Dzeneratora aizsardzība – Kādu veidu defektus un aizsardzības ierīces

Biežākie dzinēja trūkumi un aizsardzības sistēmas
Dzinēju trūkumu klasifikācija

Dzinēju trūkumi galvenokārt tiek sadalīti divos veidos — iekšējie un ārējie:

• Iekšējie trūkumi: Rodas no problēmām ar dzinēja sastāvdaļām.

• Ārējie trūkumi: Izriet no nesakritojuma darbības apstākļiem vai ārējā tīkla problēmām.

Galveno dzinēju (piemēram, dīzeļdzinēji, turbīnas) trūkumi ir mehāniski rakstura un tiek definēti iekārtu projektēšanas laikā, tomēr tie jāintegrē ar dzinēju aizsardzību, lai nodrošinātu izslēgšanu.

Iekšējo trūkumu veidi
1. Statora trūkumi

• Vijas pārsildīšanās: Izriet no pastāvīgi pārsniegtiem slodzes robežām vai izolācijas bojājumiem.

• Fāzes starpnieka trūkums: Notiek, ja notiek izolācijas bojājums starp fāzēm.

• Fāzes līdz zemei trūkums: Strāvas izplūdes no fāzes vijām uz statora rāmisu.

• Pārklājuma trūkums: Īsslēgums starp blakus esošām vijām vienā un tajā pašā vijā.

2. Rotoru trūkumi

• Zemes trūkums: Strāvas izplūde no rotoru vijām uz rotora vaļu.

• Vijas īsslēgums: Samazina excitačijas spriegumu un palielina strāvu viju rotoriem.

• Pārsildīšanās: Izriet no statora nesakritojuma strāvām (piemēram, vienas polāra izslēgšana, negatīvā fāzes sekvence).

3. Lauka/Excitačijas zaudēšana

• Reaktivā spēka plūsme ietilpst dzinējā, padarot to par indukcijas dzinēju un zaudējot sinhronismu.

4. Nesaistīta darbība

• Mehāniskas spriedzes uz vaļu un sprieguma svārstības, jo dzinējs zaudē sinhronismu ar tīklu.

5. Motoru darbība

• Dzinējs pieņem enerģiju no tīkla, kad galvenais dzinējs nespēj nodrošināt (piemēram, gāzes/dzeseldegvielas zudums), riskējot ar pārsildīšanos vai kavitāciju turbinās.

6. Mehāniskie trūkumi

• Gultu pārsildīšanās, smaržļa spiediena zudums un pārmērīga vibrācija.

Rotoru pārsildīšanās mehānisma

Nesakritojuma statora strāvas (piemēram, negatīvā fāzes sekvence) izraisā eddija strāvas rotorā divreiz lielākā sistēmas frekvencē (100/120 Hz), izraisot vietējo pārsildīšanos. Tas vājinā rotoru uzturēšanas šķēršķis un kolus.

Ārējo trūkumu veidi
Enerģijas sistēmas neregularitātes

• Ārējie īsslēgumi: Tīkla trūkumi, kas ietekmē dzinēja darbību.

• Nesinhronizēta savienojuma: Kaitējums no nepareiza dzinēja savienošanas paralēli.

• Pārsniegums/pārsniegums: Izriet no nejauša slodzes atbrīvošanas vai galvenā dzinēja kontrolēšanas trūkumiem.

• Fāzes nesakritojums/negatīvā sekvence: Izraisā rotoru eddija strāvas un pārsildīšanos.

• Frekvences/sprieguma novirzēs: Zemākas/vairākās frekvences vai sprieguma stresē dzinēja komponentus.

Dzinēju aizsardzības ierīces
Galvenās aizsardzības shēmas
1. Statora trūkumu aizsardzība

• Diferenciālā rele: Izmanto, lai noteiktu fāzes starpnieka un fāzes līdz zemei trūkumus, salīdzinot ieejas/izejas strāvas.

• Zemes aizsardzība: Izmanto pārsniedzuma strāvas rele (priekš rezistīva zemes) vai sprieguma rele (priekš transformatora zemes), lai noteiktu statora zemes trūkumus.

2. Rotoru trūkumu aizsardzība

• Zemes rele monitorē izolācijas bojājumus starp rotoru vijām un vaļu.

3. Nesakritojuma slodzes aizsardzība

• Monitorē negatīvo fāzes sekvenci un excitačijas zaudēšanu, kas izraisā reaktivā spēka plūsmes problēmas.

4. Pārsildīšanās aizsardzība

• Termorele vai temperatūras sensori izmanto, lai noteiktu statora viju un gultu pārsildīšanos; negatīvās fāzes sekvences rele risina rotoru sildīšanos.

5. Mehāniskā aizsardzība

• Pārsnieguma rele, vibrācijas sensori un zems vakuum/spiediens rele aizsargā pret galvenā dzinēja un turbinu trūkumiem.

6. Atbalsta un papildu aizsardzība

• Apakšējā spēka rele novērš motoru darbību, kamēr diferenciālā rele statora zemes trūkumiem nodrošina primāro trūkumu noteikšanu (skatīt 1. figūru tipiskajiem savienojumiem).

• Diferenciālā rele: Salīdzina strāvas abās statora viju galdās, lai noteiktu iekšējos trūkumus.

Aizsardzības principi

• Nulles secības sprieguma noteikšana: Identificē pārklājuma trūkumus, monitorējot sprieguma nelīdzsvarotību ar sprieguma transformatoriem (VT).

• Zemes sistēmas pielāgošana: Aizsardzības shēmas atšķiras atkarībā no statora zemes metodes (rezistīvs vai transformators), izmantojot ST vai VT, lai noteiktu trūkumu strāvas/spriegumu.

Rotoru viju trūkumu aizsardzības mehānismi

Viju rotoru viju īsslēgumu trūkumi tiek aizsargāti ar pārsniedzuma strāvas rele, kas izslēdz dzinēju, nosakot neierobežotas strāvas pieaugumu. Zemes trūkumi rada citu risku rotoru vijām, to aizsardzībai nepieciešamas specializētas pieejas.

Lielos termiskos dzinējos, rotoru vai lauka vijas parasti nav zemes, tāpēc viens zemes trūkums nerada trūkuma strāvu. Tomēr tāds trūkums paaugstinās veselā lauka un exciter sistēmas potenciālu. Papildu spriegumi, kas izraisīti, atverot lauku vai galveno dzinēja izslēgumu — īpaši trūkuma apstākļos — var stresēt lauka viju izolāciju, iespējams, izraisot otru zemes trūkumu. Otrs trūkums var radīt vietējo dzelzs sildīšanos, rotoru deformāciju un bīstamu mehānisko nesakritojumu.

Rotoru zemes trūkumu aizsardzība parasti izmanto rele, kas monitorē izolāciju, piemērojot palīgsavienojumu AC spriegumu rotoram. Alternatīvi, sprieguma rele tiek izmantots sērijā ar augstu rezistīvuma tīklu (parasti lineāro un nelīniju rezistoru kombinācija) caur rotoru tīklu. Šī tīkla centrpunkts savienots ar zemi caur jūtīgu rele spuldzi (ANSI/IEEE/IEC kode 64). Modernās aizsardzības shēmas arvien vairāk atbalsta lineāro un nelīniju rezistoru kombinācijas, lai uzlabotu trūkumu noteikšanu un izolācijas monitorēšanu.

Lauka zaudēšanas un pārsnieguma aizsardzības mehānismi

Lauka zaudēšanas aizsardzība izmanto rele, lai noteiktu reaktivā spēka plūsmes maiņas. Tipiska shēma izmanto Offset Mho (impedance) rele — vienvietīgu ierīci, ko nodrošina dzinēja strāvas transformatori (ST) un sprieguma transformatori (VT) — lai mērītu slodzes impedanci. Rele aktivizējas, kad impedanca nonāk tā darbības rakstura robežās. Laika rele sāk dzinēja izslēgšanu, ja vedošais reaktīvais spēks turpinās 1 sekundē (standarta laiks).

Pārsnieguma aizsardzība

Lai novērstu kodolu saturošanos startēšanas un apstādināšanas laikā, tiek ieviesta pārsnieguma aizsardzība (ANSI/IEEE/IEC kode 59), balstoties uz attiecību:B = V/f
kur:

• B = magnētiskā plūsma (tesla, T)

• V = piemērots spriegums (volti, V)

• f = frekvence (herci, Hz)

Kodola plūsma jāpaliek zemāk par saturošanas punktu, tāpēc spriegums var tikai palielināties proporcionāli ar frekvenci (ātrumu). Ātra excitačija palielina pārsnieguma risku, ko noteic Volts per Hertz rele. Šie rele ir ar lineāru raksturu un izslēdz, ja V/f pārsniedz iestatītos slieksnes.

Statora un rotoru pārsildīšanās aizsardzība

• Statora vijas un gultas: Temperatūras monitorings ar rezistīva temperatūras detektoriem (RTD) un termistoriem.

• Statora fāzes nesakritojums: Laika inversā pārsniedzuma strāvas rele, iestatītas pēc rotora maksimālās siltuma drošības.

• Negatīvā fāzes sekvences aizsardzība: Aizsargā mašīnu no rotoru pārsildīšanās, ko izraisa nesakritojuma statora strāvas, kas izraisā kaitīgas eddija strāvas rotorā.

Uzticami aizsardzības sistēmas ir kritiskas, lai samazinātu kaitējumu un remontu laiku, jo dzinēji ir vieni no dārgākajiem enerģijas sistēmas komponentiem.

Šī aizsardzība izmanto rele, kas salīdzina strāvas divās fāzēs, izmantojot strāvas transformatorus (ST), kā attēlots 2. figūrā. Aizsardzības iestatījumi tiek noteikti pēc maksimālā laika, cik ilgi rotors var izturēt pārsildīšanos, kas definēts ar vienādojumu K = I²t (izvedots no Joule likuma), kur I ir negatīvās fāzes strāva un t ir laiks.

Ražotāja norādītie tipiskie laika-strāvas diagrammas šim stāvoklim atšķiras atkarībā no galvenā dzinēja veida, kā attēlots atsauces diagrammā.

Apakšējā spēka, nesaistīta un frekvences/sprieguma aizsardzības sistēmas
Apakšējā spēka aizsardzība (ANSI/IEEE/IEC kode 32)

Šī aizsardzība izmanto spēka virziena rele, lai monitorētu dzinēja slodzi, ko nodrošina ST un VT (skatīt 3. figūru). Rele aktivizējas, nosakot negatīvo spēka plūsmu, kas norāda, ka dzinējs pieņem enerģiju no tīkla (motoru darbība), un izslēdz, lai novērstu turbinu kaitējumu.

Nesaistīta aizsardzība

Izstrādāta, lai noteiktu enerģijas sistēmas traucējumus (nevis dzinēja trūkumus), šī aizsardzība identificē polu slidošanu, kad dzinējs zaudē sinhronismu. Tā izslēdz dzinēja izslēgumus, saglabājot turbinu darbību, ļaujot resinhronizāciju pēc traucējuma beigām.

• Darbības princips: Trīs impendansa rele mēra slodzes impedanci. Izslēgšana notiek, ja rele aktivizējas konkrētā secībā laikā spēka svārstības, atšķirībā no excitačijas zaudēšanas (kas notiek pie nulles lauka) un darbības ar dzinēju pilnā laukā.

Frekvences un sprieguma aizsardzība
Pārsniedzuma/zemāka frekvence aizsardzība (ANSI/IEEE/IEC kode 81)

• Pārsniedzuma frekvence: Izriet no nejauša slodzes atbrīvošanas, riskējot ar pārspriegumu, ja to neatrisina. Dzinēja kontroles jāpielāgo izlaidums, lai atbilstu pieprasījumam.

• Zemāka frekvence: Izriet no nepietiekama enerģijas ražošanas pievienotajām slodzēm, kas izraisa sprieguma pazemināšanos, palielināto excitačiju un rotoru/statoru pārsildīšanos. Slodzes atbrīvošana ir kritiska, lai novērstu sistēmas sabrukumu.

Zemāka/pārsniedzuma sprieguma rele (kode 27/59)

Monitorē un kontrolē sprieguma novirzēs, lai aizsargātu iekārtas no stresa vai kaitējuma.

Fāzes papildu sākuma aizsardzība

Novērš dzinēja sākumu trūkuma vai slodzes stāvoklī. Zemas iestatījuma pārsniedzuma strāvas rele aktīvējas tikai tad, ja frekvence ir zemāka par 52 Hz (60 Hz sistēmām) vai 42 Hz (50 Hz sistēmām), nodrošinot aizsardzību laikā sākuma transitoriālajā stāvoklī.

Ārējo īsslēgumu aizsardzība

Pārsniedzuma strāvas rele (50, 50N, 51, 51N) noteik un izslēdz trūkumus ārējā tīklā, aizsargājot dzinēju no pārāk lielām trūkuma strāvām.

Šīs aizsardzības shēmas kopā risina darbības anomalijas — no spēka plūsmes mainīšanās līdz sistēmas plašākiem traucējumiem — nodrošinot dzinēja integritāti un tīkla stabilitāti.