ژنراتور حفاظت - گونه‌های خرابی و دستگاه‌های حفاظتی

شایع‌ترین خطاهای مولد و سیستم‌های محافظت
طبقه‌بندی خطاهای مولد

خطاهای مولد به طور اصلی به دو نوع داخلی و خارجی تقسیم می‌شوند:

• خطاهای داخلی: ناشی از مشکلات در اجزای مولد.

• خطاهای خارجی: ناشی از شرایط عملیاتی غیرطبیعی یا مشکلات شبکه خارجی.

خطاهای در موتورهای اصلی (مانند موتورهای دیزل، توربین‌ها) مکانیکی هستند و در طراحی تجهیزات تعریف می‌شوند، اگرچه باید برای اهداف قطع با محافظت‌های مولد یکپارچه شوند.

نوع‌های خطاهای داخلی
1. خطاهای استاتور

• گرم شدن بیش از حد پیچش: ناشی از بارهای دائمی یا فرسودگی عایق.

• خطای فاز به فاز: به دلیل فرسودگی عایق بین فاز‌ها رخ می‌دهد.

• خطای فاز به زمین: جریان لکه‌ای از پیچش‌های فاز به چارچوب استاتور.

• خطای بین دوره: کوتاه شدن بین دوره‌های مجاور در همان پیچش.

2. خطاهای روتر

• خطای زمین: جریان لکه‌ای از پیچش‌های روتر به محور روتر.

• کوتاه شدن پیچش: کاهش ولتاژ تحریک و افزایش جریان در پیچش‌های روتر.

• گرم شدن بیش از حد: ناشی از جریان‌های نامتعادل استاتور (مانند قطع فاز واحد، دنباله فاز منفی).

3. از دست دادن میدان/تحریک

• جریان توان واکنشی به مولد وارد می‌شود، که باعث می‌شود به عنوان مولد القایی کار کند و همزمانی را از دست بدهد.

4. عملکرد خارج از همگام

• تنش‌های مکانیکی روی محور و نوسان ولتاژ به دلیل از دست دادن همزمانی با شبکه.

5. عملکرد موتوری

• مولد از شبکه انرژی می‌گیرد وقتی تأمین‌کننده موتور اصلی (مانند بخار/آب) از کار می‌افتد، که می‌تواند باعث گرم شدن بیش از حد یا کاویتاسیون در توربین‌ها شود.

6. خطاهای مکانیکی

• گرم شدن بیش از حد بیرینگ، افت فشار روغن смазки و ارتعاش بیش از حد.

مکانیسم گرم شدن بیش از حد روتر

جریان‌های نامتعادل استاتور (مانند دنباله فاز منفی) جریان‌های دوگانه را در روتر با دو برابر فرکانس سیستم (100/120 Hz) القاء می‌کنند که باعث گرم شدن محلی می‌شود. این وضعیت ضعیف‌کننده دیواره‌های حفاظتی و حلقه‌های روتر می‌شود.

نوع‌های خطاهای خارجی
اختلالات سیستم توان

• خطاهای خارجی کوتاه شدن: خطاهای شبکه که عملکرد مولد را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

• اتصال غیرهمزمان: خسارت ناشی از موازی‌سازی نامناسب مولد.

• بار بیش از حد/سرعت بیش از حد: ناشی از رها کردن ناگهانی بار یا خرابی کنترل موتور اصلی.

• ناهمسان بودن فاز/دنباله فاز منفی: القاء جریان‌های دوگانه روتر و گرم شدن بیش از حد.

• انحراف فرکانس/ولتاژ: فرکانس کم/زیاد یا ولتاژ کم/زیاد که مؤلفه‌های مولد را تحت تنش قرار می‌دهد.

دستگاه‌های محافظت مولد
طرح‌های محافظت کلیدی
1. محافظت از خطاهای استاتور

• رеле دیفرانسیل: خطاهای فاز به فاز و فاز به زمین را با مقایسه جریان‌های ورودی/خروجی تشخیص می‌دهد.

• محافظت از خطاهای زمین: از رله‌های جریان بیش از حد (برای زمین‌گذاری مقاومتی) یا رله‌های ولتاژ (برای زمین‌گذاری ترانسفورماتور) برای تشخیص خطاهای زمین استاتور استفاده می‌کند.

2. محافظت از خطاهای روتر

• رله‌های خطای زمین نظارت بر فرسودگی عایق بین پیچش‌های روتر و محور را انجام می‌دهند.

3. محافظت از بارهای نامتعادل

• نظارت بر جریان‌های دنباله فاز منفی و از دست دادن تحریک، که باعث مشکلات جریان توان واکنشی می‌شوند.

4. محافظت از گرم شدن بیش از حد

• رله‌های حرارتی یا سنسورهای دما گرم شدن پیچش‌های استاتور و بیرینگ‌ها را تشخیص می‌دهند؛ رله‌های دنباله فاز منفی گرم شدن روتر را حل می‌کنند.

5. محافظت مکانیکی

• رله‌های سرعت بیش از حد، سنسورهای ارتعاش و سوئیچ‌های فشار کم/کم‌فشار برای محافظت از خرابی موتور اصلی و توربین‌ها استفاده می‌شوند.

6. محافظت پشتیبان و مکمل

• رله‌های توان معکوس از عملکرد موتوری جلوگیری می‌کنند، در حالی که رله‌های دیفرانسیل برای خطاهای زمین استاتور تشخیص اولیه خطای را ارائه می‌دهند (به شکل 1 برای اتصالات معمولی مراجعه کنید).

• رله‌های دیفرانسیل: جریان‌های در دو انتها از پیچش‌های استاتور را مقایسه می‌کنند تا خطاهای داخلی را تشخیص دهند.

اصول محافظت

• تشخیص ولتاژ دنباله صفر: خطاهای بین دوره را با نظارت بر عدم تعادل ولتاژ از طریق ترانسفورماتورهای ولتاژ (VT) شناسایی می‌کند.

• تأسیس سیستم زمین‌گذاری: طرح‌های محافظت بر اساس روش‌های زمین‌گذاری استاتور (مقاومتی یا ترانسفورماتوری) متفاوت هستند، با استفاده از CTs یا VTs برای تشخیص جریان‌ها/ولتاژهای خطای را انجام می‌دهند.

مکانیزم‌های محافظت از خطاهای پیچش روتر

خطاهای کوتاه شدن پیچش‌های روتر پیچیده توسط رله‌های جریان بیش از حد محافظت می‌شوند، که مولد را در صورت تشخیص افزایش ناهماهنگ جریان قطع می‌کنند. خطاهای زمین نیز یک خطر دیگر برای پیچش‌های روتر هستند، اگرچه محافظت آن‌ها نیاز به رویکردهای تخصصی دارد.

در مولد‌های حرارتی بزرگ، پیچش‌های روتر یا میدان معمولاً بدون زمین‌گذاری هستند، به این معنی که یک خطای زمینی واحد جریان خطایی ایجاد نمی‌کند. با این حال، چنین خطایی بالقوه کل سیستم میدان و تحریک را افزایش می‌دهد. ولتاژهای اضافی القاء شده توسط باز کردن میدان یا قطع کننده مولد اصلی، به ویژه در شرایط خطایی، می‌تواند عایق پیچش میدان را تحت تنش قرار دهد و باعث یک خطای زمینی دوم شود. یک خطای دوم می‌تواند باعث گرم شدن محلی آهن، تحریک روتر و نامتوازن مکانیکی خطرناک شود.

محافظت از خطای زمین روتر غالباً از یک رله که عایق را با اعمال یک ولتاژ AC کمکی به روتر نظارت می‌کند، استفاده می‌کند. یا یک رله ولتاژ در سری با یک شبکه مقاومتی با مقاومت بالا (معمولاً ترکیبی از مقاومت‌های خطی و غیرخطی) در مدار روتر استفاده می‌شود. نقطه مرکزی این شبکه از طریق یک سیم حساس رله به زمین متصل می‌شود (کد ANSI/IEEE/IEC 64). طرح‌های محافظت مدرن به طور فزاینده‌ای ترکیبی از مقاومت‌های خطی و غیرخطی را برای بهبود تشخیص خطای و نظارت بر عایق استفاده می‌کنند.

مکانیزم‌های محافظت از از دست دادن میدان و تحریک بیش از حد

محافظت از از دست دادن میدان از یک رله برای تشخیص تغییرات در جریان توان واکنشی استفاده می‌کند. یک طرح معمولی از یک رله Mho (امپدانس) تغییر یافته - یک دستگاه تک فاز که از ترانسفورماتورهای جریان (CTs) و ولتاژ (VTs) مولد تغذیه می‌شود - برای اندازه‌گیری امپدانس بار استفاده می‌کند. رله زمانی که امپدانس در ویژگی‌های عملیاتی آن قرار می‌گیرد، فعال می‌شود. یک رله زمان‌بندی مولد را در صورت وجود توان واکنشی پیشرو برای یک ثانیه (زمان استاندارد) قطع می‌کند.

محافظت از تحریک بیش از حد

برای جلوگیری از اشباع هسته در هنگام راه‌اندازی و خاموش‌سازی، محافظت از تحریک بیش از حد (کد ANSI/IEEE/IEC 59) بر اساس رابطه زیر اجرا می‌شود:B = V/f
که در آن:

• B = چگالی میدان مغناطیسی (تسلا، T)

• V = ولتاژ اعمال شده (ولت، V)

• f = فرکانس (هرتز، Hz)

فلوکس هسته باید زیر نقطه اشباع بماند، به این معنی که ولتاژ فقط می‌تواند به طور متناسب با فرکانس (سرعت) افزایش یابد. تحریک سریع ریسک افزایش تحریک بیش از حد را افزایش می‌دهد، که توسط رله‌های ولت بر هرتز تشخیص داده می‌شود. این رله‌ها دارای ویژگی‌های خطی هستند و زمانی که V/f از حد تعیین شده بیشتر شود، قطع می‌کنند.

محافظت از گرم شدن بیش از حد استاتور و روتر

• پیچش‌های استاتور و بیرینگ‌ها: نظارت بر دما از طریق دیتکتورهای مقاومت دما (RTDs) و ترمیستورها.

• ناهمسان بودن فاز استاتور: رله‌های جریان بیش از حد با زمان معکوس تنظیم شده به تحمل گرمایی ماکسیمم روتر.

• محافظت از دنباله فاز منفی: محافظت از ماشین از گرم شدن روتر ناشی از جریان‌های نامتعادل استاتور، که جریان‌های دوگانه مخرب را در روتر القاء می‌کنند.

سیستم‌های محافظت مطمئن برای کاهش خسارت و زمان تعمیر، بسیار مهم هستند، زیرا مولد‌ها از گران‌قیمت‌ترین مؤلفه‌های سیستم توان هستند.

این محافظت از یک رله که جریان‌ها را در دو فاز از طریق ترانسفورماتورهای جریان (CTs) مقایسه می‌کند، استفاده می‌کند، مانند شکل 2. تنظیمات محافظتی بر اساس زمان ماکسیممی که روتر می‌تواند گرم شدن بیش از حد را تحمل کند، تعیین می‌شوند، که توسط معادله K = I²t (مشتق شده از قانون جول) تعیین می‌شود، که در آن I جریان دنباله فاز منفی و t زمان است.

منحنی‌های زمان-جریان معمولی که توسط سازنده مشخص شده‌اند بر اساس نوع موتور اصلی متفاوت هستند، مانند شکل مرجع.

سیستم‌های محافظت توان معکوس، خارج از همگام و فرکانس/ولتاژ
محافظت از توان معکوس (کد ANSI/IEEE/IEC 32)

این محافظت از یک رله جهت توان برای نظارت بر بار مولد، که از CTs و VTs تغذیه می‌شود (به شکل 3 مراجعه کنید)، استفاده می‌کند. رله زمانی فعال می‌شود که جریان توان منفی را تشخیص دهد - که نشان‌دهنده عملکرد مولد به عنوان موتور (موتوری) است - و قطع می‌کند تا از خسارت توربین جلوگیری کند.

محافظت از خارج از همگام

این محافظت برای تشخیص اختلالات سیستم توان (نه خطاهای مولد) طراحی شده است، که از لغزش قطب وقتی مولد همزمانی را از دست می‌دهد تشخیص می‌دهد. این محافظت قطع‌کننده‌های مولد را قطع می‌کند در حالی که توربین ادامه دارد، اجازه می‌دهد تا بعد از رفع اختلال دوباره همگام شود.

• اصول عملکرد: سه رله امپدانس بار را می‌سنجند. قطع زمانی رخ می‌دهد که رله‌ها در یک توالی خاص در طول نوسان توان فعال شوند، که آن را از از دست دادن تحریک (که در صفر میدان رخ می‌دهد) و عملکرد با مولد در میدان کامل متمایز می‌کند.

محافظت از فرکانس و ولتاژ
محافظت از فرکانس کم/زیاد (کد ANSI/IEEE/IEC 81)

• فرکانس زیاد: ناشی از رها کردن ناگهانی بار، که اگر مدیریت نشود می‌تواند باعث ولتاژ زیاد شود. کنترل‌های مولد باید خروجی را برای مطابقت با تقاضا تنظیم کنند.

• فرکانس کم: ناشی از تولید کافی برای بارهای متصل، که باعث کاهش ولتاژ، افزایش تحریک و گرم شدن بیش از حد روتر و استاتور می‌شود. رها کردن بار برای جلوگیری از انهدام سیستم بسیار مهم است.

رله‌های ولتاژ کم/زیاد (کدهای 27/59)

نظارت و کنترل انحرافات ولتاژ برای محافظت از تجهیزات از تنش یا خسارت.

محافظت اضافی شروع فاز

جلوگیری از شروع مولد به یک خطای یا شرایط باردار. رله‌های جریان بیش از حد با تنظیمات پایین فقط زمانی که فرکانس کمتر از 52 Hz (برای سیستم‌های 60 Hz) یا 42 Hz (برای سیستم‌های 50 Hz) است، فعال می‌شوند، که اطمینان از محافظت در طول ترانزیت‌های شروع می‌دهد.

محافظت از خطاهای خارجی کوتاه ش