Generatorbeskerming – Tipes van foute & beskermingsapparate

Algemene Generator Foute en Beskermingstelsels
Indeling van Generator Foute

Generator foute word hoofsaaklik in interne en eksterne tipes geklassifiseer:

• Interne Foute: Kom voor uit probleme binne generatorkomponente.

• Eksterne Foute: Kom voor uit abnormaliteite in die bedryfstoestand of eksterne netwerkprobleme.

Foute in hoofaandrywings (bv. dieselmotors, turbines) is van mekaniese aard en word tydens die toerustingontwerp gedefinieer, alhoewel hulle met generatorbeskerming moet geïntegreer word vir trippingsdoeleindes.

Tipes Interne Foute
1. Stator Foute

• Winding Oververhitting: Veroorzaak deur permanente oorlast of isolasiebreekdoun.

• Fase-na-Fase Fout: Kom voor as gevolg van isolasiebreek tussen fases.

• Fase-na-Aarde Fout: Stromekluiting van fase windings na die stator raam.

• Inter-Turn Fout: Kortsluiting tussen nabyliggende spoelwendinge in dieselfde winding.

2. Rotor Foute

• Aarde Fout: Stromekluiting van rotor windings na die rotor as.

• Winding Kortsluiting: Verminder opwekkingsspanning en verhoog stroom in gewonde rotore.

• Oververhitting: Veroorzaak deur stator ongebalanceerde strome (bv. enkel-pol trip, negatiewe fase ryk).

3. Verlies van Veld/Opwekking

• Reaktiewe krag vloei in die generator, wat dit laat as 'n induksiegenerator loop en sinchronisiteit verloor.

4. Uit-stap Bedryf

• Meganiese spannings op die as en spanningswisseling as gevolg van sinchronisiteit-verlies met die rooster.

5. Motor Bedryf

• Generator trek krag van die rooster wanneer hoofaandrywingvoorsiening faal (bv. stoom/water verlies), wat risiko's van oververhitting of kavitasie in turbines inhou.

6. Meganiese Foute

• Lager oververhitting, smeroliedrukverlies, en te veel vibrasie.

Meganisme van Rotor Oververhitting

Ongebalanceerde statorstrome (bv. negatiewe fase ryk) induseer eddy strome in die rotor teen twee keer die stelsel frekwensie (100/120 Hz), wat plaaslike oververhitting veroorsaak. Dit verzwak rotor behouwedges en ringe.

Tipes Eksterne Foute
Kragstelsel Abnormaliteite

• Eksterne Kortsluitings: Foute op die rooster wat generatorbedryf beïnvloed.

• Nie-gesinkroniseerde Verbinding: Skade as gevolg van onjuiste generator paralleling.

• Oorlast/Overspoed: Veroorzaak deur plotselinge last afsmiting of hoofaandrywingbeheerfaal.

• Fase Ongebalans/Negatiewe Ryk: Induseer rotor eddy strome en oververhitting.

• Frekwensie/Spanning Afwyking: Onder/bo-frekwensie of -spanning wat generatorkomponente belast.

Generator Beskermingsapparate
Belangrike Beskermingskemas
1. Stator Fout Beskerming

• Differensiaal Relais: Detekteer fase-na-fase en fase-na-aarde foute deur invoer/uitvoer strome te vergelyk.

• Aarde Fout Beskerming: Gebruik oorstroom relais (vir weerstandsgrounding) of spanningsrelais (vir transformergrounding) om stator grond foute te detekteer.

2. Rotor Fout Beskerming

• Aarde fout relais moniteer isolasiebreek tussen rotor windings en die as.

3. Ongebalanceerde Last Beskerming

• Moniteer negatiewe fase ryk strome en verlies van opwekking, wat reaktiewe kragvloei probleme veroorsaak.

4. Oververhittings Beskerming

• Termiese relais of temperatuursensore detekteer stator winding en lager oververhitting; negatiewe fase ryk relais handel rotor verhitting aan.

5. Meganiese Beskerming

• Overspoed relais, vibrasiesensore, en laag vakuum/druk skakele beskerm teen hoofaandrywing en turbine faal.

6. Reserwe en Bykomende Beskerming

• Omgewende krag relais voorkom motorbedryf, terwyl differensiaal relais vir stator aarde foute primêre foutdeteksie verskaf (sien Figuur 1 vir tipiese verbindinge).

• Differensiaal Relais: Vergelyk strome aan beide ende van stator windings om interne foute te detekteer.

Beskermingsprinsipes

• Nul-Ryks Spanningsdeteksie: Identifiseer inter-turn foute deur spanningsonevenwigt via spanningstransformers (VT) te moniteer.

• Grounding Sisteem Aanpassing: Beskermingskemas varieer gebaseer op stator grounding metodes (weerstand of transformergrounding), gebruik CTs of VTs om foutsrome/spannings te verken.

Rotor Winding Fout Beskermingsmekanismes

Gewonde rotor winding kortsluiting foute word beskerm deur oorstroom relais, wat die generator trip as gevolg van abnormale stroomsurges. Aarde foute stel 'n ander risiko vir rotor windings, hoewel hul beskerming gespesialiseerde benaderings vereis.

In groot termiese generators is rotor of veld windings tipies ongeground, wat beteken dat 'n enkele grond fout nie 'n foutstroom produseer nie. So 'n fout verhoog egter die potensiaal van die hele veld en opwekkerstelsel. Ekstra spannings wat deur die opening van die veld of hoof generator skakele geïnduseer word – veral tydens fouttoestande – kan die veld winding isolasie belast, wat potensieel 'n tweede grond fout kan veroorsaak. 'n Tweede fout kan lei tot plaaslike yser verhitting, rotor vervorming, en gevaarlike meganiese ongebalans.

Rotor aarde fout beskerming gebruik dikwels 'n relais wat isolasie moniteer deur 'n bykomende AC-spanning toe te pas op die rotor. Alternatief word 'n spanningsrelais in reeks met 'n hoë-weerstandsnetwerk (gewoonlik 'n kombinasie van lineêre en nie-lineêre weerstande) oor die rotor sirkel gebruik. Die middelpunt van hierdie netwerk verbind met die grond via 'n sensitiewe relais spoel (ANSI/IEEE/IEC kode 64). Moderne beskermingskemas gun steeds meer kombinasies van lineêre en nie-lineêre weerstande vir verbeterde foutdeteksie en isolasie monitering.

Verlies van Veld en Ooropwekking Beskermingsmekanismes

Verlies van veld beskerming gebruik 'n relais om veranderinge in reaktiewe kragvloei te detekteer. 'n Tipiese skema gebruik 'n Offset Mho (impedans) relais – 'n enkelfas toestel gevoed deur generator stroomtransformers (CTs) en spanningstransformers (VTs) – om laasimpedans te meet. Die relais aktiveer wanneer die impedans binne sy werkingseigenskap val. 'n Tydrelais initieer generator tripping as leidende reaktiewe krag vir 1 sekonde (standaard tyd) voortduur.

Ooropwekking Beskerming

Om kernverzadiging tydens opstart en afskakeling te voorkom, word ooropwekking beskerming (ANSI/IEEE/IEC kode 59) geïmplementeer, gebaseer op die verhouding:B = V/f
waar:

• B = magtige flux digtheid (tesla, T)

• V = aangebragte spanning (volte, V)

• f = frekwensie (hertz, Hz)

Kernflux moet onder die verzadigingspunt bly, wat beteken dat spanning slegs proporsioneel met frekwensie (spoed) kan verhoog. Vinnige opwekking verhoog die risiko van ooropwekking, wat deur Volts per Hertz relais gedetekteer word. Hierdie relais het lineêre eienskappe en trip wanneer V/f oor gestelde grense gaan.

Stator en Rotor Oververhittings Beskerming

• Stator Windings & Lagere: Temperatuurmonitering deur middel van weerstandstemperatuurdetectoren (RTDs) en thermistore.

• Stator Fase Ongebalans: Tydinverse oorstroom relais ingestel op die rotor se maksimum hitteverdraagsaamheid.

• Negatiewe Fase Ryk Beskerming: Beskerm die masjien teen rotor oververhitting veroorsaak deur ongebalanceerde stator strome, wat skadelike eddy strome in die rotor induseer.

Betroubare beskermingstelsels is krities om skade en hersteltyd te minimeer, aangesien generators een van die duurste komponente in die kragstelsel is.

Hierdie beskerming maak gebruik van 'n relais wat strome in twee fases via stroomtransformers (CTs) vergelyk, soos in Figuur 2 getoon. Die beskermingsinstellings word bepaal deur die maksimum tyd wat die rotor hitte kan verdra, gedefinieer deur die vergelyking K = I²t (afgelei van Joule se wet), waar I die negatiewe fase stroom is en t die duur.

Vervaardiger-gespesifiseerde tipiese tyd-stroom kurwes vir hierdie toestand varieer gebaseer op die hoofaandrywingstipe, soos in die verwysde diagram getoon.

Omgewende Krag, Uit-stap, en Frekwensie/Spanning Beskermingstelsels
Omgewende Krag Beskerming (ANSI/IEEE/IEC Kode 32)

Hierdie beskerming gebruik 'n kragrigting relais om generatorlas te moniteer, gevoed deur CTs en VTs (sien Figuur 3). Die relais aktiveer wanneer negatiewe kragvloei gedetekteer word – wat dui dat die generator krag van die rooster trek (motorbedryf) – en activeer tripping om turbineskade te voorkom.

Uit-stap Beskerming

Ontwerp om kragstelsel stoornisse (nie generator foute nie) te detekteer, hierdie beskerming identifiseer poolglip wanneer die generator sinchronisiteit verloor. Dit trip die generator skakele terwyl die turbine voortgaan om te draai, wat resynchronisering nadat die stoornis verdwyn moontlik maak.

• Operasie Prinsip: Drie impedans relais meet lasimpedans. Tripping vind plaas as die relais in 'n spesifieke volgorde aktiveer tydens kragswaai, wat dit onderskei van verlies van opwekking (wat by nul veld gebeur) en bedryf met die generator by vol veld.

Frekwensie en Spanning Beskerming
Onder/Bo Frekwensie Beskerming (ANSI/IEEE/IEC Kode 81)

• Bofrekwensie: Veroorzaak deur plotselinge last afsmiting, wat oorspanning kan veroorsaak indien nie bestuur word nie. Generatorbeheer moet uitset aanpas om vraag te pas.

• Onderfrekwensie: Resulteer uit onvoldoende generasie vir aangesigte laste, wat spanningsval, verhoogde opwekking, en rotor/stator oververhitting veroorsaak. Last afsmiting is krities om stelsel instorting te voorkom.

Onder/Bo Spanning Relais (Kodes 27/59)

Moniteer en beheer spanning afwykings om toerusting teen spanning of skade te beskerm.

Fase Bykomende Start Beskerming

Voorkom die opstart van die generator in 'n fout of belaste toestand. Laag-ingestelde oorstroom relais aktiveer slegs wanneer frekwensie onder 52 Hz (vir 60 Hz stelsels) of 42 Hz (vir 50 Hz stelsels) is, wat beskerming tydens opstarttransiënte verseker.

Eksterne Kortsluiting Beskerming

Oorstroom relais (50, 50N, 51, 51N) detekteer en skoon foute op die eksterne netwerk, wat die generator beskerm teen oormaatlike foutstrome.

Hierdie beskermingskemas adresseer kollektief operasie abnormaliteite – van kragvloei reversies tot stelselwye stoornisse – om generator integriteit en rooster stabiliteit te verseker.