Perlindungan Pembangkit – Jenis Kerosakan & Peranti Perlindungan

Kerosakan Umum Pemjan dan Sistem Perlindungan
Pengelasan Kerosakan Pemjan

Kerosakan pemjan secara utama dikategorikan kepada jenis dalaman dan luaran:

• Kerosakan Dalaman: Berasal dari masalah dalam komponen pemjan.

• Kerosakan Luaran: Berasal dari keadaan operasi tidak normal atau masalah jaringan luaran.

Kerosakan pada penggerak utama (contohnya, enjin diesel, turbin) bersifat mekanikal dan ditentukan semasa reka bentuk peralatan, walaupun mereka mesti diintegrasikan dengan perlindungan pemjan untuk tujuan pengecutan.

Jenis Kerosakan Dalaman
1. Kerosakan Stator

• Pemanasan Terlalu Panas Pembungkusan: Disebabkan oleh beban berlebihan yang kekal atau kerosakan isolasi.

• Kerosakan Fasa-ke-Fasa: Berlaku disebabkan oleh kegagalan isolasi antara fasa.

• Kerosakan Fasa-ke-Tanah: Pencucuran arus dari pembungkusan fasa ke rangka stator.

• Kerosakan Antara-Giliran: Hubungan pendek antara giliran bersebelahan dalam pembungkusan yang sama.

2. Kerosakan Rotor

• Kerosakan Tanah: Pencucuran arus dari pembungkusan rotor ke poros rotor.

• Hubungan Pendek Pembungkusan: Mengurangkan voltan eksitasi dan meningkatkan arus dalam rotor yang dibungkus.

• Pemanasan Terlalu Panas: Disebabkan oleh arus stator yang tidak seimbang (contohnya, trip tiang tunggal, urutan fasa negatif).

3. Kehilangan Medan/Eksitasi

• Daya reaktif mengalir ke dalam pemjan, menyebabkannya beroperasi sebagai pemjan induksi dan kehilangan sinkronisme.

4. Operasi Keluar Langkah

• Tekanan mekanikal pada poros dan ayunan voltan disebabkan oleh kehilangan sinkronisme dengan grid.

5. Operasi Motor

• Pemjan menarik daya dari grid apabila bekalan penggerak utama gagal (contohnya, hilangnya uap/air), membawa risiko pemanasan terlalu panas atau kavitasian dalam turbin.

6. Kerosakan Mekanikal

• Pemanasan terlalu panas bantalan, kehilangan tekanan minyak pelumas, dan getaran berlebihan.

Mekanisme Pemanasan Terlalu Panas Rotor

Arus stator yang tidak seimbang (contohnya, urutan fasa negatif) menghasilkan arus eddy dalam rotor pada dua kali frekuensi sistem (100/120 Hz), menyebabkan pemanasan terlalu panas tempatan. Ini melemahkan cincin dan wedges retensi rotor.

Jenis Kerosakan Luaran
Ketidaknormalan Sistem Kuasa

• Hubungan Pendek Luaran: Kerosakan pada grid yang mempengaruhi operasi pemjan.

• Sambungan Tidak Sinkron: Kerusakan disebabkan oleh penyelarian pemjan yang tidak tepat.

• Beban Berlebihan/Kelajuan Berlebihan: Disebabkan oleh pengurangan beban tiba-tiba atau kegagalan kawalan penggerak utama.

• Keseimbangan Fasa/Negatif Urutan: Menghasilkan arus eddy rotor dan pemanasan terlalu panas.

• Penyimpangan Frekuensi/Voltan: Frekuensi atau voltan rendah/tinggi yang memberi tekanan pada komponen pemjan.

Peranti Perlindungan Pemjan
Rangka Perlindungan Utama
1. Perlindungan Kerosakan Stator

• Relai Diferensial: Mendeteksi kerosakan fasa-ke-fasa dan fasa-ke-tanah dengan membandingkan arus input/output.

• Perlindungan Kerosakan Tanah: Menggunakan relai overcurrent (untuk grounding rintangan) atau relai voltan (untuk grounding transformator) untuk mendeteksi kerosakan tanah stator.

2. Perlindungan Kerosakan Rotor

• Relai kerosakan tanah memantau kegagalan isolasi antara pembungkusan rotor dan poros.

3. Perlindungan Beban Tidak Seimbang

• Memantau arus urutan fasa negatif dan kehilangan eksitasi, yang menyebabkan masalah aliran daya reaktif.

4. Perlindungan Pemanasan Terlalu Panas

• Relai termal atau sensor suhu mendeteksi pemanasan terlalu panas pembungkusan stator dan bantalan; relai urutan fasa negatif menangani pemanasan rotor.

5. Perlindungan Mekanikal

• Relai kelajuan berlebihan, sensor getaran, dan switch vakum/tekanan rendah melindungi terhadap kegagalan penggerak utama dan turbin.

6. Perlindungan Cadangan dan Tambahan

• Relai daya terbalik mencegah operasi motor, sementara relai diferensial untuk kerosakan tanah stator memberikan deteksi kerosakan utama (lihat Gambar 1 untuk sambungan tipikal).

• Relai Diferensial: Membandingkan arus di kedua-dua hujung pembungkusan stator untuk mendeteksi kerosakan dalaman.

Prinsip Perlindungan

• Pengesanan Voltan Zero-Sequence: Mengenal pasti kerosakan antara-giliran dengan memantau ketidakseimbangan voltan melalui transformator voltan (VT).

• Penyesuaian Sistem Grounding: Skema perlindungan berbeza bergantung pada kaedah grounding stator (resistance atau grounding transformator), menggunakan CTs atau VTs untuk merasakan arus/voltan kerosakan.

Mekanisme Perlindungan Kerosakan Pembungkusan Rotor

Kerosakan hubungan pendek pembungkusan rotor yang dibungkus dilindungi oleh relai overcurrent, yang mengecutkan pemjan apabila mendeteksi lonjakan arus abnormal. Kerosakan tanah membawa risiko lain kepada pembungkusan rotor, walaupun perlindungannya memerlukan pendekatan khusus.

Dalam pemjan termal besar, pembungkusan rotor atau medan biasanya tidak diground, bermaksud satu kerosakan tanah tidak menghasilkan arus kerosakan. Namun, kerosakan tersebut meningkatkan potensial seluruh sistem medan dan eksiter. Voltan tambahan yang diinduksi oleh pembukaan medan atau pemutus pemjan utama—terutamanya semasa keadaan kerosakan—dapat memberi tekanan pada isolasi pembungkusan medan, berpotensi menyebabkan kerosakan tanah kedua. Kerosakan kedua mungkin menyebabkan pemanasan besi tempatan, distorsi rotor, dan ketidakseimbangan mekanikal yang berbahaya.

Perlindungan kerosakan tanah rotor sering menggunakan relai yang memantau isolasi dengan menerapkan voltan AC bantu ke rotor. Alternatifnya, relai voltan digunakan dalam siri dengan rangkaian rintangan tinggi (biasanya kombinasi rintangan linear dan non-linear) di seberang litar rotor. Titik tengah rangkaian ini disambungkan ke tanah melalui coil relai sensitif (kode ANSI/IEEE/IEC 64). Skema perlindungan moden semakin memilih kombinasi rintangan linear dan non-linear untuk deteksi kerosakan dan pemantauan isolasi yang lebih baik.

Mekanisme Perlindungan Kehilangan Medan dan Overeksitasi

Perlindungan kehilangan medan menggunakan relai untuk mendeteksi perubahan aliran daya reaktif. Skema biasa menggunakan relai Offset Mho (impedans)—peranti satu fasa yang diberi oleh transformator arus (CTs) dan transformator voltan (VTs) pemjan—untuk mengukur impedans beban. Relai dipicu apabila impedans jatuh dalam ciri operasinya. Relai timing memulakan pengecutan pemjan jika daya reaktif unggulan berlanjutan selama 1 saat (penetapan masa standard).

Perlindungan Overeksitasi

Untuk mencegah saturasi inti semasa permulaan dan penghentian, perlindungan overeksitasi (kode ANSI/IEEE/IEC 59) diimplementasikan, berdasarkan hubungan:B = V/f
di mana:

• B = ketumpatan fluks magnet (tesla, T)

• V = voltan yang dikenakan (volt, V)

• f = frekuensi (hertz, Hz)

Fluks inti mesti kekal di bawah titik saturasi, bermaksud voltan hanya boleh meningkat secara proporsional dengan frekuensi (kelajuan). Eksitasi cepat meningkatkan risiko overeksitasi, dideteksi oleh relai Volt per Hertz. Relai-relai ini mempunyai ciri-ciri linear dan mengecut apabila V/f melebihi ambang batas yang ditetapkan.

Perlindungan Pemanasan Terlalu Panas Stator dan Rotor

• Pembungkusan Stator & Bantalan: Pemantauan suhu melalui detektor suhu rintangan (RTDs) dan thermistor.

• Keseimbangan Fasa Stator: Relai overcurrent time-inverse yang ditetapkan kepada toleransi panas maksimum rotor.

• Perlindungan Urutan Fasa Negatif: Melindungi mesin daripada pemanasan terlalu panas rotor disebabkan oleh arus stator yang tidak seimbang, yang menghasilkan arus eddy yang merosakkan dalam rotor.

Sistem perlindungan yang boleh dipercayai sangat penting untuk mengurangkan kerusakan dan masa baiki, kerana pemjan adalah salah satu komponen sistem kuasa yang paling mahal.

Perlindungan ini menggunakan relai yang membandingkan arus dalam dua fasa melalui transformator arus (CTs), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2. Tetapan perlindungan ditentukan oleh masa maksimum yang rotor boleh tahan pemanasan terlalu panas, ditentukan oleh persamaan K = I²t (diturunkan dari undang-undang Joule), di mana I adalah arus urutan fasa negatif dan t adalah tempoh.

Lengkung arus-masa biasa yang ditetapkan oleh pengeluar untuk keadaan ini berbeza berdasarkan jenis penggerak utama, seperti yang ditunjukkan dalam gambar rajah yang dirujuk.

Sistem Perlindungan Daya Terbalik, Keluar Langkah, dan Frekuensi/Voltan
Perlindungan Daya Terbalik (Kode ANSI/IEEE/IEC 32)

Perlindungan ini menggunakan relai arah daya untuk memantau beban pemjan, diberi oleh CTs dan VTs (lihat Gambar 3). Relai diaktifkan apabila mendeteksi aliran daya negatif—menunjukkan pemjan sedang menarik daya dari grid (operasi motor)—dan memicu pengecutan untuk mencegah kerosakan turbin.

Perlindungan Keluar Langkah

Dirancang untuk mendeteksi gangguan sistem kuasa (bukan kerosakan pemjan), perlindungan ini mengenal pasti selip pola apabila pemjan kehilangan sinkronisme. Ia mengecutkan pemutus pemjan sambil membiarkan turbin terus beroperasi, membolehkan penyinkronan semula setelah gangguan hilang.

• Prinsip Operasi: Tiga relai impedans mengukur impedans beban. Pengecutan berlaku jika relai diaktifkan dalam urutan tertentu semasa ayunan kuasa, membezakannya daripada kehilangan eksitasi (yang berlaku pada medan sifar) dan operasi dengan pemjan pada medan penuh.

Perlindungan Frekuensi dan Voltan
Perlindungan Frekuensi Rendah/Tinggi (Kode ANSI/IEEE/IEC 81)

• Frekuensi Tinggi: Disebabkan oleh pengurangan beban tiba-tiba, membawa risiko overvoltan jika tidak dikelola. Kawalan pemjan mesti menyesuaikan output untuk sesuai dengan permintaan.

• Frekuensi Rendah: Berlaku akibat penghasilan tidak mencukupi untuk beban yang tersambung, menyebabkan penurunan voltan, peningkatan eksitasi, dan pemanasan terlalu panas rotor/stator. Pengurangan beban sangat penting untuk mencegah runtuhnya sistem.

Relai Voltan Rendah/Tinggi (Kode 27/59)

Memantau dan mengawal penyimpangan voltan untuk melindungi peralatan daripada tekanan atau kerosakan.

Perlindungan Permulaan Tambahan Fasa

Mencegah permulaan pemjan ke dalam kerosakan atau keadaan beban. Relai overcurrent set rendah hanya berfungsi apabila frekuensi di bawah 52 Hz (untuk sistem 60 Hz) atau 42 Hz (untuk sistem 50 Hz), memastikan perlindungan semasa transien permulaan.

Perlindungan Kerosakan Hubungan Pendek Luaran

Relai overcurrent (50, 50N, 51, 51N) mendeteksi dan membersihkan kerosakan pada jaringan luaran, melindungi pemjan daripada arus kerosakan berlebihan.

Skema perlindungan ini secara kolektif menangani anomali operasional—dari pembalikan aliran kuasa hingga gangguan sistem seluruh—memastikan integriti pemjan dan stabilitas grid.