Generátormegőrzés – Hibatípusok és védőeszközök

Gyakori generátor hibák és védelmi rendszerek
Generátor hibák osztályzása

A generátor hibákat főleg belső és külső típusokra osztjuk:

• Belső hibák: A generátor komponensekkel kapcsolatos problémák eredményeként alakulnak ki.

• Külső hibák: Anormális működési feltételekből vagy külső hálózati problémákból származnak.

A főhajtóművek (pl. diesel motorok, türbinák) hibái mechanikai jellegűek, és a berendezés tervezése során vannak meghatározva, bár be kell integrálni őket a generátorvédelembe tripelés céljából.

Belső hibák típusai
1. Státorkör hibák

• Villanykör átmelegedés: Állandó túlerőtétel vagy izoláció romlásának következtében alakul ki.

• Fázisközti hiba: Az izoláció romlása miatt kialakul a fázisok között.

• Fázis-föld hiba: A fázis villanykörök közül áram csúszik a státorkeretbe.

• Szomszédos tekerők közötti rövidzárt: Ugyanazon a villanykörön lévő szomszédos tekerők közötti rövidzárt.

2. Rotor hibák

• Föld hiba: Az áram csúszik a rotor villanykörök és a rotor tengely között.

• Villanykör rövidzárt: Csökkenti az exicitációs feszültséget, és növeli a tekervényes rotort ért áramot.

• Átmelegedés: A státor egyensúlytalanság okozza (pl. egyoldali trippelés, negatív fázissor).

3. Mező/Exicitáció elvesztése

• Reaktív teljesítmény áramlás a generátorba, ami indukciós generátorként működést és szinkronizmus elvesztését okozza.

4. Szinkronizmussal való kiesés

• Mechanikai stressz a tengelyen és feszültség-ingadozás a hálózattal való szinkronizmus elvesztése miatt.

5. Motor működés

• A generátor áramot von le a hálózatból, ha a főhajtómű szállítása megszűnik (pl. gőz/vízvesztés), ami túlmelegedést vagy cavitációt okozhat a türbinákban.

6. Mechanikai hibák

• Lelengék átmelegedése, szellőző olaj nyomásának vesztése és túlzott rezgés.

Rotor átmelegedés mechanizmusa

A státor egyensúlytalanság (pl. negatív fázissor) eddy áramokat indukál a rotorban, amely kétszerese a rendszer frekvenciának (100/120 Hz), ami helyi átmelegedést okoz. Ez gyengebbé teszi a rotor tartótekerőit és gyűrűit.

Külső hibák típusai
Hálózati rendellenességek

• Külső rövidzárt: A hálózaton bekövetkező hibák, amelyek befolyásolják a generátor működését.

• Nem szinkronizált csatlakozás: Helytelen párhuzamos generátor összekapcsolás általi károsodás.

• Túlterhelés/Túlfutás: Váratlan terhelés levonása vagy főhajtómű vezérlési hiba miatt alakul ki.

• Fázisegyensúlytalanság/Negatív fázissor: Eddy áramok indukálása és a rotor átmelegedése.

• Frekvencia/Feszültség eltérések: Alacsony/magass frekvencia vagy feszültség, ami stresszt okoz a generátor komponensein.

Generátorvédelmi eszközök
Fővédelmi eljárások
1. Státorkör védelem

• Differenciál relé: Fázisközti és fázis-föld hibák érzékelése a bemenő/kimenő áramok összehasonlításával.

• Föld hiba védelem: Overcurrent relék (ellenállásgöndörölés esetén) vagy feszültségrelék (transformátor göndörölés esetén) használata a státorföld hibák érzékelésére.

2. Rotor hiba védelem

• Föld hiba relék figyelik a rotor villanykörök és a tengely közötti izoláció romlását.

3. Egyensúlytalanság védelem

• Negatív fázissor áramok és excitáció elvesztés figyelése, amely reaktív teljesítmény áramlás problémákat okoz.

4. Átmelegedés védelem

• Hőmérsékletrelék vagy hőérzékelők a státor villanykörök és lelengék átmelegedésének detektálásához; negatív fázissor relék a rotor melegedésének kezelésére.

5. Mechanikai védelem

• Túlfutás relék, rezgésszensorok és alacsony vakuum/nyomás kapcsolók a főhajtómű és türbinahibák ellen.

6. Biztonsági és kiegészítő védelem

• Fordított teljesítmény relék megakadályozzák a motor működést, míg a differenciál relék a státorföld hibák elsődleges detektálására szolgálnak (lásd a 1. ábrát a tipikus kapcsolásokért).

• Differenciál Relék: Összehasonlítja a státor villanykörök két végén mért áramokat a belső hibák detektálásához.

Védelmi elvek

• Zérus sorrendű feszültség detektálása: Inter-turn hibák azonosítása feszültség egyensúlytalanság figyelésével feszültség transzformátorok (VT) segítségével.

• Földelési rendszer alkalmazkodás: A védelmi eljárások változnak a státor földelési módszerektől (ellenállásgöndörölés vagy transformátor göndörölés) függően, CT-ek vagy VT-ek felhasználásával a hibafeszültségek/áramok detektálásához.

Rotor villanykör hiba védelmi mechanizmusok

A tekervényes rotor villanykör rövidzárt hibái overcurrent relékkel védettek, amelyek trippelik a generátort anélkül, hogy anomális áramugrásokat észleljenek. A rotor villanykörök föld hibái egy másik kockázat, amely speciális megközelítéseket igényel.

A nagy térfogatú hőgenerátorokban a rotor vagy a mező villanykörök általában nem göndöröltek, tehát egyetlen föld hiba nem okoz hibafeszültséget. Azonban ilyen hiba növeli a teljes mező és exciter rendszer potenciálját. A mező vagy a fő generátor kapcsoló megnyitása során, különösen hibakörülmények között, extra feszültségek jelenhetnek meg, amelyek stresszeli a mező villanykör izolációját, és potenciálisan második föld hibát okozhat. A második hiba helyi vas melegedést, rotor torzultságot és veszélyes mechanikai egyensúlytalanságot okozhat.

A rotor föld hiba védelem gyakran egy relét alkalmaz, amely izolációt figyel, alkalmazva egy segédfeszültséget a rotornak. Alternatívan, egy feszültségrelét használható sorban egy magas ellenállású hálózattal (gyakran lineáris és nem lineáris ellenállások kombinációjával) a rotor áramkörön. A hálózat középpontja a sensitív relé coilhez van csatlakoztatva (ANSI/IEEE/IEC kód 64). A modern védelmi eljárások egyre inkább lineáris és nem lineáris ellenállások kombinációját használják a hiba detektálás és izoláció figyelés javítása érdekében.

Mező elvesztés és túlexcitáció védelmi mechanizmusok

A mező elvesztés védelme relét használ a reaktív teljesítmény áramlás változásainak detektálására. A tipikus eljárás egy Offset Mho (impedancia) relét alkalmaz — egy egyfázis eszközt, amely a generátor áramtranszformátorok (CT) és feszültségtranszformátorok (VT) által ellátott — a terhelés impedanciájának mérésére. A relé aktív, ha az impedancia a működési jellemvonásán belül esik. Egy időzítő relé indítja a generátor trippelését, ha a vezető reaktív teljesítmény 1 másodpercre (standard időzítés) fennmarad.

Túlexcitáció védelem

A mag szenvedés megelőzése érdekében a túlexcitáció védelem (ANSI/IEEE/IEC kód 59) implementálva van, alapul véve a következő viszonyon:B = V/f
ahol:

• B = mágneses flukussűrűség (tesla, T)

• V = alkalmazott feszültség (volt, V)

• f = frekvencia (hertz, Hz)

A mag fluxusának alacsonyabbnak kell lennie, mint a szenvedés pont, ami azt jelenti, hogy a feszültség csak arányosan növekedhet a frekvenciával (sebességgel). A gyors excitáció növeli a túlexcitáció kockázatát, amit Volts per Hertz relék detektálnak. Ezek a relék lineáris jellemvonásokkal rendelkeznek, és trippelnek, ha a V/f érték meghaladja a beállított küszöböt.

Státor és rotor átmelegedés védelme

• Státor villanykörök és lelengék: Hőmérsékletfigyelés ellenállásos hőmérsékletdetektorok (RTD) és termisztorok segítségével.

• Státor fázisegyensúlytalanság: Idő-inverz overcurrent relék, amelyek a rotor maximális hőtoleranciájához vannak beállítva.

• Negatív fázissor védelem: A gépet a rotor átmelegedést okozó státor egyensúlytalanságoktól, amelyek káros eddy áramokat indukálnak a rotorban, védi.

A megbízható védelmi rendszerek kulcsfontosságúak a károk és a javítási idő minimalizálásához, mivel a generátorok a legdrágább energiarendszer komponensek közé tartoznak.

Ez a védelem egy relét használ, amely két fázisban az áramokat összehasonlítja áramtranszformátorok (CT) segítségével, ahogy a 2. ábra mutatja. A védelmi beállításokat a rotor átmelegedésnek kitartó ideje határozza meg, amely a K = I²t (Joule törvényből származó) egyenlettel definiálható, ahol I a negatív fázissor áram, és t a tartam.

A gyártó által meghatározott tipikus idő-áram görbék ebben a feltételben a főhajtómű típusától függően változnak, ahogy a referenciadiagramon látható.

Fordított teljesítmény, szinkronizmussal való kiesés, és frekvencia/feszültség védelmi rendszerek
Fordított teljesítmény védelem (ANSI/IEEE/IEC kód 32)

Ez a védelem egy teljesítmény irány relét használ a generátor terhelésének figyelésére, amely áramtranszformátorok (CT) és feszültségtranszformátorok (VT) által ellátott (lásd a 3. ábrát). A relé aktiválódik, ha negatív teljesítményáramlást észlel — ami arra utal, hogy a generátor áramot von le a hálózatból (motor működés) — és trippelést indít el a türbinák károsodásának elkerülése érdekében.

Szinkronizmussal való kiesés védelem

Ez a védelem a hálózati zavarok (nem generátor hibák) detektálására szolgál, amely a poluscsúszást észleli, amikor a generátor elveszíti a szinkronizmust. Trippelés a generátor kapcsolóit, miközben a türbinát futtatja, lehetővé téve a újraszinkronizálást a zavar eltünése után.

• Működési elv: Három impedancia relé méri a terhelés impedanciáját. Trippelés akkor történik, ha a relék adott sorrendben aktiválódnak a teljesítmény ingadozása során, megkülönböztetve a mező elvesztését (ami null mezőn történik) és a teljes mezővel való működést.

Frekvencia és feszültség védelem
Alacsony/Magass frekvencia védelem (ANSI/IEEE/IEC kód 81)

• Magas frekvencia: Váratlan terhelés levonása miatt, ami túlfeszültséget okoz, ha nincs kezelve. A generátor vezérlésnek a kereslethez kell igazodnia.

• Alacsony frekvencia: A generált energiának hiánya a csatlakoztatott terhelésekhez képest, ami feszültség-csökkenést, növekedett excitációt és rotor/státor átmelegedést okoz. A terhelés levonása kulcsfontosságú, hogy elkerülje a rendszer összeomlását.

Alacsony/Magass feszültség relék (Kód 27/59)

Feszültség eltérések figyelése és ellenőrzése, hogy a berendezések stressztől vagy károsodástól megvédjék.

Fázis kiegészítő indítási védelem

Megakadályozza, hogy a generátort hiba vagy terhelt állapotba indítsák. Alacsony beállítású overcurrent relék csak akkor aktiválódnak, ha a frekvencia 52 Hz alatt van (60 Hz rendszerek esetén) vagy 42 Hz alatt (50 Hz rendszerek esetén), biztosítva a startup transziensek védelmét.

Külső rövidzárt védelem

Overcurrent relék (50, 50N, 51, 51N) detektálják és tisztítják a külső hálózaton bekövetkező hibákat, védve a generátort a túl nagy hibafeszültségtől.

Ezek a védelmi eljárások összességében kezelik a működési anomáliákat — a teljesítmény áramlás fordulásától a rendszer-szerte kiterjedő zavarokig — garantálva a generátor integritását és a hálózat stabilitását.