سیستم حفاظتی ژنراتور – انواع خرابی‌ها و دستگاه‌های حفاظتی

نکات مشترک خطاها و سیستم‌های حفاظتی ژنراتور
طبقه‌بندی خطاهای ژنراتور

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

• خطاهای داخلی: ناشی از مشکلات در اجزای ژنراتور.

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

خطاهای در موتورهای اصلی (مانند موتورهای دیزل، توربین‌ها) از نوع مکانیکی هستند و در مرحله طراحی تجهیزات تعریف می‌شوند، اگرچه باید برای اهداف قطع کار با سیستم‌های حفاظتی ژنراتور یکپارچه شوند.

نوع خطاهای داخلی
1. خطاهای استاتور

• گرم شدن پیچش: ناشی از بارهای دائمی یا تخریب عایق.

• خطای فاز به فاز: ناشی از تخریب عایق بین فازها.

• خطای فاز به زمین: نشت جریان از پیچش‌های فاز به بدنه استاتور.

• خطای بین دورهای مجاور: کوتاه شدن بین دورهای مجاور در یک پیچش.

2. خطاهای روتر

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

• کوتاه شدن پیچش: کاهش ولتاژ تحریک و افزایش جریان در روتر‌های پیچیده.

• گرم شدن: ناشی از جریان‌های نامتعادل استاتور (مانند قطع یک قطب، دنباله فاز منفی).

3. از دست دادن میدان/تحریک

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

4. عملکرد خارج از همزمانی

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

5. عملکرد موتوری

• ژنراتور انرژی را از شبکه می‌گیرد وقتی تأمین موتور اصلی (مانند بخار/آب) متوقف می‌شود، که می‌تواند باعث گرم شدن یا آب‌کشی در توربین‌ها شود.

6. خطاهای مکانیکی

• گرم شدن لagers، افت فشار روغن لابراتور و ارتعاشات بیش از حد.

مکانیسم گرم شدن روتر

جریان‌های نامتعادل استاتور (مانند دنباله فاز منفی) جریان‌های ادی در روتر را در دو برابر فرکانس سیستم (100/120 هرتز) القاء می‌کنند، که باعث گرم شدن محلی می‌شود. این وضعیت ضعف می‌دهد به میخ‌های نگهدارنده و حلقه‌های روتر.

نوع خطاهای خارجی
اختلالات سیستم قدرت

• کوتاه‌مدارهای خارجی: خطاهای موجود در شبکه که عملکرد ژنراتور را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

• اتصال غیرهمزمان: خسارت ناشی از موازی‌سازی نامناسب ژنراتور.

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

• نامتوازنی فاز/دنباله فاز منفی: القاء جریان‌های ادی در روتر و گرم شدن آن.

• انحرافات فرکانس/ولتاژ: فرکانس یا ولتاژ کم یا زیاد که مولفه‌های ژنراتور را تحت تنش قرار می‌دهد.

دستگاه‌های حفاظتی ژنراتور
طرح‌های حفاظتی کلیدی
1. حفاظت از خطاهای استاتور

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

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

2. حفاظت از خطاهای روتر

• رله‌های خطای زمین نظارت بر تخریب عایق بین پیچش‌های روتر و محور روتر دارند.

3. حفاظت از بار نامتعادل

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

4. حفاظت از گرم شدن

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

5. حفاظت مکانیکی

• رله‌های سرعت بیش از حد، سنسورهای ارتعاش و کلیدهای فشار کم/فشار کم محافظت می‌کنند در برابر خرابی موتور اصلی و توربین.

6. حفاظت پشتیبان و مکمل

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

• رله‌های دیفرانسیل: جریان‌ها را در هر دو سر پیچش‌های استاتور مقایسه می‌کنند تا خطاهای داخلی را تشخیص دهند.

اصول حفاظت

• تشخیص ولتاژ صفر: با نظارت بر ناهماهنگی ولتاژ از طریق ترانسفورماتورهای ولتاژ (VT)، خطاهای بین دورهای مجاور را تشخیص می‌دهد.

• سازگاری سیستم زمین‌سازی: طرح‌های حفاظتی بر اساس روش‌های زمین‌سازی استاتور (مقاومتی یا ترانسفورماتوری) متفاوت هستند، با استفاده از CTs یا VTs برای تشخیص جریان‌ها/ولتاژهای خطا.

مکانیزم‌های حفاظت از خطاهای پیچش روتر

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

در ژنراتورهای حرارتی بزرگ، پیچش‌های روتر یا میدانی معمولاً بدون زمین هستند، به این معنا که یک خطا زمینی واحد جریان خطا تولید نمی‌کند. با این حال، چنین خطا می‌تواند پتانسیل کل سیستم میدان و تحریک را افزایش دهد. ولتاژهای اضافی القاء شده با باز کردن میدان یا برش ژنراتور اصلی - به ویژه در شرایط خطا - می‌تواند عایق پیچش میدان را تحت تنش قرار دهد و منجر به خطای زمینی دوم شود. خطای دوم می‌تواند باعث گرم شدن محلی آهن، تغییر شکل روتر و عدم تعادل مکانیکی خطرناک شود.

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

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

حفاظت از از دست دادن میدان با استفاده از یک رله که تغییرات جریان توان واکنشی را تشخیص می‌دهد. یک طرح معمول از یک رله Mho (امپدانس) تغییر یافته - یک دستگاه تک‌فاز که از ترانسفورماتورهای جریان (CTs) و ولتاژ (VTs) ژنراتور تغذیه می‌شود - برای اندازه‌گیری امپدانس بار استفاده می‌کند. رله زمانی که امپدانس در ویژگی عملکرد آن قرار می‌گیرد، فعال می‌شود. یک رله زمان‌بندی ژنراتور را در صورت وجود توان واکنشی پیشرو برای یک ثانیه (زمان استاندارد) قطع می‌کند.

حفاظت از تحریک بیش از حد

برای جلوگیری از اشباع هسته در طول شروع و پایان، حفاظت از تحریک بیش از حد (کد ANSI/IEEE/IEC 59) بر اساس رابطه زیر انجام می‌شود:B = V/f
که در آن:

• B = چگالی شار مغناطیسی (تسلا، T)

• V = ولتاژ اعمال شده (ولت، V)

• f = فرکانس (هرتز، Hz)

چگالی شار هسته باید زیر نقطه اشباع بماند، به این معنا که ولتاژ فقط می‌تواند با فرکانس (سرعت) متناسب افزایش یابد. تحریک سریع خطر افزایش تحریک بیش از حد را افزایش می‌دهد، که توسط رله‌های ولت بر هرتز تشخیص داده می‌شود. این رله‌ها ویژگی‌های خطی دارند و زمانی که V/f از آستانه‌های تنظیم شده بیشتر شود، عمل می‌کنند.

حفاظت از گرم شدن استاتور و روتر

• پیچش‌های استاتور و lagers: نظارت بر دما با استفاده از دیتکتورهای مقاومت دما (RTDs) و ترموستورها.

• نامتوازنی فاز استاتور: رله‌های جریان بیش از حد با زمان معکوس که بر اساس تحمل گرما بیشینه روتر تنظیم شده‌اند.

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

سیستم‌های حفاظتی معتبر برای کاهش خسارت و زمان تعمیر ضروری هستند، زیرا ژنراتورها از گران‌قیمت‌ترین مولفه‌های سیستم قدرت هستند.

این حفاظت با استفاده از یک رله که جریان‌ها را در دو فاز از طریق ترانسفورماتورهای جریان (CTs) مقایسه می‌کند، مانند آنچه در شکل 2 نشان داده شده است. تنظیمات محافظتی بر اساس زمان بیشینه‌ای که روتر می‌تواند تحمل گرم شدن داشته باشد، که با معادله K = I²t (از قانون جول) تعریف 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 آنچه در نمودار مرجع نشان داده شده است.

سیستم‌های حفاظتی توان معکوس، خارج از همزمانی و فرکانس/ولتاژ
حفاظت از توان معکوس (کد ANSI/IEEE/IEC 32)

این حفاظت با استفاده از یک رله جهت توان که بار ژنراتور را نظارت می‌کند، تغذیه می‌شود از طریق CTs و VTs (به شکل 3 مراجعه کنید). رله زمانی که جریان توان منفی را تشخیص می‌دهد - که نشان‌دهنده عملکرد موتوری ژنراتور است - و برای جلوگیری از خسارت توربین، قطع می‌کند.

حفاظت از خارج از همزمانی

طراحی شده برای تشخیص اختلالات سیستم قدرت (نه خطاهای ژنراتور)، این حفاظت زمانی که ژنراتور همزمانی را از دست می‌دهد، قطب‌های لغزش را شناسایی می‌کند. رله‌های قطع ژنراتور را در حالی که توربین در حال اجرا است، قطع می‌کند، این اجازه می‌دهد تا پس از رفع اختلال دوباره همزمان شود.

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

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

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

• فرکانس کم: ناشی از تولید ناکافی برای بارهای متصل، که باعث کاهش ولتاژ، افزایش تحریک و گرم شدن روتر/استاتور می‌شود. رها کردن بار برای جلوگیری از انهدام سیستم ضروری است.

رله‌های ولتاژ کم/زیاد (کدهای 27/59)

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

حفاظت از شروع مکمل فاز

جلوگیری از شروع ژنراتور به یک خطا یا شرایط باردار. رله‌های جریان بیش از حد با تنظیم پایین فقط زمانی که فرکانس کمتر از 52 هرتز (برای سیستم‌های 60 هرتز) یا 42 هرتز (برای سیستم‌های 50 هرتز) است، فعال می‌شوند، که حفاظت را در طول ترانزیت‌های شروع تضمین می‌کند.

حفاظت از کوتاه‌مدارهای خارجی