הגנה על גנרטור – סוגים של תקלות ומכשירי הגנה

תקלות נפוצות במחוללים ומערכות הגנה
מיון תקלות מחולל

תקלות המחולל מופרדות בעיקר לשני סוגים: פנימיים וחיצוניים:

• תקלות פנימיות: מתעוררות כתוצאה מבעיות בחומרים המרכיבים את המחולל.

• תקלות חיצוניות: נובעות מתנאי פעולה חריגים או בעיות ברשת החיצונית.

תקלות במנועים הראשיים (לדוגמה, מנועי דיזל, טורבינות) הן מהות מכנית ומוגדרות במהלך תכנון הציוד, אך הם חייבים להתמזג עם הגנות המחולל למטרות ניתוק.

סוגי תקלות פנימיות
1. תקלות סטטור

• התחממות ליפוף: נגרמת על ידי עומסים קבועים או התפרקות מבודד.

• תקלה בין פאזה לפאזה: מתרחשת עקב כשל במבודד בין הפאזות.

• תקלה בין פאזה לאדמה: ניקוז זרם מהליפוף של הפאזה לעמס הסטטור.

• תקלה בין סיבוב לסיבוב: קצר מסלול בין סיבובים סמוכים בליפוף אחד.

2. תקלות רוטור

• תקלת אדמה: ניקוז זרם מהליפוף של הרוטור לציר הרוטור.

• קצר מסלול בליפוף: מפחית את המתח המניע ומעריך את הזרם בליפוף הרוטור.

• התחממות: נגרמת על ידי זרמים בלתי מאוזנים בסטטור (לדוגמה, ניתוק פולס יחיד, סדרה שלילית).

3. אובדן שדה/מניעה

• הספק реакטיבי זורם לתוך המחולל, גורם לו לפעול כמחולל אינ덕טיבי והופך אותו לא-סינכרוני.

4. פעילות לא-סינכרונית

• מתחמצויות מכניות בציר ושינויים במתח עקב אובדן סינכרוניות עם הרשת.

5. פעולה כמנוע

• המחולל משאב אנרגיה מהרשת כשאספקת המנוע הראשי נכשלה (לדוגמה, אובדן קיטור/מים), מה שמרגיש סיכון להתחממות או היווצרות חלל בטורבינות.

6. תקלות מכניות

• התחממות של מגנטים, אובדן לחץ שמן הזליגה והנדנודים עודפים.

กลไก של התחממות רוטור

זרמים בלתי מאוזנים בסטטור (לדוגמה, סדרה שלילית) יוצרים זרמים סחרחיים ברוטור בתדירות כפולה של המערכת (100/120 Hz), מה שמוביל להתחממות מקומית. זה מחליש את התקנים המחזיקים ברוטור ואת הטבעות.

סוגי תקלות חיצוניות
חריגים במערכת החשמל

• קצר חיצוני: תקלות ברשת המשפיעות על פעולת המחולל.

• חיבור לא-סינכרוני: נזק מהתמזגות לא נכונה של המחוללים.

• עומסים יתר/מהירות יתר: נגרמים על ידי פרישה פתאומית של עומס או כשל בשליטה במנוע הראשי.

• חוסר איזון/סדרה שלילית: יוצר זרמים סחרחיים ברוטור והתחממות.

• הפרשות תדר/מתח: תדר ומתח מעל או מתחת לנורמה מלחצים את חלקי המחולל.

מכשירי הגנה למחוללים
תוכניות הגנה עיקריות
1. הגנה נגד תקלות סטטור

• 릴אי דיפרנציאלי: מאתר תקלות בין פאזה לפאזה ובין פאזה לאדמה באמצעות השוואת הזרמים הנכנסים והיוצא.

• הגנה מפני תקלת אדמה: משתמש ב렐אי זרם-יתר (עבור חיבור באדמה דרךנגד) או רלאי מתח (עבור חיבור באדמה דרך טרנספורמטור) כדי לזהות תקלות באדמה בסטטור.

2. הגנה נגד תקלות רוטור

• רלאים של תקלת אדמה מפקחים על כשל במבודד בין ליפוף הרוטור לציר.

3. הגנה מפני עומסים לא מאוזנים

• מגנה על זרמים של סדרה שלילית ואובדן מניעה, הגורמים לבעיות זרימת הספק האינדוקטיבי.

4. הגנה מפני התחממות

• רלאים תרמיים או חיישני טמפרטורה מגלים התחממות בליפוף הסטטור ומגנטים; רלאים של סדרה שלילית מטפלים בהתחממות של הרוטור.

5. הגנה מכנית

• רלאים של מהירות יתר, חיישני רעידות וswithces לחץ נמוך/וואקום מגינים על כשלים במנועים ראשונים וטורבינות.

6. הגנה עזרית ומשתנת

• רלאים של כוח הפוך מונעים פעולה כמנוע, בעוד רלאים דיפרנציאליים לתקלות באדמה בסטטור מספקים איתור תקלות ראשוני (ראו ציור 1 לקשרים טיפוסיים).

• רלאים דיפרנציאליים: משווים זרמים בשני קצות ליפוף הסטטור כדי לזהות תקלות פנימיות.

עקרונות הגנה

• זיהוי מתח סדרה אפס: מזהה תקלות בין סיבובים על ידי מעקב אחר אי-איזונים במתח באמצעות טרנספורמטורים מתח (VT).

• הסתגלות למערכת האדמה: תוכניות הגנה משתנות בהתאם לשיטות האדמה של הסטטור (נגד או טרנספורמטור), תוך שימוש ב-CTs או VTs כדי להרגיש זרמים/מתחים של תקלות.

กลไגי הגנה מתקלות בליפוף הרוטור

תקלות קצר מסלול בליפוף הרוטור מוגנות על ידי רלאים זרם-יתר, שמדליקים את המחולל כאשר הם מגלים עלייה חריגה בזרם. תקלות אדמה מהוות סיכון נוסף לליפוף הרוטור, אך ההגנה שלהן דורשת גישות מיוחדות.

במחוללים תרמיים גדולים, ליפוף הרוטור או השדה בדרך כלל אינם מחוברים לאדמה, כלומר, תקלה אחת לא תיצור זרם תקלה. עם זאת, תקלה כזו מגבירה את הפוטנציאל של כל מערכת השדה והמניעה. מתחים נוספים שנוצרים על ידי פתיחת המתג של השדה או המחולל העיקרי - במיוחד בתנאי תקלה - יכולים ללחוץ על מבודדי הליפוף של השדה, ולהביא לתקלה שנייה. תקלה שנייה יכולה לגרום לחימום מקומי של הברזל, מעוות של הרוטור ובלתי-איזון מכני מסוכן.

הגנה מתקלות אדמה של הרוטור לעיתים קרובות משתמשת ברלאי שמעקב אחר מבודד על ידי שימוש במתח חילופין עזר לרוטור. חלופה היא להשתמש ברלאי מתח במקביל לרשת 저ومة גבוהה (לרוב תערובת של נגדים ליניאריים ולא-ליניאריים) על פני המעגל של הרוטור. נקודת המרכז של הרשת הזו מחוברת לאדמה דרך סליל רלאי רגיש (קוד ANSI/IEEE/IEC 64). תוכניות הגנה מודרניות מעדיפות יותר ויותר תערובת של נגדים ליניאריים ולא-ליניאריים לשיפור זיהוי התקלות ומעקב אחר המבודדים.

กลไגי הגנה מאובדן שדה והעלאת מניעה

הגנה מאובדן שדה משתמשת ברלאי כדי לזהות שינויים בזרימת הספק האינדוקטיבי. תוכנית טיפוסית משתמשת ברלאי Mho (תנגד) משולש - מכשיר חד-פאזה המסופק על ידי טרנספורמטורי זרם (CTs) וטרנספורמטורי מתח (VTs) - כדי למדוד את המתח של העומס. הרלאי מתפעלה כאשר המתח נמצא בתוך מאפייני ההפעלה שלו. רלאי זמן מתחיל את ניתוק המחולל אם הספק האינדוקטיבי המוביל מתמשך למשך שניה אחת (הזמן הסטנדרטי).

הגנה מהעלאת מניעה

כדי למנוע שבירה של הליבה במהלך ההדלקה והכיבוי, מבוצעת הגנה מהעלאת מניעה (קוד ANSI/IEEE/IEC 59), המבוססת על הקשר:B = V/f
כאשר:

• B = צפיפות השדה המגנטי (טסלה, T)

• V = מתח מופעל (โวลטים, V)

• f = תדר (הרץ, Hz)

צפיפות השדה המגנטי צריכה להישאר מתחת לנקודת השבירה, כלומר המתח יכול לעלות באופן פרופורציונלי לתדר (מהירות). עליה מהירה של המניעה מגבירה את הסיכון להעלאת מניעה, שתיכתך על ידי רלאים של וולט לדקה. רלאים אלו בעלי מאפיינים ליניאריים ומדליקים כאשר V/f עולה מעל סף מוגדר.

הגנה מפני התחממות של הסטטור והרוטור

• ליפוף הסטטור ומגנטים: מעקב אחר הטמפרטורה באמצעות חיישני טמפרטורה (RTDs) וthermistors.

• אי-איזון בין פאזות: רלאים זרם-יתר הפוכים בזמן מוגדרים לפי סבלנות החום המקסימלית של הרוטור.

• הגנה מפני סדרה שלילית: מגינה על המכונה מהתחממות של הרוטור הנגרמת על ידי זרמים בלתי מאוזנים בסטטור, היוצרים זרמים סחרחיים הרסניים ברוטור.

מערכות הגנה אמינות הן קריטיות כדי להפחית נזק ולצמצם זמן תיקון, שכן המחוללים הם חלק מהחומר היקר ביותר במערכת החשמל.

ההגנה משתמשת ברלאי שמשווה זרמים בשתי פאזות באמצעות טרנספורמטורי זרם (CTs), כפי שמתואר בציור 2. הגדרות ההגנה נקבעות על פי הזמן המרבי שהרוטור יכול לשאת התחממות, המוגדר על ידי המשוואה K = I²t (המבוססת על חוק ג'ול), כאשר I הוא הזרם של הסדרה השלילית וt הוא משך הזמן.

עקומות זרם-זמן טיפוסיות המוגדרות על ידי יצרן עבור מצב זה משתנות בהתאם לסוג המנוע הראשי, כפי שמוצג בדיאגרמת הפניה.

מערכות הגנה כנגד כוח הפוך, פעולה לא-סינכרונית ותדר/מתח
הגנה כנגד כוח הפוך (קוד ANSI/IEEE/IEC 32)

ההגנה משתמשת ברלאי כיוון כוח כדי לעקוב אחרי עומס המחולל, המסופק על ידי CTs ו-VTs (ראו ציור 3). הרלאי מתפעלה כאשר היא מגדירה זרימה של כוח שלילי - המצביע על כך שהמחולל משאב אנרגיה מהרשת (פעולה כמנוע) - ומדליקה את ניתוק המחולל כדי למנוע נזק לטורבינה.

הגנה כנגד פעולה לא-סינכרונית

תוכנן לזהות הפרעות במערכת החשמל (לא תקלות מחולל), ההגנה הזו מאתרת החלק של קטבים כאשר המחולל מאבד סינכרוניות. היא מדליקה את מתגי המחולל תוך שמירה על הרצת הטורבינה, מאפשרת סינכרוניות מחדש לאחר שההפרעה נעלמת.

• עקרון פעולה: שלושה רלאים תנגד מודדים את המטען. ניתוק קורה אם הרלאים מתפעלים בסדר מסוים במהלך תנועות כוח, מבדילים אותו מאובדן מניעה (שנוצר בתדר אפס) ופעולת המחולל עם השדה המלא.

הגנה תדר ומתח
הגנה כנגד תדר מעל/תחת (קוד ANSI/IEEE/IEC 81)

• תדר מעל: נגרמת על ידי פרישה פתאומית של עומס, מסכנת מתח גבוה אם לא מטופל. בשלטנות המחולל חייבת להתאים את הפלט לדרישה.

• תדר מתחת: נגרמת מחוסר יצור מספיק עבור עומסים מחוברים, המוביל לירידה במתח, עלייה במניעה והתחממות של הרוטור והסטטור. פרישה של עומסים היא קריטית למנוע קריסה של המערכת.

רלאים של מתח מעל/תחת (קודים 27/59)

מעקב וניהול סטיות מתח כדי להגן על הציוד מלחץ או נזק.

הגנה משליחה משלב הפתיחה

מניעת הפעלת המחולל לתוך תקלה או מצב מטען. רלאים זרם-יתר עם הגדרות נמוכות מתפעלים רק כאשר התדר נמוך מ-52 Hz (עבור מערכות 60 Hz) או 42 Hz (עבור מערכות 50 Hz), מבטיחים הגנה במהלך תהפוכות ההדלקה.

הגנה חיצונית קצרה

רלאים זרם-יתר (50, 50N, 51, 51N) מגלים ונקות תקלות ברשת החיצונית, מגינים על המחולל מזרמים תקלה עודפים.

תוכניות הגנה אלו יחדיו מטפלות בחריגים תפעוליים - מהיפוך זרימת כוח ועד הפרעות מערכת-רחבות - להבטיח את שלמות המחולל ויציבות הרשת.