Generátorová ochrana – Typy poruch a ochranné zařízení

Běžné poruchy generátorů a ochranné systémy
Klasifikace poruch generátorů

Poruchy generátoru jsou především rozděleny na interní a externí typy:

• Interní poruchy: Vznikají z problémů uvnitř komponent generátoru.

• Externí poruchy: Plynou z neobvyklých pracovních podmínek nebo problémů s externí sítí.

Poruchy pohonů (např. dieselových motorů, turbín) jsou mechanické povahy a definují se během návrhu zařízení, i když musí být integrovány s ochranou generátoru pro účely vypnutí.

Typy interních poruch
1. Poruchy statoru

• Přetopení vinutí: Způsobené trvalými přetíženími nebo selháním izolace.

• Fázová porucha: Vzniká kvůli selhání izolace mezi fázemi.

• Fázová porucha na zem: Unikání proudu z fázových vinutí do rámce statoru.

• Mezivitková porucha: Krátké spojení mezi sousedními vity ve stejném vinutí.

2. Poruchy rotoru

• Porucha na zem: Unikání proudu z rotorových vinutí na hřídel rotoru.

• Krátké spojení vinutí: Snížení napětí excitačního systému a zvýšení proudu v vinutých rotorech.

• Přetopení: Způsobeno nerovnováhou proudů v statoru (např. jednofázové vypnutí, negativní fázová posloupnost).

3. Ztráta pole/excitačního systému

• Reaktivní mocnost teče do generátoru, což ho nutí pracovat jako indukční generátor a ztrácí synchronizaci.

4. Asynchronní provoz

• Mechanické namáhání hřídele a kolísání napětí v důsledku ztráty synchronizace se sítí.

5. Motorový provoz

• Generátor bere energii ze sítě, pokud dojde k selhání dodávky pohonného stroje (např. ztráta páry/vody), což může vést k přetopení nebo kavitaci v turbínách.

6. Mechanické poruchy

• Přetopení ložisek, ztráta tlaku mazacího oleje a nadměrné vibrovaní.

Mechanismus přetopení rotoru

Nerovnováha proudů v statoru (např. negativní fázová posloupnost) indukuje eddy proudy v rotoru s dvojnásobnou frekvencí systému (100/120 Hz), což způsobuje lokální přetopení. To oslabuje držící klínky a kroužky rotoru.

Typy externích poruch
Nestandardy elektrického systému

• Externí krátké spojení: Poruchy v síti ovlivňující chod generátoru.

• Nesynchronizované připojení: Poškození z důvodu nesprávného paralelního spojení generátoru.

• Přetížení/překmitnutí: Způsobené náhlým odpojením zátěže nebo selháním řízení pohonného stroje.

• Fázová nerovnováha/negativní fázová posloupnost: Indukuje eddy proudy v rotoru a přetopení.

• Odchylky frekvence/napětí: Pod/nadfrekvence nebo nad/podnapětí stresující komponenty generátoru.

Ochranné zařízení generátoru
Klíčové ochranné schémata
1. Ochrana statoru

• Diferenciální relé: Detekuje fázové a fázové poruchy na zem tím, že porovnává vstupní a výstupní proudy.

• Ochrana proti poruchám na zem: Používá přetížová relé (pro odporové zapojení) nebo napěťová relé (pro transformátorové zapojení) pro detekci poruch statoru na zem.

2. Ochrana rotoru

• Relé proti poruchám na zem monitorují selhání izolace mezi rotorovými vinutími a hřídelem.

3. Ochrana proti nerovnoměrnému zatěžování

• Monitoruje negativní fázovou posloupnost proudu a ztrátu excitace, které způsobují problémy s tokem reaktivní mocnosti.

4. Ochrana proti přetopení

• Termorelé nebo teplotní čidlo detekuje přetopení vinutí statoru a ložisek; relé negativní fázové posloupnosti řeší přetopení rotoru.

5. Mechanická ochrana

• Relé překmitnutí, senzory vibrovaní a spínače nízkého vakua/tlaku chrání před selháním pohonného stroje a turbíny.

6. Záložní a doplňková ochrana

• Relé obrácené mocnosti brání motorovému provozu, zatímco diferenciální relé pro poruchy statoru na zem poskytuje hlavní detekci poruch (viz obrázek 1 pro typické zapojení).

• Diferenciální relé: Porovnávají proudy na obou koncích vinutí statoru pro detekci interních poruch.

Principy ochrany

• Detekce nulové sekvence napětí: Identifikuje mezivitkové poruchy sledováním nerovnováhy napětí prostřednictvím napěťových transformátorů (VT).

• Přizpůsobení zapojení zemnice: Ochranná schémata se liší podle způsobu zapojení statoru (odporové nebo transformátorové), používají CT nebo VT pro detekci poruchových proudů/napětí.

Mechanismy ochrany rotorových vinutí

Krátce spojené poruchy vinutí rotoru jsou chráněny přetížovými relémi, které vypínají generátor po detekci neobvyklých výskytů proudu. Poruchy na zem představují další riziko pro rotorová vinutí, ačkoli jejich ochrana vyžaduje specializované přístupy.

U velkých tepelných generátorů jsou rotorová nebo polní vinutí obvykle nezemně zapojena, což znamená, že jediná porucha na zem neprodukuje poruchový proud. Nicméně, taková porucha zvyšuje potenciál celého polního a excitačního systému. Dodatečné napětí způsobené otevřením polního nebo hlavního spínače generátoru – zejména za podmínek poruchy – může stresovat izolaci polního vinutí, což může způsobit druhou poruchu na zem. Druhá porucha může vést k lokálnímu ohřevu železa, deformaci rotoru a nebezpečnému mechanickému nerovnováží.

Ochrana proti poruchám na zem rotoru často používá relé, které monitoruje izolaci aplikací pomocného AC napětí na rotor. Alternativně se používá napěťové relé v sérii s vysokoodporovou sítí (obvykle kombinací lineárních a nelineárních odporníků) napříč rotorovým obvodem. Středový bod této sítě je spojen s zemí přes citlivou cívku relé (ANSI/IEEE/IEC kód 64). Moderní ochranná schémata čím dál více preferují kombinace lineárních a nelineárních odporníků pro lepší detekci poruch a monitorování izolace.

Mechanismy ochrany před ztrátou pole a přepřetížením

Ochrana před ztrátou pole používá relé pro detekci změn toku reaktivní mocnosti. Typické schéma používá Offset Mho (impedanční) relé – jednofázové zařízení zásobované transformátory proudů (CT) a napětí (VT) generátoru – pro měření impedanční zátěže. Relé aktivuje, když impedanční hodnota padne do jeho charakteristiky. Časové relé iniciové vypnutí generátoru, pokud přední reaktivní mocnost trvá 1 sekundu (standardní časování).

Ochrana před přepřetížením

Pro prevenci nasycení jádra během startu a vypnutí je implementována ochrana před přepřetížením (ANSI/IEEE/IEC kód 59), založená na vztahu:B = V/f
kde:

• B = magnetická intenzita (tesla, T)

• V = aplikované napětí (volty, V)

• f = frekvence (hertz, Hz)

Magnetický tok musí zůstat pod hranicí nasycení, což znamená, že napětí může rostout pouze proporcionálně s frekvencí (rychlostí). Rychlá exicitace zvyšuje riziko přepřetížení, které je detekováno relémi Volts per Hertz. Tyto relé mají lineární charakteristiku a vypínají, když V/f přesáhne nastavenou hranici.

Ochrana před přetopením statoru a rotoru

• Vinutí statoru a ložiska: Monitorování teploty pomocí odporových teplotních čidel (RTD) a termistorů.

• Fázová nerovnováha statoru: Inverzní přetížová relé nastavená na maximální tepelnou tolerance rotoru.

• Ochrana proti negativní fázové posloupnosti: Chrání stroj před přetopením rotoru způsobeným nerovnovážnými proudy statoru, které indukují škodlivé eddy proudy v rotoru.

Spolehlivé ochranné systémy jsou klíčové pro minimalizaci poškození a doby opravy, protože generátory patří mezi nejdražší komponenty elektrického systému.

Tato ochrana využívá relé, které porovnává proudy v dvou fázích prostřednictvím transformátorů proudů (CT), jak je znázorněno na obrázku 2. Ochranná nastavení jsou určena maximálním časem, po který rotor může snést přetopení, definovaným rovnicí K = I²t (odvozeno z Jouleova zákona), kde I je negativní fázový proud a t je doba trvání.

Typické časové-průběžné křivky pro tento stav specifikované výrobce se liší v závislosti na typu pohonného stroje, jak je znázorněno v referenčním diagramu.

Ochrana proti obrácené mocnosti, asynchronnímu provozu a frekvenci/napětí
Ochrana proti obrácené mocnosti (ANSI/IEEE/IEC kód 32)

Tato ochrana používá směrové relé pro monitorování zátěže generátoru, zásobované transformátory proudů (CT) a napětí (VT) (viz obrázek 3). Relé aktivuje po detekci záporného toky mocnosti, což indikuje, že generátor bere energii ze sítě (motorový provoz), a iniciuje vypnutí pro prevenci poškození turbíny.

Ochrana proti asynchronnímu provozu

Navržena k detekci poruch elektrického systému (nikoliv poruch generátoru), tato ochrana identifikuje skluz pólu, když generátor ztrácí synchronizaci. Vypíná spínače generátoru, zatímco turbína pokračuje v chodu, umožňuje resynchronizaci po odstranění poruchy.

• Princip fungování: Tři impedanční relé měří zátěžovou impedanci. Vypnutí nastane, pokud relé aktivují v konkrétním pořadí během otáčení, což je odlišné od ztráty excitace (která nastává při nulovém poli) a provozu generátoru s plným polem.

Ochrana proti frekvenci a napětí
Ochrana proti pod/nadfrekvenci (ANSI/IEEE/IEC kód 81)

• Nadfrekvence: Způsobena náhlým odpojením zátěže, s rizikem přetížení, pokud není spravována. Řízení generátoru musí upravit výkon tak, aby odpovídal poptávce.

• Podfrekvence: Vzniká z nedostatečné produkce pro připojené zátěže, což vede k poklesu napětí, zvýšení excitace a přetopení rotoru a statoru. Odpojení zátěže je klíčové pro prevenci kolapsu systému.

Relé pro pod/nadnapětí (kódy 27/59)

Monitorují a kontrolovají odchylky napětí, aby chránily zařízení před stresem nebo poškozením.

Doplňková ochrana při startu

Prevence startu generátoru do poruchy nebo zatěžovaného stavu. Nízkonastavená přetížová relé se zapínají pouze tehdy, když frekvence je nižší než 52 Hz (pro systémy 60 Hz) nebo 42 Hz (pro systémy 50 Hz), což zajišťuje ochranu během transienčních stavů při startu.

Ochrana proti externím krátkým spojením

Přetížová relé (50, 50N, 51, 51N) detekují a likvidují poruchy na externí síti, chráníce generátor před nadměrnými poruchovými proudy.

Tyto ochranné schémata kolektivně řeší operační anomálie – od obráceného toku energie až po systémové poruchy – zajišťují integrity generátoru a stability sítě.