Pangangalaga sa Generator – Uri ng mga Kamalian at mga Pagsasala na Pangkaligtasan

Karaniwang Mga Sakit ng Generator at mga Sistema ng Proteksyon
Uri ng Mga Sakit ng Generator

Ang mga sakit ng generator ay unang-una na nakaklase sa panloob at panlabas na uri:

• Panloob na Sakit: Nagsisimula mula sa mga isyu sa loob ng mga komponente ng generator.

• Panlabas na Sakit: Nagmumula sa hindi normal na kondisyon ng operasyon o mga isyu ng eksternal na network.

Ang mga sakit sa mga prime mover (halimbawa, diesel engines, turbines) ay mekanikal sa natura at inilalarawan sa panahon ng disenyo ng kagamitan, bagaman kailangan nilang magintegrate sa mga proteksyon ng generator para sa layuning pagtrip.

Uri ng Panloob na Sakit
1. Stator Faults

• Overheating ng Winding: Dahil sa permanenteng overload o pagkasira ng insulasyon.

• Phase-to-Phase Fault: Nangyayari dahil sa pagkasira ng insulasyon sa pagitan ng mga phase.

• Phase-to-Earth Fault: Pagkawala ng kuryente mula sa mga winding ng phase patungo sa frame ng stator.

• Inter-Turn Fault: Short circuit sa pagitan ng mga adjacent na turns sa parehong winding.

2. Rotor Faults

• Earth Fault: Pagkawala ng kuryente mula sa rotor windings patungo sa shaft ng rotor.

• Winding Short-Circuit: Nagbabawas ng excitation voltage at nagdudulot ng pagtaas ng kuryente sa wound rotors.

• Overheating: Dahil sa hindi balanse na kuryente ng stator (halimbawa, single-pole trip, negative phase sequence).

3. Loss of Field/Excitation

• Ang reactive power ay pumapasok sa generator, nagdudulot nito na tumatakbo bilang induction generator at nawawalan ng synchronism.

4. Out-of-Step Operation

• Mechanical stresses sa shaft at voltage swings dahil sa pagkawala ng synchronism sa grid.

5. Motor Operation

• Ang generator ay humihingi ng kuryente mula sa grid kapag ang supply ng prime mover ay nabigo (halimbawa, pagkawala ng steam/water), na may panganib ng overheating o cavitation sa turbines.

6. Mechanical Faults

• Overheating ng bearing, pagkawala ng presyon ng lube oil, at excessive vibration.

Mechanism ng Overheating ng Rotor

Ang hindi balanse na kuryente ng stator (halimbawa, negative phase sequence) ay nagdidulot ng eddy currents sa rotor na dalawang beses ang frequency ng sistema (100/120 Hz), nagdudulot ng lokal na overheating. Ito ay nagpapahina ng rotor retaining wedges at rings.

Uri ng Panlabas na Sakit
Abnormalidad ng Power System

• Panlabas na Short-Circuits: Mga sakit sa grid na nakakaapekto sa operasyon ng generator.

• Non-Synchronized Connection: Panganib mula sa hindi tama na pagkonekta ng generator.

• Overloads/Overspeed: Dahil sa biglaang pagkawala ng load o pagkabigo ng control ng prime mover.

• Phase Unbalance/Negative Sequence: Nagdudulot ng eddy currents sa rotor at overheating.

• Frequency/Voltage Deviations: Under/over frequency o voltage na nagsasanhi ng stress sa mga komponente ng generator.

Mga Device ng Proteksyon ng Generator
Mga Key Protection Schemes
1. Stator Fault Protection

• Differential Relay: Nakakadetekta ng phase-to-phase at phase-to-earth faults sa pamamagitan ng paghahambing ng input/output currents.

• Earth Fault Protection: Gumagamit ng overcurrent relays (para sa resistance grounding) o voltage relays (para sa transformer grounding) upang makadetekta ng stator ground faults.

2. Rotor Fault Protection

• Earth fault relays monitor insulation breakdown sa pagitan ng rotor windings at shaft.

3. Unbalanced Loading Protection

• Monitors negative phase sequence currents at loss of excitation, na nagdudulot ng mga isyu sa reactive power flow.

4. Overheating Protection

• Thermal relays o temperature sensors detect stator winding at bearing overheating; negative phase sequence relays address rotor heating.

5. Mechanical Protection

• Overspeed relays, vibration sensors, at low vacuum/pressure switches safeguard against prime mover and turbine failures.

6. Backup and Supplementary Protection

• Reverse power relays prevent motor operation, while differential relays for stator earth faults provide primary fault detection (see Figure 1 for typical connections).

• Differential Relays: Compare currents at both ends of stator windings to detect internal faults.

Prinsipyong Proteksyon

• Zero-Sequence Voltage Detection: Identifies inter-turn faults by monitoring voltage imbalances via voltage transformers (VT).

• Grounding System Adaptation: Protection schemes vary based on stator grounding methods (resistance or transformer grounding), using CTs or VTs to sense fault currents/voltages.

Mga Mechanism ng Proteksyon ng Rotor Winding Fault

Ang short-circuit faults sa wound rotor winding ay pinoprotektahan ng overcurrent relays, na nagtrip sa generator kapag natukoy ang abnormal na surge ng kuryente. Ang earth faults ay isa pang panganib sa rotor windings, bagaman ang kanilang proteksyon nangangailangan ng espesyal na mga pamamaraan.

Sa malalaking thermal generators, ang rotor o field windings ay karaniwang walang grounded, na nangangahulugan na ang iisang ground fault ay hindi nagbibigay ng fault current. Gayunpaman, gayong fault ay nagtataas ng potential ng buong field at exciter system. Ang extra voltages na ipinapaloob sa pagbubukas ng field o main generator breaker—lalo na sa panahon ng fault conditions—ay maaaring mapagbutihan ang field winding insulation, na maaaring magresulta sa ikalawang ground fault. Ang ikalawang fault ay maaaring magresulta sa lokal na iron heating, distortion ng rotor, at dangerous mechanical unbalance.

Ang rotor earth-fault protection kadalasang gumagamit ng relay na nagmonitor ng insulasyon sa pamamagitan ng pag-apply ng auxiliary AC voltage sa rotor. Alternatibo, ang voltage relay ay ginagamit sa serye sa high-resistance network (karaniwang kombinasyon ng linear at non-linear resistors) sa pagitan ng rotor circuit. Ang gitna ng network ay konektado sa ground sa pamamagitan ng sensitive relay coil (ANSI/IEEE/IEC code 64). Ang modernong mga scheme ng proteksyon ay lalong nagpapabor sa kombinasyon ng linear at non-linear resistors para sa mas maayos na deteksiyon ng fault at monitoring ng insulasyon.

Loss of Field at Overexcitation Protection Mechanisms

Ang loss of field protection ay gumagamit ng relay upang makadetekta ng mga pagbabago sa reactive power flow. Ang tipikal na scheme ay gumagamit ng Offset Mho (impedance) relay—single-phase device na supplied ng generator current transformers (CTs) at voltage transformers (VTs)—upang sukatin ang load impedance. Ang relay ay nagtrigger kapag ang impedance ay nasa loob ng operating characteristic. Ang timing relay ay nagsisimula ng tripping ng generator kung ang leading reactive power ay umiiral para sa 1 segundo (standard timing).

Overexcitation Protection

Upang maiwasan ang core saturation sa panahon ng startup at shutdown, ang overexcitation protection (ANSI/IEEE/IEC code 59) ay ipinapatupad, batay sa relationship:B = V/f
kung saan:

• B = magnetic flux density (tesla, T)

• V = applied voltage (volts, V)

• f = frequency (hertz, Hz)

Ang core flux ay dapat manatili sa ibaba ng saturation point, na nangangahulugan na ang voltage lamang ay maaaring tumaas proporsiyonal sa frequency (speed). Ang mabilis na excitation ay nagdudulot ng panganib ng overexcitation, na nadetekta ng Volts per Hertz relays. Ang mga relay na ito ay may linear characteristics at nagtrip kapag ang V/f ay lumampas sa set thresholds.

Stator at Rotor Overheating Protection

• Stator Windings & Bearings: Temperature monitoring via resistance temperature detectors (RTDs) at thermistors.

• Stator Phase Unbalance: Time-inverse overcurrent relays set to the rotor’s maximum heat tolerance.

• Negative Phase Sequence Protection: Shields the machine from rotor overheating caused by unbalanced stator currents, which induce damaging eddy currents in the rotor.

Ang reliable protection systems ay mahalaga upang minimisin ang damage at repair time, dahil ang generators ay isa sa pinakamahal na component ng power system.

Ang proteksyon na ito ay gumagamit ng relay na nagcompare ng currents sa dalawang phase sa pamamagitan ng current transformers (CTs), tulad ng ipinakita sa Figure 2. Ang protective settings ay nakadetermine sa pamamagitan ng maximum time na kaya ng rotor ang overheating, na inilalarawan ng equation K = I²t (derived from Joule's law), kung saan I ay ang negative sequence current at t ang duration.

Ang manufacturer-specified typical time-current curves para sa kondisyong ito ay nag-iiba-iba depende sa uri ng prime mover, tulad ng ipinakita sa referenced diagram.

Reverse Power, Out-of-Step, at Frequency/Voltage Protection Systems
Reverse Power Protection (ANSI/IEEE/IEC Code 32)

Ang proteksyon na ito ay gumagamit ng power directional relay upang monitorin ang load ng generator, na supplied ng CTs at VTs (see Figure 3). Ang relay ay nagactivate kapag natukoy ang negative power flow—na nagpapahiwatig na ang generator ay humihingi ng kuryente mula sa grid (motor operation)—at nag-trigger ng tripping upang maiwasan ang damage sa turbine.

Out-of-Step Protection

Idinisenyo upang makadetekta ng mga disturbance sa power system (hindi generator faults), ang proteksyon na ito ay nakakatukoy ng pole slipping kapag ang generator ay nawalan ng synchronism. Ito ay nagtrip sa generator breakers habang pinapayagan ang turbine na magpatuloy, na nagbibigay-daan sa re-synchronization pagkatapos ng disturbance na mawala.

• Operation Principle: Tatlong impedance relays measure load impedance. Tripping occurs if the relays activate in a specific sequence during power swings, distinguishing it from loss of excitation (which happens at zero field) and operating with the generator at full field.

Frequency at Voltage Protection
Under/Over Frequency Protection (ANSI/IEEE/IEC Code 81)

• Overfrequency: Dahil sa biglaang pagkawala ng load, na nagreresulta sa overvoltage kung hindi ito na-manage. Ang controls ng generator ay dapat mag-adjust ng output upang tugunan ang demand.

• Underfrequency: Nagreresulta mula sa hindi sapat na generation para sa connected loads, na nagreresulta sa voltage drops, pagtaas ng excitation, at overheating ng rotor/stator. Ang load shedding ay critical upang maiwasan ang system collapse.

Under/Over Voltage Relays (Codes 27/59)

Monitor at control voltage deviations upang protektahan ang equipment mula sa stress o damage.

Phase Supplementary Start Protection

Nagpipigil sa pag-start ng generator sa isang fault o loaded condition. Ang low-set overcurrent relays ay nag-engage lamang kapag ang frequency ay nasa ibaba ng 52 Hz (para sa 60 Hz systems) o 42 Hz (para sa 50 Hz systems), na sigurado ng proteksyon sa panahon ng startup transients.

External Short-Circuit Protection

Ang overcurrent relays (50, 50N, 51, 51N) ay nakakadetekta at nagclear ng faults sa external network, na nagprotektahan ng generator mula sa excessive fault currents.

Ang mga proteksyon na ito ay kolektibong tumutugon sa mga anomalya sa operasyon—mula sa reverse power flow hanggang sa system-wide disturbances—na nagpapasiyang integrity ng generator at grid stability.