Zaštita generatora – Vrste grešaka i uređaji za zaštitu

Uobičajeni generatori grešaka i sustavi zaštite
Klasifikacija grešaka generatora

Greške generatora su uglavnom kategorizirane u interne i eksterne vrste:

• Interne greške: Potječu od problema s komponentama generatora.

• Eksterne greške: Stvaraju se iz nepravilnih radnih uvjeta ili problema s vanjskom mrežom.

Greške primarnih pogona (npr. dizelskih motora, turbine) su mehaničkog karaktera i definirane su tijekom dizajna opreme, iako moraju biti integrirane s zaštitama generatora radi isključivanja.

Vrste internih grešaka
1. Greške statora

• Pregrijavanje zavojnice: Uzrokovano stalnim preopterećenjima ili propadanjem izolacije.

• Greška između faza: Događa se zbog propadanja izolacije između faza.

• Greška faza-zemlja: Ispaljenje struje iz zavojnice faze na okvir statora.

• Greška između zavojnica: Kratko spojenje između susjednih zavojnica u istoj zavojnici.

2. Greške rotora

• Greška zemlja: Ispaljenje struje iz zavojnice rotora na vratilo rotora.

• Kratko spojenje zavojnice: Smanjuje napon pobude i povećava struju u zavojnicama rotora.

• Pregrijavanje: Uzrokovano neravnotežnim strujama statora (npr. isključivanje jedne faze, negativni redoslijed faza).

3. Gubitak polja/pobude

• Reaktivna snaga teče u generator, što ga dovodi do rada kao induktivnog generatora i gubitka sinhronizma.

4. Rad izvan sinhronizma

• Mehanički opterećenja na vratilo i oscilacije napona zbog gubitka sinhronizma s mrežom.

5. Motor operacija

• Generator potražuje snagu iz mreže kada dođe do propusta primarnog pogona (npr. gubitak para/vode), što može dovesti do pregrijavanja ili kavitacije u turbinama.

6. Mehaničke greške

• Pregrijavanje ležaja, gubitak tlaka maziva i pretjerana vibracija.

Mehanizam pregrijavanja rotora

Neravnotežne struje statora (npr. negativni redoslijed faza) induciraju eddijske struje u rotoru na dvostrukoj frekvenciji sustava (100/120 Hz), što dovodi do lokalnog pregrijavanja. To oslabljuje držače i prstenove rotora.

Vrste eksternih grešaka
Anomalije mrežnog sustava

• Vanjska kratka spojnica: Greške na mreži koje utječu na rad generatora.

• Nesinhronizirano spajanje: Šteta nastala zbog nepravilnog paralelnog spajanja generatora.

• Preopterećenja/pretjerana brzina: Uzrokovana nagleškim ispadanjem opterećenja ili propustom kontrole primarnog pogona.

• Neravnoteža faza/negativni redoslijed: Inducira eddijske struje i pregrijavanje rotora.

• Odvijanja frekvencije i napona: Podfrekvencija ili nadfrekvencija, podnapon ili nadnapon koji stresiraju komponente generatora.

Uređaji za zaštitu generatora
Ključni shemi zaštite
1. Zaštita od grešaka statora

• Diferencijalni rele: Otkriva greške između faza i faza-zemlja usporedbom ulaznih i izlaznih struja.

• Zaštita od grešaka zemlja: Koristi releve za previsoku struju (za otpornostno zemljanje) ili releve napona (za zemljanje transformatorom) za otkrivanje grešaka zemlja statora.

2. Zaštita od grešaka rotora

• Relevi za grešku zemlja nadgledaju propadanje izolacije između zavojnice rotora i vratila.

3. Zaštita od neravnotežnog opterećenja

• Nadgleda negativne redoslijede struja i gubitak pobude, što uzrokuje probleme s protokom reaktivne snage.

4. Zaštita od pregrijavanja

• Termički releve ili senzori temperature otkrivaju pregrijavanje zavojnice statora i ležaja; releve za negativni redoslijed faza rješavaju problem pregrijavanja rotora.

5. Mhanička zaštita

• Releve za pretjeranu brzinu, senzori vibracije i releve za niski vakuum/tlak štite od propusta primarnog pogona i turbine.

6. Nadomjestna i dodatna zaštita

• Releve za obrnutu snagu sprečavaju rad kao motor, dok diferencijalni releve za greške zemlja statora pružaju primarno otkrivanje grešaka (vidi Sliku 1 za tipične spojeve).

• Diferencijalni releve: Uspoređuju struje na oba kraja zavojnice statora kako bi otkrili interne greške.

Principi zaštite

• Otkrivanje nultog redoslijeda napona: Identificira greške između zavojnica nadgledanjem neravnoteža napona putem transformatora napona (VT).

• Prikladnost sustava zemljanja: Sheme zaštite variraju temeljem metoda zemljanja statora (otpornostno ili transformatorsko zemljanje), koristeći CT-ove ili VT-e za očitavanje struja/napona grešaka.

Mehanizmi zaštite od grešaka zavojnice rotora

Greške kratkog spojenja zavojnice zavijene rotora su zaštićene releovima za previsoku struju, koji isključuju generator pri otkrivanju abnormalnih skokova struje. Greške zemlja predstavljaju drugu riziku za zavojnice rotora, iako njihova zaštita zahtijeva specifične pristupe.

U velikim termalnim generatorima, zavojnice rotora ili polja obično nisu zemljeni, što znači da jedna greška zemlja ne proizvodi struju greške. Međutim, takva greška povišava potencijal cijelog sustava polja i pobudnika. Dodatni naponi inducirani otvaranjem polja ili glavnog prekidača generatora - posebno tijekom uslova greške - mogu opteretiti izolaciju zavojnice polja, što može dovesti do druge greške zemlja. Druga greška može dovesti do lokalnog zagrijavanja željeza, deformacije rotora i opasne mehaničke neravnoteže.

Zaštita od grešaka zemlja rotora često koristi rele koji nadgleda izolaciju primjenom pomoćnog AC napona na rotor. Alternativno, koristi se rele napona u seriji s visokootpornim mrežama (obično kombinacija linearnih i nelinearnih otpornika) na krugu rotora. Središnja točka ove mreže povezuje se s zemljom putem osjetljive bobine relea (ANSI/IEEE/IEC kod 64). Moderni sustavi zaštite sve više koriste kombinacije linearnih i nelinearnih otpornika za poboljšano otkrivanje grešaka i nadgledanje izolacije.

Mehanizmi zaštite od gubitka polja i preopterećenja pobude

Zaštita od gubitka polja koristi rele za otkrivanje promjena u protoku reaktivne snage. Tipična shema koristi Offset Mho (impedansni) rele - jednofazni uređaj opskrbljen transformatorima struje (CT) i napona (VT) generatora - za mjerenje impedansa opterećenja. Rele aktivira se kada impedans padne unutar svojih karakteristika rada. Reljev vremena započinje isključivanje generatora ako se vodeća reaktivna snaga održi 1 sekundu (standardno vrijeme).

Zaštita od preopterećenja pobude

Da bi se spriječilo nasycenje jezgra tijekom pokretanja i gasenja, implementirana je zaštita od preopterećenja pobude (ANSI/IEEE/IEC kod 59), temeljena na odnosu:B = V/f
gdje:

• B = gustoća magnetskog toka (tesla, T)

• V = primjenjeni napon (volti, V)

• f = frekvencija (herci, Hz)

Gustoća magnetskog toka mora ostati ispod točke nasycenja, što znači da se napon može povećavati proporcionalno s frekvencijom (brzinom). Brzo povećanje pobude povećava rizik od preopterećenja, što otkrivaju releve Volts po Hertz. Ovi relevi imaju linearne karakteristike i isključuju kada V/f premakne postavljene pragove.

Zaštita od pregrijavanja statora i rotora

• Zavojnice statora i ležaji: Nadgledanje temperature putem detektora temperature otpora (RTD) i termistora.

• Neravnoteža faza statora: Inverzne releve previsoke struje postavljene na maksimalnu toplinsku toleranciju rotora.

• Zaštita od negativnog redoslijeda faza: Štiti stroj od pregrijavanja rotora uzrokovanog neravnotežnim strujama statora, koje induciraju štetne eddijske struje u rotoru.

Pouzdani sustavi zaštite ključni su za smanjenje oštećenja i vremena popravka, jer su generatori među najskupljim komponentama električnih sustava.

Ova zaštita koristi rele koji uspoređuje struje u dvije faze putem transformatora struje (CT), kako je prikazano na Slici 2. Postavke zaštite određuju se maksimalnim vremenom koje rotor može izdržati pregrijavanje, definiranim jednadžbom K = I²t (izvedeno iz Jouleovog zakona), gdje I je negativna struja redoslijeda, a t je trajanje.

Tipične vremensko-strujne krivulje za ovu situaciju, specificirane proizvođačem, variraju ovisno o vrsti primarnog pogona, kako je prikazano na referentnoj dijagrami.

Sustavi zaštite od obrnutog toka snage, izvan sinhronizma i frekvencije/napona
Zaštita od obrnutog toka snage (ANSI/IEEE/IEC Kod 32)

Ova zaštita koristi rele smjera snage za nadgledanje opterećenja generatora, opskrbljen transformatorima struje (CT) i napona (VT) (vidi Sliku 3). Rele aktivira se kada otkrije negativan tok snage - što upućuje na to da generator potražuje snagu iz mreže (rad kao motor) - i isključuje generator kako bi se spriječilo oštećenje turbine.

Zaštita od izvan sinhronizma

Dizajnirana za otkrivanje otklona u mrežnom sustavu (a ne grešaka generatora), ova zaštita identificira sklizanje polova kada generator gubi sinhronizam. Isključuje prekidače generatora, ali turbine ostavlja u radu, omogućujući ponovno sinhroniziranje nakon što se otklon otkloni.

• Princip rada: Tri impedansna rela mjere impedans opterećenja. Isključivanje događa se ako se rela aktiviraju u određenom nizu tijekom oscilacija snage, razlikujući se od gubitka pobude (koji se događa na nuli polja) i rada sa generatorom na punom polju.

Zaštita od frekvencije i napona
Zaštita od podfrekvencije i nadfrekvencije (ANSI/IEEE/IEC Kod 81)

• Nadfrekvencija: Uzrokovana nagleškim ispadanjem opterećenja, što može dovesti do nadnapona ako se ne upravlja. Kontrole generatora moraju prilagoditi izlaz da bi odgovarao potraznji.

• Podfrekvencija: Rezultat nedostatka generiranja za povezana opterećenja, što dovodi do padova napona, povećanja pobude i pregrijavanja rotora i statora. Isključivanje opterećenja ključno je za spriječavanje kolapsa sustava.

Releve za podnapon i nadnapon (Kodovi 27/59)

Nadgledaju i kontroliraju odvijanja napona kako bi zaštitili opremu od stresa ili oštećenja.

Dodatna zaštita pri pokretanju

Spriječava pokretanje generatora u grešku ili opterećenje. Nastavni releve previsoke struje aktiviraju se samo kada je frekvencija ispod 52 Hz (za sustave 60 Hz) ili 42 Hz (za sustave 50 Hz), osiguravajući zaštitu tijekom transijenta pokretanja.

Zaštita od vanjskih kratkih spojnica

Releve previsoke struje (50, 50N, 51, 51N) otkrivaju i čiste greške na vanjskoj mreži, zaštitivajući generator od prevelikih struja grešaka.

Ovi sustavi zaštite kolektivno rješavaju operativne anomalije - od obrnutog toka snage do otklona u cijelom sustavu - osiguravajući integritet generatora i stabilnost mreže.