Generator-Schutz – Arten von Fehlern und Schutzeinrichtungen

Häufige Generatorfehler und Schutzsysteme
Klassifizierung von Generatorfehlern

Generatorfehler werden hauptsächlich in interne und externe Kategorien unterteilt:

• Interne Fehler: Entstehen aus Problemen innerhalb der Generatorkomponenten.

• Externe Fehler: Stammen von ungewöhnlichen Betriebsbedingungen oder externen Netzproblemen.

Fehler an den Primärtriebwerken (z. B. Dieselmotoren, Turbinen) sind mechanischer Natur und werden während der Ausrüstungsplanung definiert, obwohl sie mit Generatorschutzsystemen integriert werden müssen, um Auslösefunktionen zu ermöglichen.

Arten von internen Fehlern
1. Statorfehler

• Wicklungsaufheizung: Verursacht durch dauerhafte Überlast oder Isolierstoffbruch.

• Phasen-zu-Phasen-Fehler: Entsteht aufgrund von Isolierstoffversagen zwischen den Phasen.

• Phasen-zu-Erde-Fehler: Stromleckage von den Phasenwicklungen zum Statorrahmen.

• Zwischenwendelfehler: Kurzschluss zwischen benachbarten Wendeln in der gleichen Wicklung.

2. Rotorfehler

• Erdfehler: Stromleckage von den Rotorwicklungen zur Rotorscheibe.

• Wicklungskurzschluss: Verringert die Erregerspannung und erhöht den Strom in gewickelten Rotoren.

• Überhitzung: Verursacht durch ungleichmäßige Statorströme (z. B. Einpolabschaltung, negative Phasenfolge).

3. Verlust des Feldes/Erregers

• Reaktive Leistung fließt in den Generator, was ihn als Induktionsgenerator laufen lässt und die Synchronisation verliert.

4. Außer-Schritt-Betrieb

• Mechanische Belastungen am Wellenstrang und Spannungsschwankungen aufgrund des Verlusts der Synchronisation mit dem Netz.

5. Motorbetrieb

• Der Generator zieht Energie aus dem Netz, wenn die Versorgung des Primärtriebwerks versagt (z. B. Dampf/Wasserverlust), was eine Überhitzung oder Kavitation in Turbinen riskiert.

6. Mechanische Fehler

• Lagerüberhitzung, Verlust des Schmieröl Drucks und übermäßige Vibrationen.

Mechanismus der Rotorüberhitzung

Ungleichmäßige Statorströme (z. B. negative Phasenfolge) induzieren Wirbelströme im Rotor mit zweifacher Systemfrequenz (100/120 Hz), was zu lokaler Überhitzung führt. Dies schwächt die Rotorhalterungen und -ringe.

Arten von externen Fehlern
Netzanomalien

• Externe Kurzschlüsse: Fehler im Netz, die den Generatorbetrieb beeinträchtigen.

• Nicht-synchronisierte Verbindung: Schäden durch fehlerhaftes Parallelschalten des Generators.

• Überlast/Überdrehzahl: Verursacht durch plötzliche Lastabwürfe oder Steuerungsfehler des Primärtriebwerks.

• Phasenungleichgewicht/Negative Phasenfolge: Induziert Wirbelströme im Rotor und führt zu Überhitzung.

• Frequenz/Spannungsabweichungen: Unter- oder Überspannung, die die Generatorkomponenten belasten.

Generatorschutzgeräte
Wichtige Schutzkonzepte
1. Statorfehlerschutz

• Differenzrelais: Erkennen Phasen-zu-Phasen- und Phasen-zu-Erde-Fehler, indem sie die Eingangs- und Ausgangsströme vergleichen.

• Erdschutz: Nutzen Überstromrelais (für Widerstandserdung) oder Spannungsrelais (für Transformatorenerdung), um Statorerdfehler zu erkennen.

2. Rotorfehlerschutz

• Erdfehlerrelais überwachen das Isolierstoffversagen zwischen Rotorwicklungen und der Welle.

3. Ungleichmäßige Belastungsschutz

• Überwacht negative Phasenfolgeströme und Verlust der Erregung, die reaktive Leistungsflussprobleme verursachen.

4. Überhitzungsschutz

• Thermorelais oder Temperatursensoren erkennen Statorwicklungs- und Lagerüberhitzung; negative Phasenfolgerelais adressieren Rotorheizung.

5. Mechanischer Schutz

• Überdrehzahlrelais, Vibrationsensoren und Niedrigvakuums-/Druckschalter schützen vor Fehlern des Primärtriebwerks und der Turbine.

6. Backup- und ergänzender Schutz

• Rückwirkungsleistungrelais verhindern Motorenbetrieb, während Differenzrelais für Statorerdfehler die primäre Fehlererkennung bieten (siehe Abbildung 1 für typische Verbindungen).

• Differenzrelais: Vergleichen Ströme an beiden Enden der Statorwicklungen, um interne Fehler zu erkennen.

Schutzprinzipien

• Nullfolgen-Spannungserkennung: Identifiziert Zwischenwendelfehler, indem sie Spannungsungleichgewichte über Spannungswandler (VT) überwacht.

• Erdungssystemanpassung: Schutzkonzepte variieren je nach Statorerdungsmethode (Widerstand oder Transformatorerdung), wobei CTs oder VTs verwendet werden, um Fehlerströme/Spannungen zu erfassen.

Rotorwicklungsfehlerschutzmechanismen

Kurzschlussfehler in gewickelten Rotorwicklungen werden durch Überstromrelais geschützt, die den Generator bei Erkennung von abnormalen Stromspitzen abschalten. Erdfehler stellen eine weitere Gefahr für Rotorwicklungen dar, deren Schutz jedoch spezialisierte Ansätze erfordert.

In großen thermischen Generatoren sind Rotor- oder Feldwicklungen in der Regel nicht geerdet, was bedeutet, dass ein einzelner Erdfehler keinen Fehlerstrom erzeugt. Solch ein Fehler erhöht jedoch das Potential des gesamten Feldes und des Anreizersystems. Zusätzliche Spannungen, die durch das Öffnen des Feldes oder des Hauptgeneratorschalters entstehen – insbesondere während Fehlerbedingungen – können die Feldwicklungsisolierung belasten und möglicherweise einen zweiten Erdfehler verursachen. Ein zweiter Fehler kann zu lokalisiertem Eisenaufheizen, Rotorverformung und gefährlichem mechanischem Ungleichgewicht führen.

Rotorerdfehler-Schutz verwendet oft ein Relais, das die Isolierung überwacht, indem es eine Hilfswechselspannung auf den Rotor anlegt. Alternativ wird ein Spannungsrelais in Serie mit einem Hochwiderstandsnetzwerk (häufig eine Kombination aus linearen und nichtlinearen Widerständen) über dem Rotorkreis verwendet. Der Mittelpunkt dieses Netzes ist über einen empfindlichen Relaiswiderstand (ANSI/IEEE/IEC-Code 64) mit Masse verbunden. Moderne Schutzkonzepte bevorzugen zunehmend Kombinationen aus linearen und nichtlinearen Widerständen für verbesserte Fehlererkennung und Isolierungsüberwachung.

Verlust des Feldes und Übererregungsschutzmechanismen

Der Verlust des Feldes wird durch ein Relais erkannt, das Änderungen im Fluss der reaktiven Leistung misst. Ein typisches Konzept verwendet ein Offset-Mho-Impedanzrelais – ein einphasiges Gerät, das von Generatorstromwandler (CTs) und Spannungswandler (VTs) versorgt wird –, um die Lastimpedanz zu messen. Das Relais löst aus, wenn die Impedanz innerhalb seines Arbeitscharakters fällt. Ein Zeitrelais initiiert den Abschaltvorgang des Generators, wenn führende reaktive Leistung für 1 Sekunde (Standardzeit) anhält.

Übererregungsschutz

Um eine Kernsättigung während des Start- und Stilllegungsprozesses zu verhindern, wird der Übererregungsschutz (ANSI/IEEE/IEC-Code 59) implementiert, basierend auf dem Verhältnis:B = V/f
wobei:

• B = magnetische Flussdichte (Tesla, T)

• V = angewandte Spannung (Volt, V)

• f = Frequenz (Hertz, Hz)

Der Kernfluss muss unterhalb des Sättigungspunkts bleiben, was bedeutet, dass die Spannung nur proportional zur Frequenz (Geschwindigkeit) steigen darf. Schnelle Erregung erhöht das Risiko einer Übererregung, die von Volt pro Hertz-Relais erkannt wird. Diese Relais haben lineare Charakteristiken und lösen aus, wenn V/f vorhandene Schwellenwerte überschreitet.

Stator- und Rotorüberhitzungsschutz

• Statorwicklungen & Lager: Temperaturüberwachung mittels Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) und Thermistoren.

• Statorphasenungleichgewicht: Zeitumkehr-Überstromrelais, eingestellt auf die maximale Wärmebelastbarkeit des Rotors.

• Negative Phasenfolgeschutz: Schützt die Maschine vor Rotorüberhitzung, die durch ungleichmäßige Statorströme verursacht wird, die schädliche Wirbelströme im Rotor induzieren.

Zuverlässige Schutzsysteme sind entscheidend, um Schäden und Reparaturzeiten zu minimieren, da Generatoren zu den teuersten Komponenten im Energiesystem gehören.

Dieser Schutz verwendet ein Relais, das Ströme in zwei Phasen über Stromwandler (CTs) vergleicht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Schutzeinstellungen werden durch die maximale Zeit bestimmt, die der Rotor die Überhitzung aushalten kann, definiert durch die Gleichung K = I²t (abgeleitet vom Jouleschen Gesetz), wobei I der negative Phasenfolgestrom und t die Dauer ist.