発電機保護 – 故障の種類と保護装置

一般的発電機の故障と保護システム
発電機の故障の分類

発電機の故障は主に内部障害と外部障害に分類されます：

• 内部障害：発電機の部品内の問題から生じます。

• 外部障害：異常な運転条件または外部ネットワークの問題から生じます。

原動機（例：ディーゼルエンジン、タービン）の故障は機械的な性質を持ち、設備設計時に定義されますが、トリッピングの目的で発電機の保護と統合する必要があります。

内部障害の種類
1. アルミナート障害

• 巻線過熱：永久的なオーバーロードや絶縁破壊によって引き起こされます。

• 相間障害：相間の絶縁不良によって発生します。

• 相対地障害：相巻線からの電流漏れがスタータフレームに流れます。

• 巻線内障害：同じ巻線内の隣接するターン間のショートサーキット。

2. ロータ障害

• 対地障害：ロータ巻線からの電流漏れがロータシャフトに流れます。

• 巻線ショートサーキット：励磁電圧を低下させ、巻線ロータの電流を増加させます。

• 過熱：スタータの不均衡電流（例：単極トリップ、負の相列）によって引き起こされます。

3. 磁場/励磁の喪失

• リアクティブパワが発電機に流れ込み、誘導発電機として動作し、同期を失います。

4. 同期外れ運転

• グリッドとの同期を失ったことによるシャフトへの機械的ストレスと電圧の揺らぎ。

5. 電動機運転

• 原動機供給が失われた場合（例：蒸気/水の損失）、発電機がグリッドから電力を引き取り、タービンの過熱または空洞化のリスクがあります。

6. 機械的障害

• ベアリングの過熱、潤滑油圧の低下、および過度の振動。

ロータ過熱のメカニズム

不均衡なスタータ電流（例：負の相列）は、システム周波数の2倍（100/120 Hz）でロータに渦電流を誘導し、局所的な過熱を引き起こします。これにより、ロータ保持ウェッジとリングが弱まります。

外部障害の種類
電力システムの異常

• 外部ショートサーキット：グリッド上の障害が発電機の運転に影響を与えます。

• 非同期接続：適切な発電機並列接続の欠如による損傷。

• 過負荷/過回転：突然の負荷開放や原動機制御の失敗によって引き起こされます。

• 相不均衡/負の相列：ロータに渦電流を誘導し、過熱を引き起こします。

• 周波数/電圧偏差：過少/過大な周波数または電圧が発電機の部品にストレスを与えます。

発電機保護装置
主要な保護スキーム
1. アルミナート障害保護

• 差動リレー：入力/出力電流を比較して相間および相対地障害を検出します。

• 対地障害保護：抵抗接地では過電流リレーを使用し、トランスフォーマ接地では電圧リレーを使用してアルミナート接地障害を検出します。

2. ロータ障害保護

• 対地障害リレーは、ロータ巻線とシャフト間の絶縁不良を監視します。

3. 不均衡負荷保護

• 負の相列電流と励磁の喪失を監視し、リアクティブパワフローの問題を引き起こします。

4. 過熱保護

• 熱リレーまたは温度センサーはアルミナート巻線とベアリングの過熱を検出し、負の相列リレーはロータの過熱に対処します。

5. 機械的保護

• 過回転リレー、振動センサー、および低真空/圧力スイッチは、原動機とタービンの故障から保護します。

6. バックアップと補助保護

• 逆電力リレーは電動機運転を防ぎ、アルミナート接地障害用の差動リレーは一次障害検出を提供します（図1参照）。

• Differential Relays: スタータ巻線の両端の電流を比較して内部障害を検出します。

保護原則

• ゼロシーケンス電圧検出：電圧変換器（VT）を通じて電圧バランスを監視することで、巻線内障害を識別します。

• 接地システム適応: 保護スキームはスタータ接地方法（抵抗またはトランスフォーマ接地）に基づいて変わり、CTまたはVTを使用して障害電流/電圧を感知します。

ロータ巻線障害保護メカニズム

巻線ロータ巻線ショートサーキット障害は、過電流リレーによって保護され、異常な電流急増を検出したときに発電機をトリップします。ロータ巻線に対するもう一つのリスクは対地障害であり、その保護には専門的なアプローチが必要です。

大型の熱発電機では、ロータまたはフィールド巻線は通常接地されておらず、単一の接地障害は障害電流を生じません。しかし、このような障害はフィールドとエキサイターシステム全体のポテンシャルを高めます。特に障害状況下でのフィールドまたは主発電機ブレーカーの開閉によって誘起される追加電圧は、フィールド巻線の絶縁にストレスを与え、第2の接地障害を引き起こす可能性があります。第2の障害は局所的な鉄の加熱、ロータの歪み、危険な機械的不均衡を引き起こす可能性があります。

ロータ対地障害保護は、補助AC電圧をロータに適用して絶縁を監視するリレーを使用することが多いです。あるいは、ロータ回路に渡る高抵抗ネットワーク（通常は線形と非線形抵抗の組み合わせ）と直列に電圧リレーを使用します。このネットワークの中心点は、感度の高いリレーコイル（ANSI/IEEE/IECコード64）を介して接地に接続されます。現代の保護スキームでは、線形と非線形抵抗の組み合わせが障害検出と絶縁監視の改善のためにますます好まれています。

磁場喪失と過励磁保護メカニズム

磁場喪失保護は、リアクティブパワフローの変化を検出するリレーを使用します。典型的なスキームでは、Offset Mho（インピーダンス）リレーを使用します。これは単相デバイスで、発電機電流変換器（CT）と電圧変換器（VT）から供給され、負荷インピーダンスを測定します。リレーはインピーダンスが動作特性内にあるときにトリガーされます。タイミングリレーは、先導リアクティブパワが1秒間（標準タイマー）継続した場合に発電機のトリップを開始します。

過励磁保護

起動と停止中にコア飽和を防ぐために、過励磁保護（ANSI/IEEE/IECコード59）が実装されます。これは以下の関係に基づいています：B = V/f
ここで：

• B = 磁束密度（テスラ、T）

• V = 適用電圧（ボルト、V）

• f = 周波数（ヘルツ、Hz）

コア磁束は飽和点以下に保たれる必要があり、つまり電圧は周波数（速度）に比例して増加するだけです。急速な励磁は過励磁のリスクを高め、Volts per Hertzリレーによって検出されます。これらのリレーは線形特性を持ち、V/f が設定された閾値を超えたときにトリップします。

アルミナートとロータの過熱保護

• アルミナート巻線とベアリング：抵抗温度検出器（RTD）とサーミスタを使用して温度を監視します。

• アルミナート相不均衡：ロータの最大耐熱限界に基づいて設定された時間逆過電流リレー。

• 負の相列保護：不均衡なアルミナート電流によって引き起こされるロータの過熱から機器を保護します。これらはロータに有害な渦電流を誘導します。

信頼性の高い保護システムは、発電機が最も高価な電力システム部品であるため、損傷と修理時間を最小限に抑えるために重要です。

この保護は、電流変換器（CT）を通じて2つの相の電流を比較するリレーを使用します（図2参照）。保護設定は、ロータが過熱を耐えられる最大時間に基づいて決定され、Jouleの法則から導かれた式K = I²t（ここでIは負の相列電流、tは持続時間）によって定義されます。

製造元が指定するこの条件の典型的な時間-電流曲線は、原動機のタイプによって異なり、参照図に示されています。

逆電力、同期外れ、および周波数/電圧保護システム
逆電力保護（ANSI/IEEE/IECコード32）

この保護は、電力方向リレーを使用して発電機の負荷を監視します。これはCTとVT（図3参照）から供給されます。リレーは負の電力フローを検出したときに活性化し、発電機がグリッドから電力を引き取っている（電動機運転）ことを示し、トリップをトリガーしてタービンの損傷を防ぎます。

同期外れ保護

この保護は、発電機の故障ではなく、電力システムの擾乱を検出するように設計されています。発電機が同期を失って極が滑るのを識別し、トリップをトリガーして発電機ブレーカーを切断しますが、タービンは動作を続け、擾乱が解消された後に再同期することができます。

• 動作原理：3つのインピーダンスリレーが負荷インピーダンスを測定します。トリップは、パワースイング中の特定の順序でリレーが活性化したときに発生し、励磁喪失（ゼロフィールドで発生）と全フィールドでの動作と区別します。

周波数と電圧保護
過少/過大周波数保護（ANSI/IEEE/IECコード81）

• 過周波：突然の負荷開放によって引き起こされ、管理されない場合は過電圧のリスクがあります。発電機制御は出力を需要に合わせて調整する必要があります。

• 過少周波：接続された負荷に対して発電量が不足している場合に発生し、電圧降下、励磁の増加、ロータとアルミナートの過熱につながります。負荷開放はシステムの崩壊を防ぐために重要です。

過少/過大電圧リレー（コード27/59）

電圧偏差を監視し、制御して機器がストレスや損傷を受けないように保護します。

相補助起動保護

発電機が障害または負荷条件下で起動することを防ぎます。低設定の過電流リレーは、周波数が52 Hz（60 Hzシステムの場合）または42 Hz（50 Hzシステムの場合）未満の場合のみ作動し、起動時の一時的な保護を確保します。

外部ショートサーキット保護

過電流リレー（50、50N、51、51N）は外部ネットワーク上の障害を検出し、クリアし、発電機が過大な障害電流から保護されます。

これらの保護スキームは、電力フローの反転からシステム全体の擾乱まで、さまざまな運用異常に対処し、発電機の整合性とグリッドの安定性を確保します。