Προστασία Γεννήτριας – Τύποι Ανωμαλιών και Συσκευές Προστασίας

Κοινά Σφάλματα Γεννήτριας και Συστήματα Προστασίας
Ταξινόμηση των Σφαλμάτων της Γεννήτριας

Τα σφάλματα της γεννήτριας χαρακτηρίζονται κυρίως σε εσωτερικά και εξωτερικά τύπου:

• Εσωτερικά Σφάλματα: Προέρχονται από προβλήματα μέσα στα συσταδικά της γεννήτριας.

• Εξωτερικά Σφάλματα: Πηγάζουν από ανωμαλούς συνθήκες λειτουργίας ή προβλήματα του εξωτερικού δικτύου.

Τα σφάλματα των βασικών κινητήρων (π.χ., ντίζελ, τουρμπίνες) είναι μηχανικής φύσης και ορίζονται κατά την σχεδίαση της εξοπλισμού, αν και πρέπει να ενσωματωθούν με τις προστασίες της γεννήτριας για σκοπούς αποσυνδέσεως.

Τύποι Εσωτερικών Σφαλμάτων
1. Σφάλματα του Στάτορ

• Υπερθέρμανση Διατριβών: Προκαλείται από μόνιμες υπερφορτώσεις ή κατάρρευση απομόνωσης.

• Σφάλμα Φάσης-σε-Φάση: Προκαλείται λόγω αποτυχίας απομόνωσης μεταξύ φάσεων.

• Σφάλμα Φάσης-σε-Γη: Διαρροή ρεύματος από τις διατριβές της φάσης στο πλαίσιο του στάτορ.

• Σφάλμα Μεταξύ Κύκλων: Σύνδεση μεταξύ γειτονικών κύκλων στην ίδια διατριβή.

2. Σφάλματα του Ρότορ

• Σφάλμα Γης: Διαρροή ρεύματος από τις διατριβές του ρότορ στον πάγο του ρότορ.

• Σύνδεση Διατριβών: Μειώνει την τάση ενεργοποίησης και αυξάνει το ρεύμα στους ρότορ με διατριβές.

• Υπερθέρμανση: Προκαλείται από μη ισορροπημένα ρεύματα στο στάτορ (π.χ., αποσυνδέση μιας φάσης, αρνητική ακολουθία φάσεων).

3. Απώλεια Πεδίου/Ενεργοποίησης

• Το αντιδραστικό ρεύμα εισέρχεται στη γεννήτρια, προκαλώντας τη λειτουργία της ως αγωγού ρεύματος και χάνοντας τη συγχρονισμένη λειτουργία.

4. Λειτουργία Εκτός Συγχρονισμού

• Μηχανικές τάσεις στον πάγο και κυματισμοί τάσης λόγω απώλειας συγχρονισμού με το δίκτυο.

5. Λειτουργία Ως Μοτέρ

• Η γεννήτρια αντλεί ενέργεια από το δίκτυο όταν αποτυγχάνει η παροχή του βασικού κινητήρα (π.χ., απώλεια ατμού/νερού), δημιουργώντας κίνδυνο υπερθέρμανσης ή καταστροφής των τουρμπίνων.

6. Μηχανικά Σφάλματα

• Υπερθέρμανση συμπλεκτών, απώλεια πίεσης λιπαντικού ολίου και υπερβολική δόνηση.

Μηχανισμός Υπερθέρμανσης του Ρότορ

Οι μη ισορροπημένες ροές ρεύματος στο στάτορ (π.χ., αρνητική ακολουθία φάσεων) προκαλούν ενδογενή ρεύματα στον ρότορ σε διπλάσια συχνότητα του συστήματος (100/120 Hz), προκαλώντας τοπική υπερθέρμανση. Αυτό αδυναμώνει τα στήριγμα και τους δακτύλιους του ρότορ.

Τύποι Εξωτερικών Σφαλμάτων
Ανωμαλίες Συστήματος Ρεύματος

• Εξωτερικές Συνδέσεις: Σφάλματα στο δίκτυο που επηρεάζουν τη λειτουργία της γεννήτριας.

• Μη Συγχρονισμένη Σύνδεση: Ζημιές από λανθασμένη παράλληλη λειτουργία της γεννήτριας.

• Υπερφορτώσεις/Υπερταχύτητα: Προκαλείται από ξαφνική απόρριψη φορτίου ή αποτυχία ελέγχου του βασικού κινητήρα.

• Μη Ισορροπία Φάσεων/Αρνητική Ακολουθία: Προκαλεί ενδογενή ρεύματα και υπερθέρμανση στον ρότορ.

• Αποκλίσεις Συχνότητας/Τάσης: Υπο-ή υπερ-συχνότητα ή τάση που επιβαρύνουν τα συσταδικά της γεννήτριας.

Συστήματα Προστασίας Γεννήτριας
Βασικά Σχήματα Προστασίας
1. Προστασία Σφαλμάτων του Στάτορ

• Διαφορικός Ρελέ: Ανιχνεύει σφάλματα φάσης-σε-φάση και φάση-σε-γη συγκρίνοντας τα ρεύματα εισόδου και εξόδου.

• Προστασία Γης: Χρησιμοποιεί ρελέ υπερρεύματος (για συνδέσεις με αντίσταση) ή ρελέ τάσης (για συνδέσεις με τρανσφορματόρα) για την ανίχνευση σφαλμάτων γης στον στάτορ.

2. Προστασία Σφαλμάτων του Ρότορ

• Ρελέ γης επιτηρούν την κατάρρευση απομόνωσης μεταξύ των διατριβών του ρότορ και του πάγου.

3. Προστασία Ανισορροπημένης Φόρτωσης

• Επιτηρεί τα αρνητικά σειριακά ρεύματα και την απώλεια ενεργοποίησης, που προκαλούν προβλήματα μεταφοράς αντιδραστικού ρεύματος.

4. Προστασία Υπερθέρμανσης

• Θερμοκρησιακά ρελέ ή αισθητήρες θερμοκρασίας ανιχνεύουν την υπερθέρμανση των διατριβών του στάτορ και των συμπλεκτών. Ρελέ αρνητικής ακολουθίας αντιμετωπίζουν την υπερθέρμανση του ρότορ.

5. Μηχανική Προστασία

• Ρελέ υπερταχύτητας, αισθητήρες δόνησης και στροφόρες χαμηλής υπότασης/πίεσης προστατεύουν από αποτυχίες του βασικού κινητήρα και των τουρμπίνων.

6. Βοηθητική και Συμπληρωματική Προστασία

• Ρελέ αντίστροφης ενέργειας προστατεύουν από τη λειτουργία ως μοτέρ, ενώ τα διαφορικά ρελέ για σφάλματα γης στον στάτορ παρέχουν πρωταρχική ανίχνευση σφαλμάτων (βλέπε Σχήμα 1 για τυπικές συνδέσεις).

• Διαφορικά ρελέ: Συγκρίνουν τα ρεύματα στα δύο άκρα των διατριβών του στάτορ για την ανίχνευση εσωτερικών σφαλμάτων.

Αρχές Προστασίας

• Ανίχνευση Νηλεκτικής Τάσης: Ανιχνεύει σφάλματα μεταξύ κύκλων επιτηρώντας την ανισορροπία τάσης μέσω τρανσφορματόρων τάσης (VT).

• Προσαρμογή Συστήματος Σύνδεσης με τη Γη: Τα σχήματα προστασίας παραλλάσσονται με βάση τις μεθόδους σύνδεσης με τη γη του στάτορ (αντίσταση ή τρανσφορματόρας), χρησιμοποιώντας CTs ή VTs για την ανίχνευση ρευμάτων/τάσεων σφάλματος.

Μηχανισμοί Προστασίας από Σφάλματα Διατριβών του Ρότορ

Τα σφάλματα σύνδεσης διατριβών του ρότορ προστατεύονται από ρελέ υπερρεύματος, τα οποία αποσυνδέουν τη γεννήτρια ανιχνεύοντας ανωμαλούς πλήθους ρεύματος. Τα σφάλματα γης αποτελούν άλλον κίνδυνο για τις διατριβές του ρότορ, αν και η προστασία τους απαιτεί εξειδικευμένες προσεγγίσεις.

Σε μεγάλες θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, οι διατριβές του ρότορ ή του πεδίου είναι συνήθως ανεπιτελείς, δηλαδή ένα μοναδικό σφάλμα γης δεν παράγει ρεύμα σφάλματος. Ωστόσο, τέτοιο σφάλμα αυξάνει την δυναμική του ολόκληρου του συστήματος πεδίου και ενεργοποίησης. Επιπλέον τάσεις που προκαλούνται από την ανοίγηση του πεδίου ή του κύριου διακόπτη της γεννήτριας - ειδικά κατά τη διάρκεια σφαλμάτων - μπορούν να επιβαρύνουν την απομόνωση των διατριβών του πεδίου, προκαλώντας ένα δεύτερο σφάλμα γης. Ένα δεύτερο σφάλμα μπορεί να οδηγήσει σε τοπική θέρμανση σιδήρου, διάσταση του ρότορ και επικίνδυνη μηχανική ανισορροπία.

Η προστασία γης του ρότορ συνήθως χρησιμοποιεί ένα ρελέ που επιτηρεί την απομόνωση εφαρμόζοντας επιπλέον αλλοιωτική τάση στον ρότορ. Εναλλακτικά, χρησιμοποιείται ένα ρελέ τάσης σε σειρά με ένα δίκτυο υψηλής αντίστασης (συνήθως συνδυασμός γραμμικών και μη γραμμικών αντιστάσεων) πάνω από τον κύκλο του ρότορ. Το κέντρο αυτού του δικτύου συνδέεται με τη γη μέσω ευαίσθητης σπείρας ρελέ (ANSI/IEEE/IEC κωδικός 64). Τα σύγχρονα σχήματα προστασίας έχουν ολοένα και μεγαλύτερη προτίμηση για συνδυασμούς γραμμικών και μη γραμμικών αντιστάσεων για βελτιωμένη ανίχνευση σφαλμάτων και επιτήρηση απομόνωσης.

Μηχανισμοί Προστασίας από Απώλεια Πεδίου και Υπερενεργοποίηση

Η προστασία από απώλεια πεδίου χρησιμοποιεί ένα ρελέ για την ανίχνευση αλλαγών στην μεταφορά αντιδραστικής ενέργειας. Ένα τυπικό σχήμα χρησιμοποιεί ένα Offset Mho (αντίσταση) ρελέ - ένα μονοφάσειο συστηματικό εφοδιασμένο από τρανσφορματόρες ρεύματος (CTs) και τάσης (VTs) - για τη μέτρηση της φορτίας αντίστασης. Το ρελέ ενεργοποιείται όταν η αντίσταση πέφτει μέσα στην λειτουργική του χαρακτηριστική. Ένα ρελέ χρόνου ενεργοποιεί την αποσυνδέση της γεννήτριας αν η προωθητική αντιδραστική ενέργεια συνεχίζεται για 1 δευτερόλεπτο (τυπικός χρόνος).

Προστασία Υπερενεργοποίησης

Για την πρόληψη της κόλλησης του πυρήνα κατά την εκκίνηση και την απόσυρση, η προστασία υπερενεργοποίησης (ANSI/IEEE/IEC κωδικός 59) εφαρμόζεται, με βάση τη σχέση:B = V/f