Заштита на генератор – Типови на повреди и уреди за заштита

Обични грешки на генераторите и системи за заштита
Класификација на грешките на генераторот

Грешките на генераторите се првенствено класифицирани во внатрешни и надворешни типови:

• Внатрешни грешки: Потекнуваат од проблеми во компонентите на генераторот.

• Надворешни грешки: Потекнуваат од аномални услови на работа или проблеми со надворешната мрежа.

Механичките грешки на главните двигачи (на пример, дизелски двигачи, турбини) се дефинирани при дизајнирањето на опремата, иако мора да се интегрираат со заштитите на генераторот за цели на прекинување.

Типови на внатрешни грешки
1. Грешки на статорот

• Превишена температура на намотавањето: Причинирана од постојано претоварување или повреда на изолацијата.

• Фазно-фазна грешка: Се случува поради повреда на изолацијата помеѓу фазите.

• Фазно-земјска грешка: Изтечување на стројот од фазните намотавања кон рамката на статорот.

• Интертурнска грешка: Кратко поврзување помеѓу соседни турнови во исто намотавање.

2. Грешки на роторот

• Земјска грешка: Изтечување на стројот од намотавањата на роторот кон валцот на роторот.

• Кратко поврзување на намотавањето: Се намалува напонот на екситација и се зголемува стројот во намотени ротори.

• Превишена температура: Причинирана од несбалансиран строј на статорот (на пример, прекинување на една пола, негативна фазна последователност).

3. Губење на поле/екситација

• Реактивниот строј тече во генераторот, што го прави да работи како индукционен генератор и го губи синхронизацијата.

4. Работа надвор од синхронизација

• Механички стресови на валцот и колебања на напонот поради губење на синхронизација со мрежата.

5. Моторска операција

• Генераторот ја исцрпува моќта од мрежата кога податокот на главниот двигач падне (на пример, загуба на пара/вода), со ризик од превишена температура или кавитација во турбините.

6. Механички грешки

• Превишена температура на лежниците, губење на притисокот на смазалото масло и превишена вибрација.

Механизам на превишена температура на роторот

Несбалансираните строеви на статорот (на пример, негативна фазна последователност) индуцираат едисонови строеви во роторот на два пати од системскиот фреквенција (100/120 Hz), што предизвикува локална превишена температура. Ова ослабнува задржувачките клинови и прстени на роторот.

Типови на надворешни грешки
Аномалии на системот за моќ

• Надворешни кратки поврзувања: Грешки на мрежата кои влијаат на работата на генераторот.

• Несинхронизирано поврзување: Штета од неправилно паралелно поврзување на генераторот.

• Претоварување/Превишена брзина: Причинирано од изведнување на натоварувањето или недостаток на контрола на главниот двигач.

• Несбалансирана фаза/Негативна последователност: Индуцира едисонови строеви и превишена температура на роторот.

• Девиации на фреквенција/напон: Под/превишена фреквенција или напон што става под притисок компонентите на генераторот.

Уреди за заштита на генераторот
Клучни шеми за заштита
1. Заштита против грешки на статорот

• Диференцијален реле: Детектира фазно-фазни и фазно-земјски грешки со споредување на входни/излезните строеви.

• Заштита против земјски грешки: Исползува префрлачи за префрлач (за резистивно земјско поврзување) или напонски реле (за трансформаторско земјско поврзување) за детектирање на земјски грешки на статорот.

2. Заштита против грешки на роторот

• Земјски реле следат повреди на изолацијата помеѓу намотавањата на роторот и валцот.

3. Заштита против несбалансирано натоварување

• Следи негативни фазни последователности и губење на екситација, што предизвикува проблеми со текот на реактивната моќ.

4. Заштита против превишена температура

• Термички реле или датчици за температура детектираат превишена температура на намотавањата на статорот и лежниците; реле за негативна фазна последователност се справуваат со нагревувањето на роторот.

5. Механичка заштита

• Реле за превишена брзина, датчици за вибрација и реле за ниски вакуум/притисок заштитуваат од повреди на главниот двигач и турбините.

6. Задополнителна и резервна заштита

• Реле за обратна моќ предотвратуваат моторска операција, додека диференцијалните реле за земјски грешки на статорот даваат основна детекција на грешки (видете Слика 1 за типични поврзувања).

• Диференцијални реле: Споредуваат строевите на двете крајни точки на намотавањата на статорот за детекција на внатрешни грешки.

Принципи на заштита

• Детекција на нултосеквенцијален напон: Идентификува интертурнски грешки со мониторирање на дисбаланс на напоните преку напонски трансформатори (VT).

• Адаптација на системот за земјско поврзување: Шемите за заштита варираат според методите за земјско поврзување на статорот (резистивно или трансформаторско), користејќи CT-ови или VT-ови за сензорство на грешкови на стројот/напонот.

Механизми за заштита против грешки на намотавањата на роторот

Грешките на кратко поврзување на намотавањето на намотени ротори се заштитени со префрлачи за префрлач, кои прекинуваат генераторот кога детектираат аномални течења на стројот. Земјските грешки предизвикуваат друг ризик за намотавањата на роторот, иако нивната заштита бара специјализирани пристапи.

Во големите термички генератори, намотавањата на роторот или полето обично не се земјски поврзани, што значи дека една земјска грешка не произведува грешен строј. Меѓутоа, таква грешка повисува потенцијалот на целата система за поле и екситер. Дополнителните напони индуцирани од отварањето на полето или главниот прекинувач на генераторот – особено при грешки – можат да стават под притисок изолацијата на намотавањето на полето, што може да предизвика втора земјска грешка. Втората грешка може да предизвика локално нагревање на железото, искривување на роторот и опасен механички дисбаланс.

Заштитата против земјски грешки на роторот често се исползува реле којо следи изолацијата со применување на помошни AC напони на роторот. Како алтернатива, се користи напонско реле во серија со мрежа со висок резистор (обично комбинација од линеарни и нелинеарни резистори) преку циркулацијата на роторот. Централната точка на оваа мрежа се поврзува на земјата преку осетлив реле коил (ANSI/IEEE/IEC код 64). Современите шеми за заштита все повеќе се насочуваат кон комбинации од линеарни и нелинеарни резистори за подобрување на детекцијата на грешки и мониторирање на изолацијата.

Механизми за заштита против губење на поле и превишена екситација

Заштитата против губење на поле користи реле за детекција на промени во текот на реактивната моќ. Типична шема користи Offset Mho (импеданс) реле – еднофазен уред снабден со префрлачи за префрлач (CTs) и напонски трансформатори (VTs) – за мерење на импедансата на натоварувањето. Релеот активира кога импедансата се наоѓа во неговата оперативна карактеристика. Времески реле иницира прекинување на генераторот ако водечки реактивен строј се продолжува за 1 секунда (стандардно време).

Заштита против превишена екситација

За да се предотврати насытување на јадрото при започнување и завршување, се имплементира заштита против превишена екситација (ANSI/IEEE/IEC код 59), базирана на релацијата:B = V/f
каде:

• B = магнетна плуста густина (тесла, T)

• V = применет напон (волти, V)

• f = фреквенција (херц, Hz)

Плустата густина на јадрото мора да остане под точката на насытување, што значи дека напонот може само да се зголеми пропорционално со фреквенцијата (брзина). Брзото екситирање зголемува ризикот од превишена екситација, која се детектира со реле за волти по херц. Овие реле имаат линеарни карактеристики и прекинуваат кога V/f прекинува поставените превиши.

Заштита против превишена температура на статорот и роторот

• Намотавања на статорот и лежници: Мониторирање на температурата преку датчици за температура со резистивност (RTDs) и термистори.

• Несбалансирана фаза на статорот: Префрлачи за префрлач со временски обратен претходен период поставени до максималната топлинска толеранција на роторот.

• Заштита против негативна фазна последователност: Защитува машината од превишена температура на роторот предизвикана од несбалансираните строеви на статорот, кои индуцираат штетни едисонови строеви во роторот.

Поверливите системи за заштита се критични за минимизирање на штетата и времето за поправка, бидејќи генераторите се меѓу најскапите компоненти на системот за моќ.

Оваа заштита користи реле којо споредува строевите во две фази преку префрлачи за префрлач (CTs), како што е прикажано на Слика 2. Преведените подесувања се одредуваат од максималното време што роторот може да го издржи нагревувањето, дефинирано со равенката K = I²t (изведена од Џоулов закон), каде I е негативниот фазен строј и t е должината на времето.

Типичните временски-стројни криви за овој услов варираат според типот на главниот двигач, како што е прикажано на референтниот дијаграм.

Заштита против обратна моќ, работа надвор од синхронизација и заштита против фреквенција/напон
Заштита против обратна моќ (ANSI/IEEE/IEC код 32)

Оваа заштита користи реле за насока на моќта за мониторирање на натоварувањето на генераторот, снабдено со префрлачи за префрлач (CTs) и напонски трансформатори (VTs) (видете Слика 3). Релеот активира кога детектира негативен тек на моќ – што значи дека генераторот исцрпува моќ од мрежата (моторска операција) – и иницира прекинување за предотвратување на повреди на турбината.

Заштита против работа надвор од синхронизација

Дизајнирана за да детектира аномалии на системот за моќ (не грешки на генераторот), оваа заштита идентификува склизнување на половите кога генераторот губи синхронизација. Прекинува генераторските прекинувачи додека турбината продолжува да работи, дозволувајќи повторно синхронизирање по исчезнување на аномалијата.

• Принцип на работа: Три импедансни реле мерат импедансата на натоварувањето. Прекинувањето се случува ако релеите се активираат во специфична последователност во текот на колебања на моќта, разликувајќи го од губење на екситација (што се случува при нулто поле) и работа со генераторот на цел поле.

Заштита против фреквенција и напон
Заштита против под/над фреквенција (ANSI/IEEE/IEC код 81)

• Над фреквенција: Причинирана од изведнување на натоварувањето, со ризик од превишена напонска вредност ако не се управува. Контролите на генераторот мора да ја прилагодат производната за да се подеси со потребата.

• Под фреквенција: Резултат на недостаточна производа за поврзаните натоварувања, што доведува до пад на напонот, зголемена екситација и превишена температура на роторот и статорот. Изведнувањето на натоварувањето е критично за предотвратување на коллапс на системот.

Реле за под/над напон (Кодови 27/59)

Мониторираат и контролираат девиациите на напонот за да заштитат опремата од притисок или повреда.

Заштита против дополнителен почеток на фаза

Превенција на почеток на генераторот во грешка или натоварено состојба. Префрлачи за префрлач со ниски превиши се активираат само кога фреквенцијата е под 52 Hz (за 60 Hz системи) или 42 Hz (за 50 Hz системи), осигурувајќи заштита во текот на транзиентите на почеток.

Заштита против надворешни кратки поврзувања

Префрлачи за префрлач (50, 50N, 51, 51N) детектираат и очистуваат грешки на надворешната мрежа, заштитувајќи генераторот од пр