellisena arvona magnetointilaitteistoja vertailtaessa. Mitä nopeampaan jännitteen muutokseen magnetointilaitteisto pystyy, sitä helpompi on pitää yllä sähköverkkoon kytketyn generaattorin stabiilisuutta ja näin välttyä tahdista tippumiselta. Toinen merkittävä vertailuarvo on magnetointilaitteiston tuottaman kattojännitteen suuruus suhteessa generaattorin nimellisjännitteeseen ja se, kuinka nopeasti jännitettä saadaan nostettua. Generaattorin käyttötarkoituksesta ja siltä vaadittavista ominaisuuksista riippuu, kumpi edellä mainituista arvoista on merkitsevämpi. Yleisesti staattisella magnetointilaitteistolla saavutetaan lyhyempi jännitteen nousuaika kuin pyörivillä ratkaisuilla. Esimerkiksi harjattomassa magnetointijärjestelmässä jokainen pyörivä komponentti kuluttaa aina omaa aikavakiota vastaavan ajan muutostilassa. Staattisessa magnetointilaitteistossa ei ole vastaavia pyöriviä laitteita, sillä magnetointivirta otetaan verkosta magnetointimuuntajan läpi. Haluttuun magnetointivirran muutokseen reagoidaan nopeasti tyristorisillan ohjauksella. [3] Kuvassa 6.1. on esitetty magnetointijärjestelmien dynaamisien ominaisuuksien vertailuun käytettäviä suureita. Pystyakselilla on merkitty magnetointijärjestelmän ulostulojännite ja eri tilanteita vastaavat jännitteet. U S on generaattorin nimellisjännite ja U C on kyseiselle magnetointilaitteistolle määritelty kattojännite.

57 49 Kuva 6.1. Magnetointijärjestelmien dynaamisien ominaisuuksien vertailuun käytettäviä arvoja [14; 24]. Yksi mitattavista arvoista on jännitteen nousuaika (1). Jännitteen nousuajaksi on määritetty aika, jolloin magnetointilaitteiston nimellinen ulostulojännite nousee 10 prosentista 90 prosenttiin. [24] Magnetointilaitteiston toimintakyvyn mittaamiseen voidaan käyttää menetelmää (2), jossa mitataan aika, joka kuluu nimellisjännitteen nostamisesta kattojännitteeseen. Koska tahtigeneraattoreilta vaaditaan kykyä toimia 105 % nimellisjännitteellä, käytetään menetelmässä magnetointitehon nousun verran kattojännitettä pienempää arvoa. Nopeaksi luokitellulta järjestelmältä tähän saa kulua aikaa korkeintaan 50 millisekuntia. Kuvassa 6.1. on havainnollistettu jännitteen nostamista kohti kattojännitettä ja mitattavaa aikaa, joka kertoo magnetointilaitteen kyvykkyydestä kyseisessä tilanteessa. [14] Vertailtava ominaisuus on myös aika (3), jonka magnetointilaitteisto voi syöttää generaattoria kattojännitteen U C arvolla. Tämä ominaisuus parantaa vikatilanteen aikana verkon tasapainottamista. Mitä paremmat edellä mainituilla tavoilla mitatut ominaisuudet tahtigeneraattorien magnetointilaitteistoilla saavutetaan, sitä helpommin on verkko tasapainotettavissa vikatilanteissa. Kuitenkin liian nopealla reagoinnilla voidaan joutua epästabiiliin tilaan, jolloin lisästabiloinnin käyttö on suositeltavaa. Kattojännitteet ilmoitetaan yleensä kattojännitteen ja nimellisjännitteen suhteena. Suurimmat saavutettavat kattojännitteet ovat kolminkertaisia nimellisjännitteisiin nähden. Magnetointilaitteiston kattojännitteen tuottokyvyn sijaan rajoittavana tekijänä toimii generaattorin magneettipiirien saturoituminen. Suuren kattojännitteen mahdollistavien magnetointilaitteistoiden kustannukset kasvavat suhteessa kattojännitteen tuottokykyyn. Magnetointigeneraattorin eristyksiä tulee kasvattaa kattojännitteen kasvun seurauksena. Samoin staattisen magnetointilaitteiston mitoitus kasvaa kattojännitevaatimuksen mukaan. [14] Suurimmalla magnetointilaitteis-

58 50 tolla tuotetulla kattojännitteellä on merkitystä myös päämuuntajan mitoitukseen. Päämuuntajan on kestettävä tilanteet, jolloin generaattoria syötetään magnetointilaitteiston maksimikattojännitteellä tietyn aikaa. Erilaisilla simulointiohjelmilla määritetään, millaiset ja kuinka nopeat ominaisuudet magnetointijärjestelmältä vaaditaan. [24] Magnetointilaitteistojen vertailu Staattinen magnetointilaitteisto on riippuvainen sähköverkosta, sillä se ottaa generaattorin magnetointiin tarvittavan tehon generaattorin liittimistä tai erillisestä energian syötöstä. Sähköverkossa tapahtuvat viat ja häiriöt voivat vaikuttaa verkosta saatavissa olevaan magnetointivirtaan. Stabiilisuuden ylläpito tässä tilanteessa vaikeutuu huomattavasti, jos riittävän suurta magnetointitehoa ei ole saatavilla verkon tasapainottamiseksi. Magnetointilaitteiston suunnittelussa on otettava huomioon, että tarvittavan sisäisen jännitteen luominen onnistuu normaaliin käyttötilanteeseen nähden pienemmilläkin jännitteen arvoilla. [5] Taulukossa 6.1. on esitetty eri magnetointijärjestelmien välisiä eroavaisuuksia ja ominaisuuksia. Staattisen magnetointijärjestelmän dynaamiset ominaisuudet ovat selvästi parhaimmat kolmen eri järjestelmän välillä. Kattojännitteen tuottokyky on rajoittamaton, koska magnetointivirta voidaan ottaa sähköverkosta, eikä se ole riippuvainen magnetointigeneraattorista kuten tasasähkömagnetoinnin ja harjattoman magnetoinnin. Tasasähkömagnetointi ja staattinen magnetointi on varustettavissa kentänheikennysvastuksella. Tämän lisäksi niillä voidaan syöttää tarvittaessa negatiivista magneettikenttää. Harjaton magnetointi vaatii vähemmän huoltoa, koska virta viedään magnetointikäämeihin pyörivää diodisiltaa pitkin huoltoa vaativien hiiliharjojen ja liukurenkaiden sijaan.

59 51 Taulukko 6.1. Magnetointijärjestelmien ominaisuuksien vertailua [13; 1]. Ominaisuus Dynaamiset ominaisuudet Negatiivinen magneettikenttä Nopea kentänheikennys Kyllä, katkaisija ja kentänheikennysvastus Huoltotoimenpiteet Tasasuuntaajan huolto Jos käytetään harjatonta magnetointilaitteistoa, mutta kestomagneettigeneraattorilla varustetulla magnetoinnilla ei saavuteta riittävän nopeaa jännitevastetta, voidaan magnetointigeneraattorille ottaa teho sähköverkosta. Tällöin pyörivä kestomagneettigeneraat- Tasasähkömagnetointi Magnetointilaitteisto Staattinen magnetointi Harjaton magnetointi Heikot Erinomaiset Kohtalaiset Mahdollinen Mahdollinen Ei mahdollinen Kyllä, katkaisija ja kentänheikennysvastus Hiiliharjat ja liukurenkaat/kommutaattori Hiiliharjat ja liukurenkaat Ei mahdollinen Pyörivän diodisillan tarkastus Irti verkosta Verkkoon kytkettynä Irti verkosta Kattojännite Rajoitettu Rajoittamaton Rajoitettu Aikavakiot Magnetointigeneraattori ja ohjauspiirit Ohjauspiirit Herätinkoneet ja ohjauspiirit Kahden tasasuuntaajan käyttö Mahdollinen Mahdollinen Ei mahdollinen Tasasuuntaus Ei Staattinen tasasuuntaussilta Pyörivä diodisilta Staattinen magnetointi sopii parhaiten dynaamisesti vaativiin olosuhteisiin. Staattista magnetointia käytetään, kun vaaditaan suurin mahdollinen kattojännite ja nopeinta mahdollista reagointia muutoksiin. Staattiselta magnetointilaitteistolta vaadittu kattojännite voi joissain tilanteissa olla erityisen suuri verrattuna normaalin käyttötilanteen ulostulojännitteeseen. Tällöin voidaan käyttää kahta erillistä eri tilanteisiin mitoitettua tyristorisiltaa tasasuuntaukseen. Suuremmaksi mitoitettu ohjataan käyttöön, jos suurta kattojännitettä tarvitaan, ja toinen tyristorisilloista vastaa normaalin käyttötilanteen tasasuuntauksesta. [14] Harjaton magnetointilaitteisto sopii olosuhteisiin, joissa vaaditaan mahdollisimman suurta huoltovapautta esimerkiksi vaativien olosuhteiden vuoksi. Tietyissä olosuhteissa ei myöskään sallita hiiliharjojen kulumisesta syntyvää hiilipölyä. Harjaton magnetointi takaa myös korkeimman toimintavarmuuden. Käytettävä magnetointilaite määräytyy siis sovelluskohteen mukaan.

60 52 tori korvataan ohjattavalla tasasuuntaussillalla ja sytytyskulmia säätämällä ohjataan magnetointigeneraattorin ulostuloa. [14] 6.2 Magnetointijärjestelmän käyttövarmuus Magnetointijärjestelmästä riippumatta täytyy varmistua siitä, että magnetointijärjestelmän käyttövarmuus pidetään riittävällä tasolla koko magnetointijärjestelmän eliniän ajan. Magnetointijärjestelmän laitteiston vaurioituminen aiheuttaa generaattorin käyttökatkoksen niin pitkäksi ajaksi kunnes se on korjattu tai vaihdettu uuteen. Näihin tilanteisiin voidaan varautua ylimääräisillä laitteilla. Ylimääräiset laitteet varastoissa aiheuttavat kuitenkin kustannuksia ja katkosta aiheutuvat tuotannon menetykset ovat usein korjausta merkittävämmät. Ennakoivalla kunnossapidolla varaudutaan magnetointijärjestelmän komponenttien vaurioitumiseen. Kunnossapidolla parannetaan järjestelmän toimintaa ja pidennetään magnetointijärjestelmältä odotettua elinikää. Magnetointijärjestelmän elinikään vaikuttaa merkittävästi se, kuinka järjestelmää käytetään ja kuinka paljon sitä huolletaan. [25] Näiden toimenpiteiden aiheuttamat kulut ovat yleensä merkityksettömän pieniä verrattuna generaattorin toiminnan pysähtymisestä tai magnetointijärjestelmän uusimisesta aiheutuviin kustannuksiin. Tämän vuoksi magnetointijärjestelmän käyttäminen sen mitoitetulla toiminta-alueella sekä riittävät huolto- ja tarkastustoimenpiteet nousevat taloudellisesti perustelluksi. Magnetointijärjestelmä koostuu pienjännitteisistä ohjauspiireistä ja elektroniikkakomponenteista sekä, järjestelmästä riippuen, suurjännitteisistä tasasuuntaussilloista, magnetointimuuntajasta ja herätinkoneista. Pienjännitteisten komponenttien kuntoa valvotaan tasaisin väliajoin ja ne ovat helposti korvattavissa varaosilla. Pienjännitteisiä komponentteja tilataan varastoon magnetointijärjestelmän hankinnan yhteydessä ja säilytetään yleensä siltä varalta, että vikaantuneet komponentit voidaan tarpeen vaatiessa vaihtaa. Tämä on vaikeampaa, jos käytössä on niin vanha magnetointijärjestelmä, että varaosien saatavuus on vaikeutunut. Varaosien vaikea saatavuus ja kallis hinta ovat usein perusteita magnetointijärjestelmän uusimiselle. Suurjännitteisten osien vikaantuminen on paljon vakavampaa eikä kalliita osia säilytetä välttämättä vikaantumisen varalta. Tärkeän suurjännitteisen komponentin vikaantuminen voi johtaa koko järjestelmän uusimiseen. Magnetointijärjestelmän kunnon arviointi on tärkeä osa-alue, koska näin voidaan varautua magnetointijärjestelmän toimintavarmuutta parantaviin toimenpiteisiin. Magnetointijärjestelmän kuntoa ja suorituskykyä voidaan tarkkailla jännitteensäätäjälle, rajoitintoiminnoille ja ohjaustoiminnoille tehtävillä testeillä. [26] Elinikä Magnetointijärjestelmän elinikään vaikuttavat järjestelmässä käytettyjen komponenttien odotettu elinikä. Tasasuuntaussillan komponentit ovat merkittävä osa magnetointijärjestelmää ja niiden odotetulla eliniällä on suuri merkitys magnetointijärjestelmälle. Tasasuuntaajien mahdolliseen toiminta-aikaan vaikuttavat useat eri tekijät. Magnetointijär-

61 53 jestelmän käyttötapa on yksi järjestelmän elinikään vaikuttavista tekijöistä. Se, kuinka paljon tasasuuntaajaa kuormitetaan, eli kuinka suurta virtaa syötetään magnetointikäämeihin suhteessa sen nimellisarvoon, on merkittävä tekijä odotettua elinikää arvioidessa. Tähän voidaan vaikuttaa käyttämällä suuremman nimellisarvon tasasuuntauskomponentteja. Tämä valinta tukee myös tilannetta, jolloin on tiedossa, että generaattorin tuotantokapasiteettiä tullaan kasvattamaan tulevaisuudessa. Sama ajatustapa pätee myös päämuuntajan mitoituksessa. [13] Magnetointijärjestelmää ei käytetä välttämättä sen teknisen elinikänsä loppuun asti. Magnetointijärjestelmän uusinta voi olla teknisesti ja taloudellisesti järkevä vaihtoehto jo silloin, kun uudella järjestelmällä saavutetaan merkittäviä hyötyjä nykyiseen nähden. Esimerkiksi huoltokustannuksien pieneneminen ja toimintakyvyn paraneminen ovat syitä, joiden vuoksi magnetointijärjestelmä voidaan uusia. Vanhan magnetointijärjestelmän komponenttien vaikea saatavuus on myös merkittävä uusimiseen vaikuttava tekijä. Magnetointijärjestelmä toimii jatkuvasti toiminnassa olevan generaattorin magnetoinnin lähteenä. Tällöin magnetointijärjestelmä kokee jatkuvasti mekaanisia, sähköisiä ja lämmöstä aiheutuvia rasituksia. Jatkuvat rasitukset kuluttavat magnetointijärjestelmän komponentteja, mikä voi johtaa tärkeän komponentin vaurioitumiseen ja näin tuotannon katkokseen. Magnetointijärjestelmän mahdollinen toimintaikä on oleellinen arvioinnin kohde, kun suunnitellaan magnetointijärjestelmän toteutusta. Vanhat magnetointijärjestelmät ovat usein olleet toiminnassa kymmeniä vuosia. Nykyajan magnetointijärjestelmien elinikää on vaikea arvioida tietotekniikan nopean kehityksen vuoksi. Tänä päivänä käytettyjen ohjelmistojen ja tietoteknisten laitteiden vanhentuminen on todennäköisin syy nykyisien järjestelmien uusimiselle. Magnetointijärjestelmältä odotettuun elinikään vaikuttavat suunnittelupäätökset, käytetyt materiaalit, asennukset sekä magnetointijärjestelmän käyttö- ja huoltohistoria. Elinikää arvioidessa käytetään yleensä elinikään vaikuttavista tekijöistä koostuvaa taulukkoa, jossa kaikki ominaisuudet ilmoitetaan asiantuntijoiden arvioimilla painokertoimilla. [26] Magnetointijärjestelmän redundanttisuus Joiltakin generaattoreilta vaaditaan jatkuvaa toimintaa, eivätkä keskeytykset tuotannossa ole sallittuja vikaantuneen magnetointijärjestelmän vuoksi. Suurikokoisia generaattoreita ei voida taloudellisesta syystä irrottaa verkosta vikaantuneen magnetointijärjestelmän osan korjaamisen ajaksi. Näiden generaattorien tapauksessa on toiminnan jatkuttava yksittäisen magnetointijärjestelmän komponentin vikaantumisesta huolimatta. Vikaantuneiden magnetointijärjestelmän osien on oltava korvattavissa. Sama pätee myös silloin, kun sähköverkon stabiilisuuden kannalta tärkeältä generaattorilta vaaditaan jatkuvaa toimintaa. Pienemmillä generaattoreilla voi olla varaa odottaa vikaantuneen osan korjaamista, eivätkä ylimääräiset magnetointijärjestelmän komponentit ole välttämättä taloudellisesti järkevä sijoitus. Redundanttinen magnetointijärjestelmä on varustettu useammalla laitteella kuin mitä järjestelmän normaali toiminta edellyttää. Tällöin toiminta voi jatkua vaikka yksi laite vikaantuisi tai vaatisi huoltoa. Ylimääräisien magne-

62 54 tointijärjestelmän osien tarve ja niiden määrää riippuu generaattorin kriittisyydestä sähköverkolle sekä ajasta, joka sallitaan generaattorille olla irti sähköverkosta. Magnetointijärjestelmän laitteiden ja osien redundanttisuus voi vaihdella runsaasti muutamista ylimääräisistä komponenteista ylimääräisiin tasasuuntaussiltoihin ja tehonsyöttöihin. [13] Yksi esimerkki magnetointijärjestelmän redundanttisuudesta on magnetointijärjestelmään sijoitettu ylimääräinen jännitteensäätäjä siltä varalta, että toimiva jännitteensäätäjä vikaantuu. Toinen jännitteensäätäjä voi toimia toiminnassa olevan rinnalla siten, että vikaantumisen sattuessa varalla ollut säätäjä ohjataan automaattisesti käyttöön. Tämä on toteutettavissa myös niin, että molemmat säätäjät ovat normaalissa käyttötilanteessa jatkuvasti toiminnassa. Kun toinen säätäjä vikaantuu, se irrotetaan magnetointijärjestelmästä, jolloin säätövastuu siirtyy jäljelle jäävälle säätäjälle. Näin generaattori pysyy toiminnassa kaiken aikaa, vaikka vikaantunutta säätäjää korjataan. Tarpeesta riippuen voidaan varalla oleva säätäjä varustaa vastaavilla rajoittimilla ja toiminnoilla kuin ensisijainen jännitteensäätäjä. [13] Myös vika tasasuuntaajassa voi keskeyttää generaattorin tuotannon sekä aiheuttaa magnetointijärjestelmän komponenttien ylikuormittumisen. Tältä varalta voi staattisessa magnetointijärjestelmässä olla ylimääräinen tasasuuntaussilta, joka voidaan vaihtaa vikaantuneen tilalle. Näin generaattori saadaan pidettyä jatkuvasti toiminnassa tasasuuntaussillan viasta huolimatta. Tasasuuntaussillan toiminnan varmistamiseksi voidaan käyttää myös ylimääräisiä jäähdyttimiä. Oikeaoppisen eristämisen avulla voidaan vikaantunut säätäjä tai tasasuuntaussilta korjata samalla, kun varalla ollut laite jatkaa generaattorin toimintaa. Staattisen magnetointilaitteiston tapauksessa voi käytössä olla kaksi erillistä magnetointilaitteistoa, virta- ja jännitemuuntajilla ja muilla tarvittavilla komponenteilla varustettuina ja omilla magnetointimuuntajilla syötettyinä. [13] 6.3 Tahtigeneraattorin optimaalinen suojaustaso Generaattorin tahtikäyttöä tai toimintaa vaarantavat viat tunnetaan hyvin ja niiden varalta suojaudutaan useilla eri toiminnoilla. Suojaukset on toteutettavissa useilla eri menetelmillä ja periaatteilla. Eri valmistajien laitteilla ja menetelmillä päästään varmasti hyvin lähelle haluttua lopputulosta, luotettavaan suojaukseen laitevalmistajasta riippumatta. Oikeaoppinen ja riittävällä varasuojauksella toteutettu generaattorisuojaus estää henkilövahingot ja generaattorin vaurioitumisen vian sattuessa. Suojauslaitteisto toimii yhteistyössä magnetointijärjestelmän kanssa taaten verkon stabiilisuuden vian sattuessa tai epänormaalissa käyttötilanteessa. Suojauksen valinnassa merkittävä taloudellinen päätös on suojaustoimintojen ja varasuojien määrä. Suojalaitetoimittajilla on tarjota erilaisia suosituksia käytettävistä suojaustoiminnoista eri tilanteisiin. Generaattorisuojauksen valintaan ja toteutukseen vaikuttavat tarkoituksenmukaisuus, luotettavuus ja taloudellisuus. Luotettavuus ja taloudellisuus ovat liitoksissa keskenään, koska suuremmilla ta-

63 55 loudellisilla sijoituksilla voidaan toteuttaa useamman suojaustoiminnon kahdennus ja käyttää vaihtoehtoisia menetelmiä vian havaitsemiseen. Generaattorien suojareleiden hankinta, koordinointi ja riittävä huolto on tärkeää, sillä niiden avulla suojataan merkittävimpiä voimalaitoksen komponentteja. Generaattorin, voimakoneen tai päämuuntajan vahingoittumisesta aiheutuvat vahingot määräävät kuinka kattavasti ja miten varmaksi suojaus toteutetaan. Kuitenkin esimerkiksi generaattorin vahingoittuminen on kokonaiskustannuksiltaan niin suuri taloudellinen menetys, että on aina edullisempaa käyttää kattavinta mahdollista suojausta, jos sillä saadaan estettyä sattuva vahinko. [3] Generaattorin suojauksen kattavuuteen ja valittuihin suojaustoimintoihin vaikuttaa usein merkittävästi generaattorin teho. Generaattorin koko ei kuitenkaan suoraan vastaa generaattorin tärkeyttä esimerkiksi sähkövoimajärjestelmälle, vaan siihen vaikuttaa usein generaattorin koon lisäksi useat muut tekijät. [9] Kun määritetään optimaalista suojaustasoa generaattorille, on arvioitava, mitkä ovat kustannukset generaattorivian sattuessa. Suojauksen kattavuus ja näin investoinnit generaattorin, päämuuntajan ja muiden generaattoriin liittyvien laitteiden suojausjärjestelmiin riippuu vian aiheuttamista vahingoista suhteessa tarvittavan suojausjärjestelmän hintaan. 6.4 Vioista aiheutuvat vahingot Suojausjärjestelmään sijoitetut investoinnit on helppo arvioida ja laitevalmistajilta saadaan kokonaishinta kattavalle suojauslaitteistolle. Vahinkojen arviointi on huomattavasti haastavampaa, koska vahingot koostuvat suorista ja epäsuorista menetyksistä, korjausajoista, korvaavan komponentin saatavuudesta ja useista muista tekijöistä. Myös generaattorin, turbiinin ja muiden laitteiden kokemia vahinkoja on vaikea arvioida, koska pienempi vika jollain alueella voi johtaa vian leviämiseen ja aiheuttaa suurempaa vahinkoa jossain muualla. Generaattori, turbiini ja päämuuntaja ovat kriittisimmät komponentit, sillä niiden vikaantuminen johtaa tuotannon pysähtymiseen. Henkilöiden turvallisuus on kuitenkin aina turvattava, eikä turvallisuuden varmistamisessa voida tinkiä. Generaattori, turbiini ja päämuuntaja ovat niin kalliita ja suuria komponentteja, että vian sattuessa ylimääräistä korvaavaa laitetta ei yleensä löydy tilalle. Vian aiheuttamat vahingot näkyvät suoraan laitteistojen ja generaattorin, päämuuntajan ja voimakoneen vaurioitumisessa sekä näille vaadituissa korjaustoimenpiteissä. Nämä suorat kustannukset ovat samat vuodenajasta ja kellonajasta riippumatta. Tuotannon pysäyttävän laitteen vaurioituminen aiheuttaa myös epäsuoria kustannuksia, jotka vaihtelevat ajankohdan mukaan. Toimittamatta jäänyt sähkö on epäsuora kustannus, jonka menetetyt tuotot ja vahingot riippuvat generaattorin tuottokapasiteetin ja korjausajan lisäksi senhetkisestä sähkön tarpeesta. Menetetty sähkö on ostettava sähköpörssistä tai tuotettava jollain muilla keinoin, kuten varageneraattoreilla. Epäsuorat kustannukset riippuvat täten varageneraattorin tyypistä ja sen käyttämästä polttoaineesta tai senhetkisestä pörssisähkön hinnasta. Verkon tasapainon kannalta tärkeimmille tahtigeneraattoreille ei sallita käyt-

64 56 tökatkoksia, koska niiden verkosta tippuminen johtaisi koko verkon tasapainon heikkenemiseen ja pahimmillaan sähkövoimajärjestelmän suurhäiriöön. Pelkät menetetyt tuotot kasvavat hyvin suuriksi. Tämä asettaa myös generaattorisuojien toiminnalle korkeat vaatimukset, jotta tuotantohäiriöitä ei pääse syntymään myöskään virheellisten katkaisijoiden laukaisuiden vuoksi. Jos generaattori joudutaan irrottamaan sähköverkosta, pelkät tuotannon menetyksestä johtuvat häviöt nousevat pienessä ajassa suuriksi. Viikon 28 ( ) sähkön pörssihinnan keskiarvo oli 45,83 euroa / MWh [27]. Kun menetetty sähkö ostetaan sähköpörssistä, tällöin 60 MW pätötehoa tuottavan generaattorin tuotannon menetyksen korvaavasta energiasta syntyy 2749,8 euron kulut tunnissa niin pitkään, kunnes generaattori taas toimii normaalisti. Tarkastelujakso on keskikesältä, mutta talvella huomattavasti suuremman energiamäärän kysynnän aikaan hinnat nousisivat tästä selvästi. Sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksissa generaattoria pyörittävän turbiinin höyryt tai kaasut käytetään vielä kaukolämmössä tai teollisuuden prosesseissa. Näiden voimalaitoksien generaattorien toiminnan pysähtyminen johtaa myös lämmön tuotannon loppumiseen, jolloin korvattava lämpö on hankittava muilla keinoilla. Laitteistojen kokemat vahingot nostavat menetyksiä huomattavasti kalliiden komponenttiuusintojen ja pitkittyneiden korjausaikojen vuoksi. Myös voimalaitoksen useat toiminnot voivat saada tarvittavan sähkön omakäyttömuuntajan kautta ja näin niidenkin tarvitsema sähkö on saatava joillain muilla keinoin. 6.5 Suojauksen varmentaminen Generaattorin, kuten monen muunkin komponentin tai järjestelmän suojauksessa noudatetaan periaatetta, jonka mukaan yhden laitteen vikaantuminen ei saa johtaa koko tuotannon pysähtymiseen. Pienemmillä generaattoreilla tästä ajattelumallista voidaan joustaa, jos saavutettavat hyödyt ovat suurempia, kuin vikojen aiheuttamat kustannukset. Suojausperiaatetta kuitenkin noudatetaan varsinkin keskisuurien ja suurien generaattorien tapauksissa, joiden toiminta ei voi pysähtyä yhden vian vuoksi. Tärkeät generaattorit suojataan kahdella suojareleellä eli kahdennetaan siltä varalta, että suojalaite vikaantuu tai ei toimi vaaditulla tavalla. Suojauksen kahdennus on toteutettavissa joko osittain tai täysin kahdennettuna. Osittain kahdennettuna toteutettu generaattorin suojaus toteutetaan vähintään kahdella suojareleellä. Täysin kahdennettuna toteutetussa generaattorisuojauksessa on vähintään kaksi itsenäistä täysin toisistaan riippumatonta suojarelettä, jotka on varustettu omilla laitteilla, kuten mittamuuntajilla. Kuvassa 6.2. on esitetty osittain ja täysin kahdennetut generaattorin suojareleet. Täysin kahdennetussa suojauksessa laukaisukäskytkin viedään molemmilta suojareleiltä erillisiä toisistaan riippumattomia reittejä pitkin katkaisijalle. Numeerisissa suojareleissä halutut suojaustoiminnot voidaan sisällyttää suojalaitteeseen. Tällöin kaksi suojarelettä voidaan toteuttaa identtisinä tai toisistaan jossain määrin poikkeavilla suojaustoiminnoilla. [22]

65 57 Kuva 6.2. Vasemmalla on esitetty osittain kahdennettu ja oikealla täysin kahdennettu generaattorisuojaus [22]. Identtisten suojien käyttäminen pienentää luotettavuutta, jonka vuoksi on usein suositeltavaa käyttää kahta erilaista suojarelettä tai varustaa suojat eri menetelmiin perustuvilla toiminnoilla. Suojalaitteiden luotettavuus on oltava sillä tasolla, että yksittäinen vika ei pysäytä generaattorin tuotantoa. Luotettavuutta voidaan kasvattaa monitoimisuojareleiden tapauksessa useilla eri keinoilla. Voidaan käyttää erilaisia suojarelemalleja, jotka vastaavat osasta suojaustoiminnoista. Staattisilla suojareleillä voidaan toteuttaa varasuojaus kaikille generaattorivioille tai tietyille kriittisimmille vioille. Suojan toiminnot voidaan myös jakaa erillisille mikroprosessoreille ja piirilevyille. Myös itsevalvontaominaisuudet lisäävät monitoimireleiden luotettavuutta. Kun käytetään kahta monitoimirelettä generaattorin suojaukseen, se voidaan tilanteesta riippuen toteuttaa kahdella, kaikki tarvittavat suojaustoiminnot omaavalla suojalla, tai yhdellä monitoimisuojalla sekä yksittäisillä varasuojilla. Luotettavuutta voidaan kuitenkin parantaa, jos suojausmenetelmät eivät ole täysin identtisiä keskenään. Esimerkiksi monitoimisuojarelettä käytettäessä voidaan toteuttaa maasulkusuojaus kahdella eri toiminnolla. Toinen suojarele voi mitata nollajohtimen jännitettä ja toinen rele varustetaan nollajohtimen ylivirtareleellä. Näin kahdella monitoimireleellä voidaan parantaa generaattorisuojauksen yleistä luotettavuutta, koska viat havaitaan varmemmin, kun suojaus ei ole yhdenlaisen menetelmän varassa. [9]

66 58 7 ESIMERKKIVOIMALAITOKSIEN SUOJAUS-, MAGNETOINTI- JA TAHDISTUSRATKAISUT Tässä luvussa käsitellään kahden nimellistehoiltaan erisuuruisen tahtigeneraattorin suojauksen, magnetoinnin ja tahdistuksen toteutusta. Tätä varten haastateltiin laitetoimittajia mahdollisista toteutusvaihtoehdoista kuvitteellisen voimalaitoksen generaattorille. Tarjouspyynnössä esitettiin voimalaitoksen pääkaavio ja muut tarvittavat tekniset tiedot voimalaitoksen sähköverkoista ja generaattoreista. Laitetoimittaja tarjosi vaihtoehtoisia toteutustapoja ja esitti vaihtoehtojen välisiä teknisiä ja taloudellisia eroavaisuuksia. Tämän lisäksi käytiin sähköpostihaastatteluja tarjottuja ratkaisuja koskien. Näiden haastattelujen perusteella saatiin tarkentavaa informaatiota eri ratkaisuvaihtoehtojen eroavaisuuksista, hintaeroista ja kattavamman ratkaisun tuomista hyödyistä. Tässä luvussa on koottuna laitetoimittajan tarjoamat vaihtoehtoiset ratkaisut, toteutukseen käytettävät laitteistot, toiminnot ja tärkeimmät tekniset tiedot. Esimerkkivoimalaitoksen lisäksi käsitellään lyhyesti ratkaisujen soveltuvuutta muihin voimalaitoksiin. Se mihin ratkaisuihin toteutuksessa lopulta päädytään, riippuu useasta eri tekijästä. Laitteiden valinta ja kytkentöjen valinta perustuu aina vaihtoehtoisten ratkaisuiden vertailuihin. Vaihtoehtojen välillä tulee tehdä teknistaloudellista vertailua hyötysuhteiden, käyttökustannuksien, tarvittavan huollon ja hankintahinnan välillä. Myös käytettävyys, lähtötilanne ja mahdolliset tulevaisuuden laajennusmahdollisuudet tulee huomioida. [8] 7.1 Tarkasteltavat voimalaitokset Metso Power Oy tarjoaa voimalaitosratkaisuja voimalaitoksiin, jotka käyttävät erilaisia polttoaineita energiantuotantoon. Näissä voimalaitoksissa käytettävät polttoaineet ja niiden väliset yhdistelmät vaihtelevat. Polttoaineen palamisesta saadaan turbiinia pyörittävä energia, joka pyörittää generaattoria ja tuottaa sähköenergiaa sähköverkkoon. Työhön valittiin tarkasteltavaksi nimellistehoiltaan 30 MVA ja 60 MVA tehoisilla generaattoreilla varustetut voimalaitokset. Tällöin saadaan tutkittua tarkasteltavan teholuokan tyypillisiä toteutusvaihtoehtoja ja mahdollisia eroavaisuuksia suojaus-, magnetointi- ja tahdistusratkaisuissa kyseisten teholuokkien välillä. Esimerkkivoimalaitos on uusi voimalaitos, eikä näin tarvitse ottaa huomioon aikaisempia voimalaitoksessa tehtyjä ratkaisuja, joilla olisi ollut merkitystä toteutustapoihin. Tarkasteltavat generaattorit on kytketty 110 kv suurjänniteverkkoon oman päämuuntajan avulla. Generaattorin ja päämuuntajan välissä on omakäyttömuuntaja, mikä syöttää muita voimalaitoksen laitteita. 60 MVA generaattorilla varustetussa pääkaaviossa päämuuntajan on mitoitettu suurempitehoisek-

67 59 si, mutta periaatteessa pääkaaviot ovat identtisiä keskenään. Omakäyttöhaaraa ja sen tehontarvetta ei määritelty tarkemmin. Voimalaitoksen tahtigeneraattorin magnetointi toteutetaan harjattomalla magnetointilaitteistolla, jossa magnetointigeneraattori saa magnetointivirran turbiinin akselilla pyörivästä kestomagneettigeneraattorista. Käytetty magnetointilaitteisto määrää tarvittavan magnetoinnin säätöjärjestelmän tyypin. Tällöin magnetointilaitteistolle tarvitaan automaattinen jännitteensäätäjä, mikä ohjaa magnetointigeneraattorille syötettyä virtaa Suojaus Suojaukseen tarjottiin kahta vaihtoehtoa. Valittava ratkaisu voisi olla mitä tahansa näiden vaihtoehtojen väliltä. Vaihtoehdot ovat kuitenkin tarkoituksen mukaisesti laajuudeltaan ja varmennustasoltaan hyvin erilaisia. Vaihtoehto A vastaa idealtaan generaattorin minimisuojausta ja vaihtoehto B on selvästi kattavampi vaihtoehto. Generaattorin suojaukseen tarjottiin kahta eri suojausvaihtoehtoa. Vaihtoehdossa A generaattorin suojaus toteutettaisiin kahdella ABB REM543 monitoimisuojareleellä. Generaattorin suojauskokonaisuuden muodostavat monitoimisuojareleet varustettaisiin suojaustoiminnoilla, joista osa löytyisi molemmista suojareleistä. Näin saadaan toteutettua varasuojaus kriittisimmille suojaustoiminnoille. Päämuuntajan suojaukseen tarvitaan erillinen päämuuntajan pääsuojana toimiva ABB RET543 suojarele. Suojareleen tilaajan arvioitavaksi jää tarvittavien suojaustoimintojen kahdennus. [28] Toinen tarjottu suojausvaihtoehto on kattavampi ja luotettavampi suojauskokonaisuus. Vaihtoehdossa B oli myös tarjolla useita omavalintaisia suojaustoimintoja. Releiden apujännitteet on erotettu toisistaan eikä toisen apujännitteen katkeaminen vaikuta toiseen releeseen. Suojaus toteutettaisiin kahdella ABB REG670 suojareleellä. Suojat varustetaan lähtökohtaisesti identtisillä suojaustoiminnoilla. Taulukossa 7.1. on esitetty eri vaihtoehtojen sisältämät suojaustoiminnot ja suojaustoimintojen määrä. Lisälaitteiden avulla on saatavissa myös vaihtoehtoisia suojaustoimintoja taulukossa 7.1. esitettyjen suojaustoimintojen tueksi. [28]

68 60 Taulukko 7.1. Generaattorin suojausvaihtoehdot ja suojaustoimintojen lukumäärät [28]. Suojaustoiminto Vaihtoehto A Vaihtoehto B Päämuuntajan differentiaalisuoja 1 2 Generaattorin differentiaalisuoja 1 2 Ylivirtasuoja 1 2 Staattorin ylikuormitussuoja 2 2 Takatehosuoja 1 2 Vinokuormitussuoja 1 2 Staattorin 90 % maasulkusuoja 1 2 Roottorin maasulkusuoja 2 Alimagnetointisuoja 2 Ylimagnetointisuoja 2 Ylijännitesuoja 2 2 Alijännitesuoja 2 Ylitaajuussuoja 2 2 Alitaajuussuoja 2 2 Taajuusmuutossuoja df/dt 2 Ali-impedanssisuojaus 2 2 Generaattorikatkaisijan vika 1 2 Jännitemittauksen valvonta 2 Jos generaattorin suojaukseen käytetään vaihtoehtoa A ja halutaan samat suojaustoiminnot kuin vaihtoehdossa B, tarvitaan suojauskokonaisuuteen täydentäviä laitteita. Vaihtoehto A voidaan vaihtoehtoisesti täydentää ABB REK510 roottoripiirin maasulkusyöttölaitteella ja ABB REJ523 ylivirtareleellä. ABB REG670 suojareleeseen voidaan haluta sisällyttää staattorin 100 % maasulkusuojaus, jota ei ABB REM543 suojareleeseen voida sisällyttää. Tällä hetkellä tähän suojareleeseen on saatavilla nollajännitettä mittaava kolmannen kertaluvun yliaaltoon perustuva mittaus. Tämän suojauksen toteutus vaatii generaattorin staattorin tähtipisteen jännitteen mittaamista jännitemuuntajalla. Injektioon perustuvaa 100 % maasulkusuojausmenetelmää ei vielä ole ABB REG670 suojareleeseen saatavilla, mutta se sisällytetään vaihtoehdoksi suojaan lähiaikoina. Tämä menetelmä vaati injektiomuuntajan ja erillisen syöttölaitteen, joiden hinta riippuu niiden mitoituksesta. [28] Jännitteen säätö Magnetoinnin säätölaitteeksi tarjottiin ABB Unitrol - sarjaan kuuluvaa Unitrol 1000 jännitteensäätäjää. Magnetoinnin säätö on toteutettavissa käsisäädöllä tai automaattisesti syötettyjen parametrien perusteella. Säätimellä säädetään verkkoon kytketyn generaattorin loistehon tuottoa. Jännitteensäätäjä on suunniteltu syöttämään magnetointigeneraattoria. Säätäjä sopii käyttöihin, joissa magnetointigeneraattori saa magnetointivirran turbiinin akselilla pyörivästä kestomagneettigeneraattorista tai magnetointijärjestelmän

69 61 magnetointimuuntajalta. Jännitteensäätäjän toteuttama tasasuuntaus on toteutettu IGBtransistoreilla. Taulukossa 7.2. on esitetty eräitä säätäjän teknisiä arvoja. [23] Taulukko 7.2. Unitrol 1000-säätäjän tekniset tiedot [23]. Unitrol Säätäjä Tekniset arvot Säädön epätarkkuus max ± 0.1 % Vasteaika < 20 ms Kattomagnetoinnin kesto 10 s Kattomagnetoinnin virta 30 A Nimellinen järjestelmän virta 15 A Säätäjän ohjelmakonfiguraatio sisältää lukuisia rajoitin- ja ohjaustoimintoja. Säätäjä sisältää muun muassa magnetointivirran- sekä yli-, ja alimagnetointirajoittimen. Säätäjä tarjoaa valvomoon runsaasti informaatiota generaattorin toiminnasta. Generaattorin toimintapiste nähdään generaattorin PQ-diagrammilla ja näin voidaan tarkastella kuormitustilanteen muutoksia generaattorin toimintarajojen sisäpuolella. Säätäjään on sisällytetty lukuisia rajoitustoimintoja, jotka yrittävät pitää generaattorin sallituissa toimintarajoissa ja näin estää generaattorin irrottamisen sähköverkosta. Tämän lisäksi säätäjään on tarvittaessa saatavissa lisäominaisuuksia, kuten pyörivän diodisillan valvontaominaisuus. Generaattorin kriittisyydestä riippuen voidaan säätäjä toteuttaa myös kahdennettuna kuvan 7.1. mukaisesti. Kun käytetään redundanttista jännitteensäätäjää, ylimääräinen jännitteensäätäjä kytkeytyy välittömästi toimimaan vikaantuneen tilalle. Näin generaattorin jatkuva toiminta varmistetaan jännitteensäätäjän vikaantumisen varalta. [23] Kuva 7.1. Magnetointikaappeihin sijoitetut jännitteensäätäjän totetutusvaihtoehdot. Vasemmalla on kuva Unitrol-1000 jännitteensäätäjästä ja oikealla on kuva redundanttisesta jännitteensäätäjän toteutuksesta [23].

70 Tahdistus Esimerkkivoimalaitoksille tarjotuissa vaihtoehdoissa ei tahdistukselle tarjottu kuin yhtä vaihtoehtoa. Tämä vaihtoehto oli sopiva kummallekin esimerkkigeneraattorille. Generaattorin tahdistamiseen tarjottiin Synchrotact 5-sarjan Synchrotact automaattitahdistinta. Tahdistus on toteutettavissa manuaalisesti käsin ja automaattisesti. Automaattitahdistusta käytetään aina normaalissa generaattorin tahdistustilanteessa ja se voidaan käynnistää paikallis- tai kauko-ohjauksella. Käsin tahdistuksessa ei ole kaukokäyttöominaisuutta vaan se on tehtävä paikallisohjauksena. Käsintahdistusominaisuus on siltä varalta, että automaatio ei ole toiminnassa. Jännitteet ja taajuudet asetellaan käsintahdistuksessa manuaalisesti. Tahdistuksen valvoja kuitenkin valvoo aina tahdistusehtoja. Näin varmistutaan, että katkaisijaa ei suljeta tilanteessa, jossa tahdistusehdot eivät ole täyttyneet. Parametrit tahdistimelle voidaan syöttää tahdistimen etupaneelista. Tahdistin antaa generaattorikatkaisijalle kiinniohjauskäskyn, kun mitatut arvot vastaavat sopivaa tahdistushetkeä. Tahdistusjärjestelmän perusominaisuuksiin kuuluu tahdistusehtojen valvonnan lisäksi muun muassa jännitteen ja taajuuden asettelu ohjauspulsseilla ja tahdistusajan valvonta, joka valvoo tahdistukseen kuluvaa aikaa ja estää liian pitkän tahdistuksen. Myös automaattinen alkutilaan palautuminen katkaisijan sulkeuduttua, katkaisijan kiinniohjaus ja itsevalvontaominaisuus kuuluvat tarjotun tahdistimen perusominaisuuksiin. Tahdistusjärjestelmällä ohjataan generaattorikatkaisijaa tahdistustilanteessa, eikä sillä voida ohjata mitään muita katkaisijoita. [28] Kaapitus ja kaapelointi Ohjaus- ja suojausjärjestelmät asennetaan metallirakenteisiin vähintään kotelointiluokan IP34 kaappeihin. Esimerkkivoimalaitoksessa käytetyt kaapit ovat tyypiltään ABB MNS Select, jonka korkeus on 2000 mm, leveys 800 mm ja syvyys 600 mm. Kaapit on myös mahdollista varustaa kääntökehyksellä. Kääntökehykseen voidaan sijoittaa kojeet, kuten suojareleet. Kaapelit voidaan tuoda ylä- tai alakautta kaapin riviliittimille ja kaapin kojeille. Kaapin sisällä kojeet kiinnitetään 35mm DIN-kiskoon, joka on kiinnitetty metalliseen asennuslevyyn. Muovisissa kaapeli- ja asennuskouruissa kulkevat käytetyt johtimet ja kaapelit. Alle 60 V jännitetason johdotus tehdään siten, että se ei ole samassa kourussa korkeamman jännitetason johdotusten kanssa. [28] Generaattorin suojaukseen, tahdistamiseen ja magnetointiin tarvittavat laitteet sijoitetaan kuvan 7.2. mukaisesti niille varattuihin kaappeihin. Voimalaitoksen sähkö- tai automaatiotiloihin sijoitetaan kaapit generaattorin suojareleille, turbiinin säätäjälle sekä tahdistus- ja magnetointilaitteille. Osa laitteistoista voidaan sijoittaa mahdollisesti samaan kaappiin. Generaattorilta mitattava informaatio saadaan generaattorin apurelekaapilta ja tähtipistekaapilta. Tähtipistekaapissa on maadoitukseen käytetyt laitteet ja komponentit. Generaattorisuojalta on yhteys tähtipistekaappiin, koska osa suojaustoiminnoista perustuu maadoitusvastuksen mittaukseen. Myös vaihtoehtoiset lisälaitteet sijoitetaan vastaaviin kaappeihin, kun niihin suunnitellaan tilaa riittävästi. Laitteisto liitetään DCS (engl. Distributed Control System) automaatiojärjestelmään väylätekniikalla. Väyläkaapelointi voidaan toteuttaa

71 63 joko kupari- tai valokaapelilla. Valvomon ja laitteistojen välillä voidaan siirtää kahdensuuntaista informaatiota väylää pitkin. Valvomosta asetellaan ohjearvoja suojareleille sekä säädellään generaattorin loistehon tuotantoa. Vastaavasti laitteet lähettävät hälytyksiä ja tietoja tilastaan valvomoon. Kuva 7.2. Voimalaitokseen sijoitetut kaapit ja niiden väliset kaapeloinnit ja liitynnät automaatiojärjestelmään. Laitteiden ja automaation välillä käytetään maailmanlaajuisesti standardoitua IEC liikennöintiprotokollaa, jota käytetään laitteiden välisen informaation siirtoon. Kaappien väliset ohjauskaapelit valitaan tarvittavan johdinmäärän perusteella, mikä riippuu tarvittavien signaaliteiden määrästä Yhteenveto tarjotuista ratkaisuista Tahdistusratkaisut olivat molemmille generaattoreille samat. Tahdistuslaitteiston tehtävänä on vertailla generaattorin ulostulon ja sähköverkon jännitteitä ja taajuuksia sekä kytkeä katkaisija kiinni, kun tarvittavat suureet ovat likimain samansuuruisia. Tämän vuoksi on luonnollista, että tahditusvaihtoehdot eivät ole yhtä laajat kuin magnetointi- ja suojausratkaisut. Generaattorin magnetointijärjestelmä määrää tarvittavan magnetoinnin säätöjärjestelmän ja generaattorin teho määrää vastaavasti säätöjärjestelmän koon. Tarkasteltavat tahtigeneraattorit ovat tehoiltaan tarpeeksi lähellä toisiaan, että samaa jännitteensäätäjää voidaan käyttää kummankin generaattorin magnetointiin. 60 MVA generaattorille kuitenkin on mahdollista toteuttaa jännitteensäätö kahdennettuna, jos tälle nähdään riittävää tarvetta.

72 64 Suojauksen toteutuksessa eri vaihtoehtoja ja kokonaisuuksia on tahdistuksen ja magnetoinnin toteutuksesta poiketen runsaasti. Kahdennus toteutetaan yleensä minimissään osalle kyseisessä tilanteessa tärkeimmistä suojaustoiminnoista eli niin sanotuissa pääsuojissa. Näin vika yhdessä laitteessa tai sen vääränlainen toiminta ei jätä generaattoria ja muita laitteita ilman tarvittavaa suojausta. Suojausvaihtoehto A on suojausvaihtoehtoa B edullisempi. Jos kuitenkin halutaan vastaavat suojaustoiminnot ja toteutetaan kaikki suojaukset kahdennettuna samoin, tarvitaan lisälaitteita, jotka nostavat kuluja selvästi. Suojausvaihtoehto B on varsin kattava, koska kaikki käytetyt suojaustoiminnot on toteutettu kahdennetusti. Vaihtoehtoisesti voitaisiin käyttää yhtä vaihtoehdossa B tarjottua ABB REG670 suojarelettä pääsuojana ja toteuttaa osalle suojaustoiminnoista varasuojaus kevyemmällä suojareleellä. Tässä vaihtoehdossa hinta saataisiin alennettua ABB REG670 suojareleen ja halvemman suojareleen hinnan erotuksen verran. Tämä taloudellinen hyöty kuitenkin menetettäisiin todennäköisesti erilaisten suojareleiden suunnittelussa, konfiguroinnissa ja käyttöönotossa syntyvissä kustannuksissa. Identtisten suojareleiden käyttö on kustannustehokkaampaa ja täten perusteltua generaattorin suojauksessa juuri siksi, että suunnittelu- ja käyttöönottokustannukset laskevat yksittäistä suojarelettä kohden. Omakäyttömuuntajan suojaukseen vaikuttaa omakäyttöhaaran teho. Jos omakäyttöhaaran teho on suuri eli useita prosentteja generaattorin tehosta, on vaihtoehto B ainoa järkevä ja edullisempi vaihtoehto, kuin vaihtoehto A erillisistä suojareleistä kerättynä. Jos generaattorille vaaditaan 100 % maasulkusuojausta, tällöin käytetään ABB REG670 suojarelettä, koska siihen tämä suojaustoiminto voidaan sisällyttää. [28] Esimerkkivoimalaitoksen suojaus, magnetointi ja tahdistusratkaisuja etsiessä haettiin yleispätevää ratkaisua eikä yksityiskohtiin paneuduttu, koska kyseessä on esimerkkivoimalaitos eikä riittävän tarkkoja parametrejä näin ollut käytössä. Todellisuudessa ratkaisuihin vaikuttavia tekijöitä on hyvin runsaasti. Suojauksen ja magnetoinnin toteutus on aina tapauskohtausta. Erityisesti generaattorien suojauksien toteutukseen on mahdotonta määrittää yhtä toteutustapaa tietyntyyppiselle ja kokoiselle voimalaitokselle. Suojareleiden valinnan lisäksi on lukuisia asetuksien ja koordinaation toteutuksen välisiä kombinaatioita. Myös ihmisten aikaisemmat kokemukset vaikuttavat lopullisiin ratkaisuihin. Ratkaisut ovat kuitenkin pääpiirteittäin vastaavat myös muissa 30 MVA ja 60 MVA tehoisissa nopeasti pyörivissä tahtigeneraattoreissa. Generaattorin suojauksen tahdistuksen ja magnetoinnin toteutuksen kokonaishinta muodostuu laitehintojen lisäksi asennus- ja käyttöönottokustannuksista. Asennuskustannuksiin sisältyvät myös tarvittavat kaapelit ja johdotukset laitteiden välillä sekä liitännät automaatiojärjestelmään. Liitäntöjen hinnat riippuvat kaapeleiden lukumäärästä ja pituudesta. Kaapeleiden pituus määräytyy voimalaitoksen kaappien sijainnista. Suurimmat vaikutukset kokonaishintaan tulevat vaadittavan käyttövarmuuden mukaan. Myös päämuuntajan ja omakäyttömuuntajan suojauksella on vaikutusta lopulliseen hintaan riippuen siitä, montako laitetta sisällytetään yhden differentiaalisuojan suojausalueeseen. Jännitteensäätäjän ja suojaustoi-

73 65 mintojen kahdennukset ja vaihtoehtoisten lisätoimintojen sisällyttäminen lisäävät hintaa perussuojauspakettiin nähden. Laitteiden kahdentaminen ei kuitenkaan kaksinkertaista hintaa yhden laitteen hintaan nähden, koska käyttöönotto- ja suunnittelukustannukset laskevat yhtä laitetta kohden [28]. 7.2 Ratkaisujen soveltuvuus muihin voimalaitoksiin Kun generaattorien tehot ja voimakoneen tyyppi poikkeavat esimerkkitapauksesta, ovat käytetyt ratkaisutkin todennäköisesti hieman erilaiset. Harjaton magnetointilaitteisto on nykyisissä uusissa voimalaitoksissa nopeissa höyry- tai kaasuturbiineilla pyörivissä generaattoreissa yleisin vaihtoehto. Staattinen magnetointijärjestelmä on yleisemmin käytetty esimerkiksi hitaasti pyörivissä vesivoimalaitoksissa. Se onko kyseessä uusi laitos vai uusitaanko vain magnetointijärjestelmä voi olla ratkaiseva tekijä, mihin magnetointijärjestelmään päädytään. Vanhemmat voimalaitokset on usein varustettu tasasähkömagnetoinnilla, joka on varustettu hiiliharjoilla ja liukurenkailla. Tällaisen voimalaitoksen magnetointijärjestelmän uusiminen on huomattavasti helpommin toteutettavissa staattisella magnetointijärjestelmällä, jos osa laitteistosta on jo valmiina ja käyttökuntoisena. Myös liitännät automaatiojärjestelmään ja muut kaapeloinnit on mahdollisesti toteutettavissa jo olemassa olevia hyödyntäen. Magnetointikaappien koot kasvavat harjattomaan magnetointijärjestelmän kaappeihin nähden, jos käytössä on staattinen magnetointijärjestelmä, selvästi suurempien virtojen vuoksi. Komponentit ovat mitoitukseltaan huomattavasti suurempia ja tämän vuoksi staattisen magnetoinnin säätöjärjestelmän hankinta on selvästi kalliimpaa. Jos generaattorin teho olisi esimerkkivoimalaitoksen 60 MVA suurempi, ratkaisuissa tarjottu 15 A virta magnetointigeneraattorille ei välttämättä olisi enää riittävä. Jos magnetointikoneelle tarvitaan suurempaa virtaa, voidaan käytettyyn jännitteensäätäjään kytkeä erillinen Unitrol 1000-PM40 tehomoduuli. Tällä moduulilla varustettuna saadaan esimerkkitapauksessa käytetyllä jännitteensäätäjällä ulostulovirta nostettua yli 15 ampeerin. Maksimi nimellisvirta olisi tällöin 40 ampeeria ja 10 sekunnin ajan pystyttäisiin syöttämään magnetointigeneraattorille 80 ampeerin virtaa [23]. Unitrol-sarjasta löytyy harjattomalle magnetointijärjestelmälle automaattisia jännitteensäätäjiä myös huomattavasti suuremmille magnetointivirroille. Suurempitehoisissa malleissa esimerkissä käytetyt IGB-transistorit korvataan tyristoreilla ja laitteen fyysinen koko suurenee. Kuvassa 7.3. on esitetty ABB Unitrol staattisten magnetointijärjestelmien ja automaattisten jännitteensäätäjien magnetointivirran tuottokyvyt. Yksittäisestä tuotteesta on olemassa useampaa variaatiota tarvittavan magnetointivirran ja muiden haluttujen ominaisuuksien mukaan. Staattiset magnetointijärjestelmät (engl. Static excitation systems) syöttävät suurempaa virtaa kuvan 7.3. mukaisesti, koska ne syöttävät generaattoria huomattavasti pienempitehoisen magnetointigeneraattorin sijaan. Laitetoimittajat tarjoavat magnetoinnin säätöjärjestelmiä staattiselle ja harjattomalle magnetointilaitteistolle laajalla generaattorin tehoalueella. [29]

74 66 Kuva 7.3. ABB Unitrol jännitteensäätäjien ja magnetointijärjestelmien saavutettava magnetointivirta [29]. Erilaisissa voimalaitoksissa voimakoneen tyypillä on vaikutuksensa generaattorin suojaukseen. Suojaustoiminnot eivät välttämättä eroa suuresti toisistaan, koska mahdolliset viat ovat vastaavia voimakoneesta riippumatta. Eri vikojen vakavuudet kuitenkin voivat erota huomattavasti, koska tietyt voimakonetyypit ovat herkempiä vaurioitumaan eri vikojen sattuessa. Turbiinien lavat ja pyörimisnopeudet poikkeavat toisistaan eri voimakoneiden välillä, joten erityisesti generaattorin pyörimisnopeuteen tai suuntaan vaikuttavilla vioilla on erilaiset vaikutukset voimakoneen tyypistä riippuen. Jos käytetään staattista magnetointijärjestelmää, suojaustoiminnot ovat pääosin samat muutamia suojaustoimintojen toteutustapojen eroavaisuuksia lukuun ottamatta. Esimerkiksi käytetty roottorin maasulkusuoja vaatisi erillisen syöttölaitteen. Harjattomalla magnetoinnilla ei tätä tarvita, koska näissä mitataan herätinkoneen piiriä eikä pääkoneen roottoria. Staattorin 100 % maasulkusuojaus todennäköisesti otettaisiin käyttöön jos kyseessä olisi vielä suurempitehoinen generaattori. Myös roottorin ylikuormitussuojaa suositellaan suojausjärjestelmään, kun generaattorin teho on yli 200 MVA [22]. Generaattorin koon kasvaessa myös varasuojauksen toteuttamiseen käytetään enemmän resursseja. Samoin magnetointi- ja tahdistuslaitteiston ja komponenttien kahdennuksen sekä varaosat otetaan käyttöön todennäköisemmin, kun generaattorilta vaaditaan häiriötöntä toimintaa. Tahdistuslaitteistossa ei syntyisi eroavaisuuksia, vaikka generaattorin koot tai voimakoneen tyyppi vaihtuisivatkin. Tahdistuslaitteiston tehtävänä on kuitenkin valvoa tahdistusehtojen toteutumista ja sulkea generaattorikatkaisija oikealla hetkellä. Generaattorin koosta ja voimakoneen tyypistä riippumatta tahdistusehdot ja -menetelmät pysyvät samana. Tahdistuslaitteiston redundanttisuutta voidaan kasvattaa samalla periaatteella, kuin suojauksen ja magnetoinnin kohdalla.