Generatorbescherming – Soorten fouten en beschermingsapparatuur

Algemene Generatorfouten en Beschermingssystemen
Classificatie van Generatorfouten

Generatorfouten worden voornamelijk ingedeeld in interne en externe typen:

• Interne Fouten: Ontstaan door problemen binnen de generatorkomponenten.

• Externe Fouten: Resulteren uit abnormale bedrijfsomstandigheden of externe netwerkproblemen.

Fouten in primaire aandrijvingen (bijv. dieselmotoren, turbines) zijn van mechanische aard en worden gedefinieerd tijdens het ontwerpproces van de apparatuur, hoewel ze moeten integreren met generatorbeschermingen voor trippingsdoeleinden.

Soorten Interne Fouten
1. Statorfouten

• Winding Oververhitting: Veroorzaakt door permanente overbelasting of isolatiefouten.

• Fase-tot-Fase Fout: Treedt op door isolatiefouten tussen fasen.

• Fase-tot-Aarde Fout: Stromlek van fase windingen naar de statorframe.

• Inter-Turn Fout: Kortsluiting tussen aangrenzende windingen in dezelfde winding.

2. Rotorfouten

• Aarde Fout: Stromlek van rotor windingen naar de rotorschacht.

• Winding Kortsluiting: Vermindert opwekspanning en verhoogt stroom in gewonden rotors.

• Oververhitting: Veroorzaakt door ongebalanceerde statorstromen (bijv. enkele-pol trip, negatieve fasevolgorde).

3. Veld/Opwekking Verlies

• Reactiviteit stroom vloeit de generator in, waardoor deze als een induktiegenerator werkt en synchronisatie verliest.

4. Uit-de-Pas Operation

• Mechanische spanningen op de schacht en spanningswisselingen door verlies van synchronisatie met het netwerk.

5. Motorbedrijf

• Generator trekt stroom van het netwerk wanneer de levering van de primaire aandrijving faalt (bijv. stoom/water verlies), wat risico's op oververhitting of kavitering in turbines met zich meebrengt.

6. Mechanische Fouten

• Lagers oververhitting, smeerolie drukverlies, en extreme trillingen.

Mechanisme van Rotoroververhitting

Ongebalanceerde statorstromen (bijv. negatieve fasevolgorde) veroorzaken draaikringstromen in de rotor met twee keer de systeemfrequentie (100/120 Hz), wat lokale oververhitting veroorzaakt. Dit verzwakt de rotorretentieweders en -ringen.

Soorten Externe Fouten
Krachtsysteem Abnormaliteiten

• Externe Kortsluitingen: Fouten in het netwerk die de generatorbedrijf beïnvloeden.

• Niet-Gesynchroniseerde Aansluiting: Schade door onjuiste generatorparallelisering.

• Overbelasting/Oversnelheid: Veroorzaakt door plotselinge lastafbraak of primaire aandrijfingscontrolefout.

• Fase Ongelijkheid/Negatieve Volgorde: Induceert rotor draaikringstromen en oververhitting.

• Frequentie/Spanningsafwijkingen: Onder/over frequentie of spanning die generatorkomponenten belast.

Generator Beschermmingsapparaten
Belangrijke Beschermschema's
1. Stator Fout Bescherming

• Differential Relay: Detecteert fase-tot-fase en fase-tot-aarde fouten door invoer/uitvoerstromen te vergelijken.

• Aarde Fout Bescherming: Gebruikt overstroomrelais (voor weerstandsgronding) of spanningsrelais (voor transformatorgronding) om stator grondfouten te detecteren.

2. Rotor Fout Bescherming

• Aarde fout relais monitoren isolatiebreuk tussen rotor windingen en de schacht.

3. Ongebalanceerde Belasting Bescherming

• Monitort negatieve fasevolgorde stromen en verlies van opwekking, wat reactiviteit stroom vloei probleem veroorzaakt.

4. Oververhittings Bescherming

• Thermische relais of temperatuursensoren detecteren stator winding en lager oververhitting; negatieve fasevolgorde relais adresseren rotorverhitting.

5. Mechanische Bescherming

• Oversnelheidsrelais, trillingsensoren en lage vacuüm/druk schakelaars beschermen tegen primaire aandrijfings- en turbinefouten.

6. Backup en Supplementaire Bescherming

• Reverse power relais voorkomen motorbedrijf, terwijl differential relais voor stator grondfouten primaire foutdetectie bieden (zie Figuur 1 voor typische verbindingen).

• Differential Relais: Vergelijken stroom aan beide einden van stator windingen om interne fouten te detecteren.

Beschermingsprincipes

• Nulreeks Spanningsdetectie: Identificeert inter-turn fouten door spanningsonevenwicht te bewaken via spanningsgetransformeerders (VT).

• Gronding Systeem Adaptatie: Beschermingschema's variëren op basis van stator grondingmethoden (weerstand of transformator gronding), gebruikmakend van CTs of VTs om foutstromen/spanningen te detecteren.

Rotor Winding Fout Beschermingsmechanismen

Kortsluitingsfouten in gewonden rotor windingen worden beschermd door overstroomrelais, die de generator uitschakelen bij het detecteren van abnormale stroompieken. Aarde fouten stellen een ander risico voor de rotor windingen, hoewel hun bescherming gespecialiseerde benaderingen vereist.

In grote thermische generatoren zijn rotor- of veldwindingen meestal niet-gegronde, wat betekent dat een enkele grondfout geen foutstroom produceert. Een dergelijke fout verhoogt echter het potentieel van het gehele veld- en opwekkersysteem. Extra spanningen veroorzaakt door het openen van het veld of hoofdgenerator schakelaar—vooral tijdens foutcondities—kunnen de veldwinding isolatie belasten, wat mogelijk tot een tweede grondfout leidt. Een tweede fout kan leiden tot lokale ijzer verhitting, rotorvervorming en gevaarlijke mechanische onbalans.

Rotor aarde-fout bescherming maakt vaak gebruik van een relais dat isolatie controleert door een hulp AC-spanning toe te passen op de rotor. Alternatief wordt een spanningsrelais gebruikt in serie met een hoog-weerstandnetwerk (meestal een combinatie van lineaire en niet-lineaire weerstanden) over het rotercircuit. Het middenpunt van dit netwerk is verbonden met de aarde via een gevoelig relais spoel (ANSI/IEEE/IEC code 64). Moderne beschermingschema's geven steeds meer de voorkeur aan combinaties van lineaire en niet-lineaire weerstanden voor verbeterde foutdetectie en isolatiemonitoring.

Veldverlies en Overopwekking Beschermingsmechanismen

Veldverlies bescherming maakt gebruik van een relais om veranderingen in reactiviteit stroom te detecteren. Een typisch schema gebruikt een Offset Mho (impedantie) relais—een enkelefasen apparaat gevoed door generator stroomgetransformeerders (CTs) en spanningsgetransformeerders (VTs)—om laadimpedantie te meten. Het relais activeert wanneer de impedantie binnen zijn werkingskenmerk valt. Een timing relais initieert generator uitschakeling als leidend reactiviteit stroom gedurende 1 seconde blijft (standaard timing).

Overopwekking Bescherming

Om kernverzadiging tijdens start- en stopfases te voorkomen, wordt overopwekking bescherming (ANSI/IEEE/IEC code 59) geïmplementeerd, gebaseerd op de relatie:B = V/f
waarbij:

• B = magnetische flux dichtheid (tesla, T)

• V = aangebrachte spanning (volt, V)

• f = frequentie (hertz, Hz)

Kernflux moet onder het verzadigingspunt blijven, wat betekent dat de spanning alleen proportioneel met de frequentie (snelheid) kan toenemen. Snelle opwekking verhoogt het risico op overopwekking, gedetecteerd door Volt per Hertz relais. Deze relais hebben lineaire kenmerken en springen wanneer V/f boven bepaalde drempels komt.

Stator en Rotor Oververhittings Bescherming

• Stator Windingen & Lagere: Temperatuur monitoring via weerstandstemperatuurdetectoren (RTDs) en thermostaten.

• Stator Fase Ongelijkheid: Tijd-inverse overstroomrelais ingesteld op de maximale warmte tolerantie van de rotor.

• Negatieve Fasevolgorde Bescherming: Beschermt de machine tegen rotoroververhitting veroorzaakt door ongebalanceerde statorstromen, die schadelijke draaikringstromen in de rotor induceren.

Betrouwbare beschermingssystemen zijn cruciaal om schade en reparatietijd te minimaliseren, aangezien generatoren onder de duurste krachtkomponenten vallen.

Deze bescherming maakt gebruik van een relais dat stroom in twee fasen vergelijkt via stroomgetransformeerders (CTs), zoals weergegeven in Figuur 2. De beschermingsinstellingen worden bepaald door de maximale tijd die de rotor overheating kan doorstaan, gedefinieerd door de vergelijking K = I²t (afgeleid van de wet van Joule), waarbij I de negatieve fasevolgorde stroom is en t de duur.

Fabrikant-gespecificeerde typische tijd-stroomcurves voor deze conditie variëren afhankelijk van het type primaire aandrijving, zoals getoond in de genoemde diagram.

Reverse Power, Out-of-Step, en Frequentie/Spannings Beschermingssystemen
Reverse Power Bescherming (ANSI/IEEE/IEC Code 32)

Deze bescherming maakt gebruik van een vermogensrichtingsrelais om de generatorlast te monitoren, gevoed door CTs en VTs (zie Figuur 3). Het relais activeert bij het detecteren van negatieve vermogensstroom—wat aangeeft dat de generator stroom van het netwerk trekt (motorbedrijf)—en triggt uitschakeling om turbineschade te voorkomen.

Out-of-Step Bescherming

Ontworpen om krachtsysteemstoornissen (niet generatorfouten) te detecteren, identificeert deze bescherming polslippen wanneer de generator synchronisatie verliest. Het schakelt de generatoruitgangschakelaars uit terwijl de turbine blijft draaien, waardoor hersynchronisatie mogelijk is na het verdwijnen van de stoornis.

• Werking Principe: Drie impedantierelais meten laadimpedantie. Uitschakeling vindt plaats als de relais in een specifieke volgorde activeren tijdens vermogenszwaaien, onderscheidend van veldverlies (dat optreedt bij nul veld) en werken met de generator op vol veld.

Frequentie en Spannings Bescherming
Onder/Over Frequentie Bescherming (ANSI/IEEE/IEC Code 81)

• Overfrequentie: Veroorzaakt door plotselinge lastafbraak, wat overspanning risico's met zich meebrengt als het niet wordt beheerd. Generatorbesturingen moeten de uitvoer aanpassen om de vraag te matchen.

• Onderfrequentie: Resultaat van onvoldoende generatie voor aangesloten lasten, wat leidt tot spanningdaling, verhoogde opwekking, en rotor/stator oververhitting. Lastafbraak is cruciaal om systeeminstorting te voorkomen.

Onder/Over Spanningsrelais (Codes 27/59)

Monitoren en controleren spanningdeviaties om apparatuur te beschermen tegen stress of schade.

Fase Supplementary Start Bescherming

Voorkomt het starten van de generator in een fout- of belastingsituatie. Laag ingestelde overstroomrelais activeren alleen wanneer de frequentie onder 52 Hz (voor 60 Hz systemen) of 42 Hz (voor 50 Hz systemen) ligt, zodat bescherming tijdens starttransities wordt gegarandeerd.

Externe Kortsluiting Bescherming

Overstroomrelais (50, 50N, 51, 51N) detecteren en ruimen fouten in het externe netwerk op, waarmee de generator wordt beschermd tegen extreme foutstromen.

Deze beschermingsschema's adresseren collectief operationele anomalieën—van vermogensstroomomkeren tot systeemwijde stoornissen—om de integriteit van de generator en de stabiliteit van het netwerk te waarborgen.