Protezione del Generatore – Tipi di Guasti e Dispositivi di Protezione

Malfunzionamenti Comuni dei Generatori e Sistemi di Protezione
Classificazione dei Malfunzionamenti dei Generatori

I malfunzionamenti dei generatori sono principalmente categorizzati in tipi interni ed esterni:

• Malfunzionamenti Interni: Si verificano a causa di problemi nei componenti del generatore.

• Malfunzionamenti Esterni: Derivano da condizioni operative anormali o problemi della rete esterna.

I malfunzionamenti dei motori primari (ad esempio, motori diesel, turbine) sono di natura meccanica e definiti durante la progettazione dell'equipaggiamento, anche se devono integrarsi con le protezioni del generatore per scopi di disconnessione.

Tipi di Malfunzionamenti Interni
1. Malfunzionamenti dello Stator

• Surriscaldamento degli Avvolgimenti: Causato da sovraccarichi permanenti o rottura dell'isolamento.

• Malfunzionamento Fase-Fase: Si verifica a causa del fallimento dell'isolamento tra le fasi.

• Malfunzionamento Fase-Terra: Perdita di corrente dagli avvolgimenti di fase alla struttura dello stator.

• Malfunzionamento Interbobina: Cortocircuito tra spire adiacenti nello stesso avvolgimento.

2. Malfunzionamenti del Rotore

• Malfunzionamento a Terra: Perdita di corrente dagli avvolgimenti del rotore all'albero del rotore.

• Cortocircuito degli Avvolgimenti: Riduce la tensione di eccitazione e aumenta la corrente nei rotori avvolti.

• Surriscaldamento: Causato da correnti non bilanciate nello stator (ad esempio, interruzione monofase, sequenza negativa delle fasi).

3. Perdita di Campo/Eccitazione

• Il potere reattivo fluisce nel generatore, causando il suo funzionamento come generatore induttivo e perdendo la sincronizzazione.

4. Operazione Fuori Passo

• Sollecitazioni meccaniche sull'albero e oscillazioni di tensione a causa della perdita di sincronizzazione con la rete.

5. Operazione a Motore

• Il generatore preleva energia dalla rete quando l'approvvigionamento del motore primario fallisce (ad esempio, perdita di vapore/acqua), rischiando surriscaldamento o cavillazione nelle turbine.

6. Malfunzionamenti Meccanici

• Surriscaldamento dei cuscinetti, perdita di pressione dell'olio lubrificante e vibrazioni eccessive.

Meccanismo di Surriscaldamento del Rotore

Le correnti non bilanciate nello stator (ad esempio, sequenza negativa delle fasi) inducono correnti di Foucault nel rotore a due volte la frequenza del sistema (100/120 Hz), causando un surriscaldamento localizzato. Questo indebolisce i tenoni e gli anelli di fissaggio del rotore.

Tipi di Malfunzionamenti Esterni
Anomalie del Sistema di Potenza

• Cortocircuiti Esterni: Malfunzionamenti sulla rete che influenzano l'operazione del generatore.

• Connessione Non Sincronizzata: Danni da parallelo improprio del generatore.

• Sovraccarico/Sovravelocità: Causati da scarico repentino di carico o fallimento del controllo del motore primario.

• Disallineamento Fase/Negativa Sequenza: Induce correnti di Foucault nel rotore e surriscaldamento.

• Deviazioni di Frequenza/Tensione: Frequenza/tensione al di sotto/sopra lo stress sui componenti del generatore.

Dispositivi di Protezione del Generatore
Schemi di Protezione Chiave
1. Protezione dai Malfunzionamenti dello Stator

• Relè Differenziale: Rileva malfunzionamenti fase-fase e fase-terra confrontando le correnti di ingresso e uscita.

• Protezione a Terra: Utilizza relè di sovratensione (per messa a terra resistiva) o relè di tensione (per messa a terra tramite trasformatore) per rilevare malfunzionamenti a terra dello stator.

2. Protezione dai Malfunzionamenti del Rotore

• I relè a terra monitorano il cedimento dell'isolamento tra gli avvolgimenti del rotore e l'albero.

3. Protezione da Carico Non Bilanciato

• Monitora le correnti di sequenza negativa e la perdita di eccitazione, che causano problemi di flusso di potere reattivo.

4. Protezione dal Surriscaldamento

• Relè termici o sensori di temperatura rilevano il surriscaldamento degli avvolgimenti e dei cuscinetti dello stator; i relè di sequenza negativa si occupano del riscaldamento del rotore.

5. Protezione Meccanica

• Relè di sovraelongazione, sensori di vibrazione e interruttori di basso vuoto/pressione proteggono contro i guasti del motore primario e delle turbine.

6. Protezione di Backup e Supplementare

• Relè di potenza inversa impediscono l'operazione a motore, mentre i relè differenziali per malfunzionamenti a terra dello stator forniscono la rilevazione primaria dei guasti (vedi Figura 1 per le connessioni tipiche).

• Relè Differenziali: Confrontano le correnti alle due estremità degli avvolgimenti dello stator per rilevare malfunzionamenti interni.

Principi di Protezione

• Rilevamento di Tensione Zero Sequenza: Identifica malfunzionamenti interbobina monitorando gli squilibri di tensione tramite trasformatori di tensione (VT).

• Adattamento del Sistema di Messa a Terra: Gli schemi di protezione variano in base ai metodi di messa a terra dello stator (resistiva o tramite trasformatore), utilizzando CTs o VTs per rilevare correnti/voltaggi di guasto.

Meccanismi di Protezione dai Malfunzionamenti degli Avvolgimenti del Rotore

I malfunzionamenti cortocircuito degli avvolgimenti del rotore avvolti sono protetti da relè di sovratensione, che disconnettono il generatore rilevando impennate anomale di corrente. I malfunzionamenti a terra costituiscono un altro rischio per gli avvolgimenti del rotore, anche se la loro protezione richiede approcci specializzati.

Nei grandi generatori termici, gli avvolgimenti del rotore o del campo sono tipicamente non messi a terra, il che significa che un singolo malfunzionamento a terra non produce una corrente di guasto. Tuttavia, tale malfunzionamento eleva il potenziale di tutto il sistema di campo ed eccitatore. Le tensioni extra indotte dall'apertura del circuito del campo o dell'interruttore principale del generatore, specialmente durante le condizioni di guasto, possono stressare l'isolamento degli avvolgimenti del campo, potenzialmente causando un secondo malfunzionamento a terra. Un secondo malfunzionamento può portare a un riscaldamento locale del ferro, alla distorsione del rotore e a un pericoloso squilibrio meccanico.

La protezione a terra del rotore spesso utilizza un relè che monitora l'isolamento applicando una tensione ausiliaria AC al rotore. In alternativa, viene utilizzato un relè di tensione in serie con una rete ad alta resistenza (comunemente una combinazione di resistori lineari e non lineari) attraverso il circuito del rotore. Il punto centrale di questa rete è collegato a terra tramite una bobina di relè sensibile (codice ANSI/IEEE/IEC 64). Gli schemi di protezione moderni preferiscono sempre di più combinazioni di resistori lineari e non lineari per migliorare la rilevazione dei guasti e il monitoraggio dell'isolamento.

Meccanismi di Protezione dalla Perdita di Campo e Sovreeccitazione

La protezione dalla perdita di campo utilizza un relè per rilevare le variazioni del flusso di potere reattivo. Uno schema tipico utilizza un relè Offset Mho (impedenza) - un dispositivo monofase alimentato da trasformatori di corrente (CTs) e trasformatori di tensione (VTs) - per misurare l'impedenza del carico. Il relè scatta quando l'impedenza cade all'interno della sua caratteristica operativa. Un relè temporizzato inizia la disconnessione del generatore se il potere reattivo in anticipo persiste per 1 secondo (tempo standard).

Protezione dalla Sovreeccitazione

Per prevenire la saturazione del nucleo durante l'avvio e lo spegnimento, la protezione dalla sovreeccitazione (codice ANSI/IEEE/IEC 59) è implementata, basata sulla relazione:B = V/f
dove:

• B = densità di flusso magnetico (tesla, T)

• V = tensione applicata (volt, V)

• f = frequenza (hertz, Hz)

Il flusso nucleare deve rimanere al di sotto del punto di saturazione, il che significa che la tensione può aumentare solo proporzionalmente alla frequenza (velocità). Un aumento rapido dell'eccitazione aumenta il rischio di sovreeccitazione, rilevato da relè Volts per Hertz. Questi relè presentano caratteristiche lineari e scattano quando V/f superano le soglie impostate.

Protezione dal Surriscaldamento dello Stator e del Rotore

• Avvolgimenti e Cuscinetti dello Stator: Monitoraggio della temperatura tramite detettori di temperatura a resistenza (RTDs) e termistori.

• Squilibrio Fase dello Stator: Relè di sovratensione inversamente temporizzati impostati sulla tolleranza termica massima del rotore.

• Protezione da Sequenza Negativa: Protegge la macchina dal surriscaldamento del rotore causato dalle correnti non bilanciate dello stator, che inducono correnti dannose di Foucault nel rotore.

Sistemi di protezione affidabili sono fondamentali per minimizzare i danni e il tempo di riparazione, poiché i generatori sono tra i componenti più costosi del sistema di potenza.

Questa protezione utilizza un relè che confronta le correnti in due fasi tramite trasformatori di corrente (CTs), come illustrato nella Figura 2. Le impostazioni di protezione sono determinate dal tempo massimo che il rotore può sopportare il surriscaldamento, definito dall'equazione K = I²t (derivata dalla legge di Joule), dove I è la corrente di sequenza negativa e t è la durata.

Le curve tipiche di corrente-tempo specificate dal produttore per questa condizione variano in base al tipo di motore primario, come mostrato nel diagramma di riferimento.

Sistemi di Protezione da Potenza Inversa, Fuori Passo e Frequenza/Tensione
Protezione da Potenza Inversa (Codice ANSI/IEEE/IEC 32)

Questa protezione utilizza un relè direzionale di potenza per monitorare il carico del generatore, alimentato da CTs e VTs (vedi Figura 3). Il relè si attiva rilevando un flusso di potenza negativo, indicando che il generatore sta prelevando energia dalla rete (operazione a motore) e scatta per disconnettere il generatore per prevenire danni alla turbina.

Protezione Fuori Passo

Progettata per rilevare disturbi del sistema di potenza (non malfunzionamenti del generatore), questa protezione identifica lo slittamento polare quando il generatore perde la sincronizzazione. Scatta gli interruttori del generatore mantenendo in funzione la turbina, permettendo la riconnessione dopo che il disturbo si è dissipato.

• Principio di Funzionamento: Tre relè di impedenza misurano l'impedenza del carico. Lo scatto avviene se i relè si attivano in una sequenza specifica durante le oscillazioni di potenza, distinguendolo dalla perdita di eccitazione (che si verifica a campo zero) e l'operazione con il generatore a pieno campo.

Protezione da Frequenza e Tensione
Protezione da Frequenza Alti/Bassi (Codice ANSI/IEEE/IEC 81)

• Frequenza Alta: Causata da uno scarico repentino di carico, rischiando sovratensione se non gestita. I controlli del generatore devono regolare l'uscita per adattarla alla domanda.

• Frequenza Bassa: Risultato da una generazione insufficiente per i carichi connessi, causando cali di tensione, eccitazione aumentata e surriscaldamento del rotore e dello stator. Lo scarico di carico è critico per prevenire il collasso del sistema.

Relè di Sottotensione/Sovratensione (Codici 27/59)

Monitorano e controllano le deviazioni di tensione per proteggere l'equipaggiamento da stress o danni.

Protezione Suppletiva di Avvio Fasoriale

Impedisce l'avvio del generatore in presenza di un guasto o in condizioni caricate. I relè di sovratensione a livello basso si attivano solo quando la frequenza è inferiore a 52 Hz (per sistemi a 60 Hz) o 42 Hz (per sistemi a 50 Hz), assicurando la protezione durante le transizioni di avvio.

Protezione da Cortocircuito Esterno

I relè di sovratensione (50, 50N, 51, 51N) rilevano e eliminano i guasti sulla rete esterna, proteggendo il generatore da correnti di guasto eccessive.

Questi schemi di protezione affrontano collettivamente anomalie operative, dai ribaltamenti di flusso di potenza a disturbi a livello di sistema, garantendo l'integrità del generatore e la stabilità della rete.