Generaattorin suojaus – Vikojen tyypit ja suojalaitteet

Yleisiä generaattorivioita ja suojausjärjestelmiä
Generaattorivikojen luokittelu

Generaattoriviat voidaan pääasiassa luokitella sisäiseksi ja ulkoiseksi tyyppiin:

• Sisäiset vikat: Johtuvat ongelmista generaattorin komponenteissa.

• Ulkoinen vika: Johtuu epänormaaleista toimintatilanteista tai ulkoisista verkostoon liittyvistä ongelmista.

Päämoottoreiden (kuten dieselmoottorien tai turbiinien) vikat ovat mekaanisia luonteeltaan ja määritellään laitteen suunnittelussa, vaikkakin ne täytyy integroida generaattorisuojaukseen purkamisen tarkoituksessa.

Sisäisten vikoiden tyypit
1. Statorinvikat

• Kierroksen ylikuumeneminen: Johtuu pysyvistä ylivoimasta tai eristysromahduksesta.

• Vaihe-vaihe-vika: Syntynee vaiheiden välisen eristymisen romahdettua.

• Vaihe-maa-vika: Sähkö virtaa vaiheen kierroksesta statorin rungon kautta maahan.

• Kierroksen sisäinen vika: Lähimmät kierrokset samassa kierrossa sulkevat itseensä.

2. Rotorinvikat

• Maa-vika: Sähkö virtaa rotorin kierroksesta rotorin akseliin.

• Kierroksen sulkeminen: Vähentää virrannollisuusjännitettä ja lisää virran kierrossa.

• Ylikuumeneminen: Johtuu statorin epätasapainoisista virroista (esim. yhden polun purkaminen, negatiivinen vaihejärjestys).

3. Kenttän puuttuminen/Exitation

• Reaktiivinen teho virtaa generaattoriin, jolloin se toimii induktiogeneraattorina ja menettää synkronisuutensa.

4. Ajo eroon

• Akselin mekaaniset rasitukset ja jännitevaihtelut johtuen synkronisuuden menetyksestä verkon kanssa.

5. Moottoritoiminta

• Generaattori noutaa sähköä verkolta, kun päämoottorin toimitus epäonnistuu (esim. höyry/vesi kulutuksen loppuminen), mikä aiheuttaa riskejä ylikuumenemiselle tai kavennukselle turbiineissa.

6. Mekaaniset vikat

• Lepurin ylikuumeneminen, liuotteen öljypaineen menetys ja liian suuri vibraatio.

Rotorin ylikuumenemisen mekanismi

Epätasapainoiset statorivirrot (esim. negatiivinen vaihejärjestys) aiheuttavat eddyvirtoja rotoriin kaksinkertaisella systeemin taajuudella (100/120 Hz), mikä aiheuttaa paikallista ylikuumenemista. Tämä heikentää rotorin säilyttäviä koukkuja ja rengaseja.

Ulkopuoliset vikoiden tyypit
Sähköverkon poikkeamat

• Ulkopuoliset lyhytsulut: Verkon vikat, jotka vaikuttavat generaattorin toimintaan.

• Synkronoinnin puute: Vahingot väärästä generaattorin parallellisuudesta.

• Ylivirrat/Ylipuolen: Johtuvat äkillisestä kuorman purkamisesta tai päämoottorin ohjausvirheestä.

• Vaiheepä tasapaino/Negatiivinen vaihejärjestys: Aiheuttaa rotorin eddyvirtoja ja ylikuumenemista.

• Taajuus/jännitepoikkeamat: Alitaajuus/ylitäajuus tai alijännite/ylijännite stressaavat generaattorin komponentteja.

Generaattorin suojauslaitteet
Tärkeät suojausrakenteet
1. Statorin vikasuojaus

• Erorelais: Havaitsee vaihe-vaihe- ja vaihe-maa-vikat vertaamalla syöttö- ja ulosvirtauksia.

• Maavikasuojaus: Käyttää ylivirtareliaisuuksia (puolisuuntaisuuden tapauksessa) tai jännitereliaisuuksia (muuntajan maastamisen tapauksessa) statorin maavikojen havaitsemiseen.

2. Rotorin vikasuojaus

• Maavikareliaisuuksilla valvotaan eristyksen romahdusta rotorin kierroksesta akseliin.

3. Epätasapainoisen kuorman suojaus

• Valvoo negatiivista vaihejärjestystä ja exitation menettämistä, jotka aiheuttavat reaktiivisen tehon virtauksen ongelmat.

4. Ylikuumenemissuojaus

• Lämpörelaiset tai lämpöanturit havaitsevat statorin kierrosten ja lepurien ylikuumenemisen; negatiivinen vaihejärjestysrelais käsittelee rotorin lämmitystä.

5. Mekaaninen suojaus

• Ylipuolenrelaiset, vibraation anturit ja alijännite/paineen kytkimet suojaavat päämoottorin ja turbiinin vikojen varalta.

6. Varasuojaus ja lisäsuojaus

• Käänteinen teho-relais estää moottoritoiminnan, kun taas statorin maavikojen ero-relais tarjoavat ensisijaista vikanhavaitsemaa (katso kuva 1 typillisille yhteyksille).

• Erorelaiset: Vertaavat virtauksia statorin kierrosten molemmissa päissä sisäisten vikojen havaitsemiseksi.

Suojausperiaatteet

• Nolla-sekvenssi-jännitehavainto: Havaitsee kierroksen sisäiset vikat valvomalla jänniteepäsuhteita jännitevuoristorien (VT) avulla.

• Maastamisen sopeutus: Suojarakenteet vaihtelevat statorin maastamistavan (puolisuuntaisuuden tai muuntajan maastamisen) mukaan, käyttäen CTs tai VTs vihjeiden virtauksien/jännitteiden havaitsemiseen.

Rotorin kierrosvikasuojausmekanismit

Kierron rotorin kierroksen sulkemisvikat suojaavat ylivirtareliaisuuksia, jotka purkavat generaattoria havaitessaan epänormaalin virran nousun. Maavikat aiheuttavat toisen riskin rotorin kierrokselle, vaikkakin niiden suojaus vaatii erikoisvalmisteluja.

Suuret lämpögeneraattorit ovat yleensä rotorin tai kenttäkierroksen maastamaton, mikä tarkoittaa, että yksi maavika ei tuota vikavirtaa. Kuitenkin sellainen vika nostaa koko kentän ja exiterijärjestelmän potentiaalia. Lisäjännitteet, jotka aiheutetaan avaamalla kenttä- tai päägeneraattorin katkaisija – erityisesti vikaoloissa – voivat stressata kenttäkierroksen eristystä, mikä voi aiheuttaa toisen maavikan. Toisen vikan myötä voi syntyä paikallista rautalämmitystä, rotorin muodostumista ja vaarallista mekaanista epätasapainoa.

Rotorin maavikasuojaus käyttää usein relaisia, joka valvoo eristystä soveltamalla apuvirtajännitettä rotorin kierrokseen. Vaihtoehtoisesti jänniterelias käytetään sarjassa korkean vastustuksen verkkoon (yleensä lineaaristen ja epälineaaristen vastusten yhdistelmänä) rotorin kierroksen kautta. Tämän verkon keskipiste yhdistetään maahan tarkasti tunnistavalla relaispylväällä (ANSI/IEEE/IEC koodi 64). Modernit suojarakenteet suosivat yhä enemmän lineaaristen ja epälineaaristen vastusten yhdistelmiä parhaan mahdollisen vikan havaitsemisen ja eristyksen valvonnan tueksi.

Kenttän puuttuminen ja ylikierros suojausmekanismit

Kenttän puuttumissuojus käyttää relaisia reaktiivisen tehon virran muutosten havaitsemiseen. Tyypillinen rakennelma käyttää Offset Mho (impedanssi) -relaisia – yhden vaiheen laitetta, johon syötetään generaattorin virtajännitetekniset (CT) ja jännitetekniset (VT) – mitatakseen kuorman impedanssin. Relais aktivoituu, kun impedanssi jää sen toimintamäärityksen piiriin. Ajorelas aloittaa generaattorin purkamisen, jos etenevä reaktiivinen teho jatkuu sekunnin ajan (standardi-aika).

Ylikierrossuojaus

Ylikierrossuojus (ANSI/IEEE/IEC koodi 59) toteutetaan ytimen saturaation estämiseksi käynnistyksen ja sammumisen aikana perustuen suhteeseen:B = V/f
missä:

• B = magnetinen fluxti (tesla, T)

• V = sovellettu jännite (voltti, V)

• f = taajuus (herts, Hz)

Ydinfluxin on pysyttävä saturaation rajan alapuolella, mikä tarkoittaa, että jännite voi kasvaa vain verrannollisesti taajuuteen (nopeuteen). Nopea kierrossuojaus lisää ylikierrossuojan riskiä, jota havaitaan Volt per Hertz -relaisilla. Nämä relaiset omistavat lineaariset ominaisuudet ja purkavat, kun V/f ylikuuluu asetettuihin arvoihin.

Statorin ja rotorin ylikuumenemissuojaus

• Statorin kierrokset ja lepurit: Lämpötilan valvonta vastustuslämpömittareilla (RTD) ja termistereillä.

• Statorin vaiheepä tasapaino: Aikainversio ylivirtarelaissarjat asetettu rotorin maksimi lämpötoleranssiin.

• Negatiivinen vaihejärjestys suojaus: Suojaa koneelta rotorin ylikuumenemiselta, joka aiheutetaan epätasapainoisilla statorivirroilla, jotka aiheuttavat haitallisia eddyvirtoja rotorissa.

Luotettavat suojausrakenteet ovat olennaisia vahingon ja korjauksen ajan minimoinnissa, sillä generaattorit ovat yksi kalliimmista sähköjärjestelmän komponentteista.

Tämä suojaus käyttää relaisia, joka vertailee kahden vaiheen virtauksia virtajänniteteknisellä (CT) tavalla, kuten kuvassa 2. Suojasetukset määräytyvät siitä, kuinka kauan rotor voi kestää ylikuumenemisen, jonka määrittelee yhtälö K = I²t (Joulen lain mukaan), missä I on negatiivinen vaihejärjestysvirta ja t on kesto.

Valmistajan määrittämät typiset aika-virtakäyrät tälle olosuhteelle vaihtelevat päämoottorin tyypin mukaan, kuten viitatetussa diagrammassa.

Käänteinen teho, ajo eroon ja taajuus/jännitesuojausrakenteet
Käänteinen tehosuojaus (ANSI/IEEE/IEC koodi 32)

Tämä suojaus käyttää teho-suunta-relaisia valvomaan generaattorin kuormaa, johon syötetään CTs ja VTs (katso kuva 3). Relais aktivoituu havaitessaan negatiivisen tehovirtauksen – mikä osoittaa, että generaattori noutaa sähköä verkolta (moottoritoiminta) – ja purkaa estääkseen turbin vahingot.

Ajo eroon suojaus

Tämä suojaus on suunniteltu havaitsemaan sähköjärjestelmän häiriöitä (ei generaattorin vikoja), joka havaitsee napin ajo eroon, kun generaattori menettää synkronisuutensa. Se purkaa generaattorin katkaisijat, pitäen turbin käynnissä, jotta uudelleensynkronointi on mahdollista häiriön päätyttyä.

• Toimintaperiaate: Kolme impedanssi-relais mitataan kuorman impedanssin. Purkaminen tapahtuu, jos relaiset aktivoituvat tietyssä järjestyksessä tehovirissa, erotellen sitä exitation menettämisestä (joka tapahtuu nollakentässä) ja toiminnasta täydellä kentällä.

Taajuus- ja jännitesuojaus
Alitaajuus/Ylitaajuus suojaus (ANSI/IEEE/IEC koodi 81)

• Ylitaajuus: Johtuu äkillisestä kuorman purkamisesta, mikä vaarantaa ylijännitteen, jos sitä ei hallita. Generaattorin ohjausjärjestelmän on säädettävä tuotantoa vastaamaan kysyntää.

• Alitaajuus: Johtuu riittämättömästä tuotannosta yhteydessä oleville kuormille, mikä johtaa jänniteputokauppaan, lisääntyneeseen exitaatioon ja rotorin/statorin ylikuumenemiseen. Kuormituksen purkaminen on kriittistä estääkseen järjestelmän romahduksen.

Alijännite/Ylijännite relaiset (Koodit 27/59)

Valvovat ja kontrolloivat jännitepoikkeamia suojaamaan laitteita stressiltä tai vahingolta.

Vaiheen lisäsuojauskäynnistys

Estää generaattorin käynnistämisen vikoihin tai kuormitettuihin tilanteisiin. Alaset ylivirtarelaissarjat aktivoiduivat vain, kun taajuus on alle 52 Hz (60 Hz -järjestelmille) tai 42 Hz (50 Hz -järjestelmille), varmistaen suojan käynnistyksen aikaisissa transienteissa.

Ulkopuolinen lyhytsulku suojaus

Ylivirtarelaissarjat (50, 50N, 51, 51N) havaitsevat ja poistavat vikat ulkopuolisessa verkossa, suojaavat generaattoria liiallisilta vikalta.

Nämä suojausrakenteet yhdessä käsittelevät toimintapoikkeamia – tehovirtojen käännöstä kokonaisjärjestelmän häiriöihin – varmistaen generaattorin eheyden ja verkon vakauden.