Generatorbeskyttelse – Typer af fejl & beskyttelsesenheder

Almindelige generatorfejl og beskyttelsessystemer
Klassificering af generatorfejl

Generatorfejl kan primært inddeles i interne og eksterne typer:

• Interne Fejl: Opstår på grund af problemer med generatorkomponenter.

• Eksterne Fejl: Skyldes ualmindelige driftsforhold eller eksterne netværksproblemer.

Fejl i drivmaskiner (f.eks. dieselmotorer, turbiner) er mekanisk natur og defineret under udstyrudvikling, men de skal integreres med generatorbeskyttelser for at aktivere udskæring.

Typer Interne Fejl
1. Statorfejl

• Vindingsoverophedning: Forårsaget af permanente overbelastninger eller isoleringsnedbrydning.

• Fase til Fase Fejl: Forekommer på grund af isoleringsnedbrydning mellem faser.

• Fase til Jorde Fejl: Strømledelse fra fasevindinger til statorrammen.

• Omvending Fejl: Kortslutning mellem nabovendinger i samme vinding.

2. Rotorfejl

• Jorde Fejl: Strømledelse fra rotorvindinger til rotorskakten.

• Vinding Kortslutning: Reducerer opspændingsvoltage og øger strømmen i vindede rotorer.

• Overophedning: Forårsaget af ubalanceret statorstrøm (f.eks. enpolig udskæring, negativ fasensekvens).

3. Mangel på Felt/Opbygning

• Reaktiv effekt flyder ind i generatoren, hvilket får den til at køre som en induktionsgenerator og miste synkronisme.

4. Udenfor Trin

• Mekaniske spændinger på skakten og spændingssvingninger på grund af mistet synkronisme med nettet.

5. Motoroperation

• Generatoren trækker effekt fra nettet, når drivmaskineforsyningen mislykkes (f.eks. damp/vandtab), hvilket risikerer overophedning eller kavitation i turbiner.

6. Mekaniske Fejl

• Lageroverophedning, tab af smøreolie tryk og overdreven vibration.

Mekanisme for Rotoroverophedning

Ubalanceret statorstrøm (f.eks. negativ fasensekvens) inducerer eddystrømme i rotoren ved dobbelt systemfrekvens (100/120 Hz), hvilket forårsager lokal overophedning. Dette svækker rotorens fastholdende klods og ringe.

Typer Eksterne Fejl
Strømsystem Anomalier

• Eksterne Kortslutninger: Fejl på nettet, der påvirker generatoroperationen.

• Ikke-synkroniseret Tilslutning: Skade fra forkert parallelling af generatorer.

• Overbelastning/Overspeed: Forårsaget af pludselig lastafkast eller kontrolfejl i drivmaskinen.

• Fase Ubalance/Negativ Sekvens: Inducerer rotor eddystrømme og overophedning.

• Frekvens/Spændingsafvigelse: Under/over frekvens eller spænding, der belaster generatorkomponenter.

Generatorbeskyttelsesenheder
Nøglebeskyttelsesschemas
1. Statorfejlbeskyttelse

• Differentialrelæ: Detekterer fase til fase og fase til jord fejl ved sammenligning af input/output strømme.

• Jorde Fejlbeskyttelse: Bruger overstrøm relæer (for resistivt jordlag) eller spændingsrelæer (for transformatorjordlag) til at detektere statorjordfejl.

2. Rotorfejlbeskyttelse

• Jorde fejlrelæer overvåger isoleringsnedbrydning mellem rotorvindinger og skakten.

3. Ubalancebelastningsbeskyttelse

• Overvåger negative fasensekvensstrømme og mangel på opbygning, der forårsager reaktiv effektflowproblemer.

4. Overophedningsbeskyttelse

• Termiske relæer eller temperatursensorer detekterer statorvinding og lageroverophedning; negative fasensekvensrelæer behandler rotorophedning.

5. Mekanisk Beskyttelse

• Overspeed relæer, vibrationsensorer og lav vakuum/trykswitcher beskytter mod drivmaskine- og turbinefejl.

6. Backup og Supplementær Beskyttelse

• Omvendt effekt relæer forhindrer motoroperation, mens differentialrelæer for statorjordfejl leverer primær fejldetektion (se figur 1 for typiske forbindelser).

• Differential Relæer: Sammenligner strømme ved begge ender af statorvindinger for at detektere interne fejl.

Beskyttelsesprincipper

• Nul-sekvens Spændingsdetektion: Identifierer omvending fejl ved at overvåge spændingsubalancer via spændingstransformatorer (VT).

• Jordlagssystemtilpasning: Beskyttelsesschemas varierer baseret på statorjordlagmetoder (resistivt eller transformatorjordlag), ved hjælp af CT'er eller VT'er til at registrere fejlstrømme/spændinger.

Rotor Vinding Fejlbeskyttelsesmekanismer

Kortslutningsfejl i vindede rotorer sikres af overstrøm relæer, der aktiverer generatoren ved at detektere anormale strømstød. Jorde fejl udgør en anden risiko for rotorvindinger, selvom deres beskyttelse kræver specialiserede metoder.

I store termiske generatorer er rotor- eller feltvindinger normalt ikke-jordlagt, hvilket betyder, at en enkelt jordefejl ikke producerer en fejlstrøm. Dog forhøjer sådan en fejl potentialet for hele felt- og opbygningsystemet. Yderligere spændinger, induceret ved åbning af feltet eller hovedgeneratorbryder - især under fejlforhold - kan stressere feltvindingens isolation, potentielt forårsage en anden jordefejl. En anden fejl kan føre til lokal jernophedning, rotores forvrængning og farlige mekaniske ubalancer.

Rotor jordefejlbeskyttelse anvender ofte et relæ, der overvåger isolation ved at anvende en hjælpe AC-spænding til rotoren. Alternativt bruges et spændingsrelæ i serie med et høj-resistansnetværk (typisk en kombination af lineære og ikke-lineære resistorer) tværs over rotorcirkuitet. Midtpunktet af dette netværk forbinder til jorden gennem et sensitivt relæspol (ANSI/IEEE/IEC kode 64). Moderne beskyttelsesschemas foretrækker stadig mere kombinationer af lineære og ikke-lineære resistorer for forbedret fejldetektion og isolationsovervågning.

Mangel på Felt og Overopbygning Beskyttelsesmekanismer

Mangel på feltbeskyttelse anvender et relæ til at detektere ændringer i reaktiv effektflow. Et typisk schema anvender et Offset Mho (impedance) relæ - en enfasenhed forsynet af generatorstrømtransformatorer (CT'er) og spændingstransformatorer (VT'er) - til at måle lastimpedance. Relæet aktiveres, når impedancen falder inden for dets driftsegenskaber. Et tidsrelæ initierer generatorudskæring, hvis ledende reaktiv effekt fortsætter i 1 sekund (standard timing).

Overopbygningsbeskyttelse

For at forhindre kerneoversættelse under start og stop anvendes overopbygningsbeskyttelse (ANSI/IEEE/IEC kode 59), baseret på forholdet:B = V/f
hvor:

• B = magnetisk fluxtetthed (tesla, T)

• V = anvendt spænding (volt, V)

• f = frekvens (hertz, Hz)

Kerneflux skal forblive under sattingspunktet, hvilket betyder, at spændingen kun kan stige proportional med frekvensen (hastighed). Hurtig opbygning øger risikoen for overopbygning, der detekteres af Volt per Hertz relæer. Disse relæer har lineære egenskaber og aktiveres, når V/f overskrider sætte grænser.

Stator- og Rotoroverophedningsbeskyttelse

• Statorvindinger & Lager: Temperaturmonitoring ved hjælp af resistans temperaturdetektører (RTD'er) og termistorer.

• Stator fase ubalance: Tids-inverse overstrøm relæer sat til rotorens maksimale varmetolerance.

• Negativ fase sekvensbeskyttelse: Beskytter maskinen mod rotoroverophedning, forårsaget af ubalanceret statorstrøm, der inducerer skadelige eddystrømme i rotoren.

Pålidelige beskyttelsessystems er afgørende for at minimere skade og reparations tid, da generatorer er blandt de mest dyre komponenter i strømsystemer.

Denne beskyttelse anvender et relæ, der sammenligner strømme i to faser via strømtransformatorer (CT'er), som illustreret i figur 2. De beskyttende indstillinger fastsættes af den maksimale tid, rotoren kan udstå overophedning, defineret af ligningen K = I²t (afledt fra Joules lov), hvor I er den negative fase sekvensstrøm og t er varigheden.

Producent-specifikke typiske tids-strøm kurver for dette tilstand varierer baseret på drivmaskinetype, som vist i den refererede diagram.

Omvendt Effekt, Udenfor Trin, og Frekvens/Spændingsbeskyttelsessystemer
Omvendt Effektbeskyttelse (ANSI/IEEE/IEC Kode 32)

Denne beskyttelse anvender et effekt retningsrelæ til at overvåge generatorlast, forsynet af CT'er og VT'er (se figur 3). Relæet aktiveres ved at detektere negativ effektflow - indikerer, at generatoren trækker effekt fra nettet (motoroperation) - og aktiverer udskæring for at forhindre turbinedamage.

Udenfor Trinbeskyttelse

Designet til at detektere strømsystemdisturbancer (ikke generatorfejl), denne beskyttelse identificerer polglidning, når generatoren mister synkronisme. Den aktiverer generatorbrydere, mens turbinen fortsætter at køre, hvilket tillader gen-synkronisering efter disturbancen er fjernet.

• Driftsprincip: Tre impedance relæer måler lastimpedance. Udsagnet finder sted, hvis relæerne aktiveres i en bestemt rækkefølge under effektswing, der adskiller det fra mangel på opbygning (som sker ved nul felt) og drift med generatoren ved fuldt felt.

Frekvens- og Spændingsbeskyttelse
Under/Over Frekvensbeskyttelse (ANSI/IEEE/IEC Kode 81)

• Overfrekvens: Forårsaget af pludselig lastafkast, risikerer overvoltage, hvis ikke det håndteres. Generatorkontroller må justere output for at matche efterspørgsel.

• Underfrekvens: Resultat af utilstrækkelig produktion for tilsluttede laster, der fører til spændningsfald, øget opbygning og rotor/statoroverophedning. Lastafkast er afgørende for at forhindre systemkollaps.

Under/Over Spændingsrelæer (Koder 27/59)

Overvåger og kontrollerer spændingsafvigelser for at beskytte udstyr mod stress eller skade.

Fase Supplerende Startbeskyttelse

Forhindrer start af generatoren i en fejl eller lastet tilstand. Lav-indstillede overstrøm relæer aktiveres kun, når frekvensen er under 52 Hz (for 60 Hz systemer) eller 42 Hz (for 50 Hz systemer), der sikrer beskyttelse under starttransienter.

Ekstern Kortslutningsbeskyttelse

Overstrøm relæer (50, 50N, 51, 51N) detekterer og rydder fejl i det eksterne netværk, der beskytter generatoren mod excessive fejlstrømme.

Disse beskyttelsesschemas adresserer kollektivt driftsanomalier - fra effektflow reverseringer til systembredde disturbancer - for at sikre generatorintegritet og nettets stabilitet.