Generatorbeskyttelse – Typer av feil og beskyttelsesenheter

Vanlige generatorfeil og beskyttelsessystemer
Klassifisering av generatorfeil

Generatorfeil deles hovedsakelig inn i interne og eksterne typer:

• Interne Feil: Oppstår på grunn av problemer med generatorkomponenter.

• Eksterne Feil: Kommer fra anormale driftsbetingelser eller eksterne nettverksproblemer.

Feil i primærmotorer (f.eks. dieselmotorer, turbiner) er mekanisk av natur og defineres under utstyrsdesign, men de må integreres med generatorbeskyttelse for å skru av.

Typer Interne Feil
1. Statorfeil

• Vindingsovervarming: Forårsaket av permanente overbelastninger eller isoleringsnedbrytning.

• Fase til fase feil: Oppstår på grunn av isoleringsnedbrytning mellom faser.

• Fase til jord feil: Strømlekasje fra fasevindinger til statorrammen.

• Mellomvinging feil: Kortslutning mellom naboende vindinger i samme vinding.

2. Rotorfeil

• Jordfeil: Strømlekasje fra rotorvindinger til rotorskften.

• Vinding kortslutning: Reduserer oppladningspanning og øker strømmen i vundne rotorer.

• Overvarming: Forårsaket av ubalanserte statorstrømmer (f.eks. enpolsskriving, negativ faserekkefølge).

3. Tap av felt/oppbygging

• Reaktiv effekt flyter inn i generatoren, som da kjører som en induksjonsgenerator og mister synkronitet.

4. Ut av tritt drift

• Mekaniske spenninger på skften og spenningssvingninger på grunn av tap av synkronitet med nettet.

5. Motor drift

• Generatoren trekker effekt fra nettet når leveransen fra primærmotoren mislykkes (f.eks. damp/vanntap), med risiko for overvarming eller kavitasjon i turbiner.

6. Mekaniske feil

• Lagerovervarming, tap av smøreoljespenning, og unormal vibrasjon.

Mekanisme for rotorovervarming

Ubalance i statorstrømmer (f.eks. negativ faserekkefølge) inducerer eddystrømmer i rotoren med dobbelt systemfrekvens (100/120 Hz), som forårsaker lokal overvarming. Dette svekker rotorrettholdere og -ringer.

Typer Eksterne Feil
Nettabnormaliteter

• Eksterne kortslutninger: Feil i nettet som påvirker generatorfunksjonen.

• Ikke-synkronisert kobling: Skade fra uaktuelt parallellkobling av generatorer.

• Overbelasting/oversnuring: Forårsaket av plutselige lastavgrensninger eller kontrollmislykkelse i primærmotor.

• Faseubalance/negativ sekvens: Induserer eddystrømmer og overvarming i rotoren.

• Frekvens/spenningavvik: Lav/høy frekvens eller spenning som belaster generatorkomponenter.

Generatorbeskyttelsesenheter
Nøkkelbeskyttelsesskjemaer
1. Statorfeilbeskyttelse

• Differensrelé: Oppdager fase til fase og fase til jord feil ved å sammenligne inngang/utgangsstrømmer.

• Jordfeilbeskyttelse: Bruker overstrømreléer (for motstandsgrounding) eller spenningreléer (for transformatorgrounding) for å oppdage statorjordfeil.

2. Rotorfeilbeskyttelse

• Jordfeilreléer overvåker isoleringsnedbrytning mellom rotorvindinger og skften.

3. Ubalansert lastbeskyttelse

• Overvåker negative faserekkefølgestrømmer og tap av oppbygging, som forårsaker problemer med reaktiv effektstrøm.

4. Overvarmingsbeskyttelse

• Termoreléer eller temperatursensorer oppdager overvarming i statorvindinger og lager; negative faserekkefølgereléer adresserer rotorvarming.

5. Mekanisk beskyttelse

• Oversnuringsreléer, vibrasjonssensorer, og lav vakuum/spenningsswitcher sikrer mot primærmotor- og turbinfailures.

6. Reserves- og supplementærbeskyttelse

• Revers effektreleer forebygger motoroperasjon, mens differensreléer for statorjordfeil gir primær feiloppdaging (se figur 1 for typiske koblinger).

• Differensreléer: Sammenligner strømmer på begge ender av statorvindingene for å oppdage interne feil.

Beskyttelsesprinsipper

• Nullsekvensspenningdeteksjon: Identifiserer mellomvinging feil ved å overvåke spenninguavstemmelser via spenningtransformatorer (VT).

• Grounding System Adaptation: Beskyttelsesskjemaer varierer basert på statorgrounding-metoder (motstand eller transformatorgrounding), ved bruk av CTs eller VTs for å oppdage feilstrømmer/spenninger.

Rotor Vinding Feilbeskyttelsesmekanismer

Kortslutningsfeil i vindede rotorvindinger beskyttes av overstrømreléer, som skrur av generatoren ved deteksjon av anormalt strømstig. Jordfeil representerer et annet risiko for rotorvindinger, selv om deres beskyttelse krever spesialiserte tilnærminger.

I store termiske generasjoner er rotoren eller feltvindingene vanligvis ugroundede, noe som betyr at en enkelt jordfeil ikke produserer en feilstrøm. Imidlertid hever en slik feil potensialet for hele felt- og oppladbare systemer. Ekstra spenninger inducere ved åpning av feltet eller hovedgeneratorbryter – spesielt under feilkondisjoner – kan belaste feltvindingisoleringen, potensielt forårsake en andre jordfeil. En andre feil kan føre til lokal jernvarming, rotordeformasjon og farlig mekanisk ubalance.

Rotor jordfeilbeskyttelse bruker ofte et relé som overvåker isoleringen ved å bruke et hjelpespennings AC til rotoren. Alternativt brukes et spenningrelé i serie med et høyresistansnettverk (vanligvis en kombinasjon av lineære og ikke-lineære motstander) over rotorstrømkretsen. Midtpunktet i dette nettverket kobles til jord via et sensitivt relékjøl (ANSI/IEEE/IEC kode 64). Moderne beskyttelsesskjemaer foretrekker stadig mer kombinasjoner av lineære og ikke-lineære motstander for bedre feildeteksjon og isoleringsovervåking.

Tap av felt og overoppladbingsbeskyttelsesmekanismer

Tap av feltbeskyttelse bruker et relé for å oppdage endringer i reaktiv effektstrøm. Et typisk skjema bruker et Offset Mho (impedans)-relé – en enfasenhet levert av generatorstrømtransformatorer (CTs) og spenningtransformatorer (VTs) – for å måle lastimpedans. Reléet aktiveres når impedansen faller innenfor dens driftskarakteristikk. En tidsrelé initierer generatorkobling hvis ledende reaktiv effekt fortsetter i 1 sekund (standard timing).

Overoppladbingsbeskyttelse

For å forhindre kjernemettet under oppstart og nedstigning, implementeres overoppladbingsbeskyttelse (ANSI/IEEE/IEC kode 59), basert på forholdet:B = V/f
der:

• B = magnetisk fluktdensitet (tesla, T)

• V = anvendt spenning (volt, V)

• f = frekvens (hertz, Hz)

Kjerneflukt må forbli under mettet punktet, noe som betyr at spenningen bare kan øke proporsjonalt med frekvens (hastighet). Rask opplading øker risikoen for overopplading, oppdaget av Volt per Hertz-reléer. Disse reléene har lineære karakteristikk og tripper når V/f overskrider satt terskel.

Stator- og Rotorovervarmingsbeskyttelse

• Statorvindinger & Lager: Temperaturkontroll gjennom resistansetemperaturendeks (RTDs) og termistorer.

• Stator fase ubalance: Tids-inverse overstrømreléer satt til rotors maksimale varmetoleranse.

• Negativ fase sekvens beskyttelse: Beskytter maskinen mot rotorovervarming forårsaket av ubalanserte statorstrømmer, som inducerer skadelige eddystrømmer i rotoren.

Pålitelige beskyttelsessystemer er viktige for å minimere skader og reparasjonstid, da generatoren er blant de mest kostbare komponentene i kraftsystemet.

Denne beskyttelsen bruker et relé som sammenligner strømmer i to faser via strømtransformatorer (CTs), som illustrert i figur 2. De beskyttende innstillingene bestemmes av den maksimale tiden rotoren kan tåle overvarming, definert av ligningen K = I²t (derivert fra Joules lov), hvor I er den negative sekvensstrømmen og t er varigheten.

Produsent-spesifikke typiske tid-strøm kurver for denne betingelsen varierer basert på type primærmotor, som vist i referansefiguren.

Revers effekt, ut av tritt, og frekvens/spenning beskyttelsessystemer
Revers effektbeskyttelse (ANSI/IEEE/IEC kode 32)

Denne beskyttelsen bruker en effekt-retningrelé for å overvåke generatorlast, levert av CTs og VTs (se figur 3). Reléet aktiveres ved deteksjon av negativ effektstrøm – indikasjon på at generatoren trekker effekt fra nettet (motoroperasjon) – og triggrer skruing for å forhindre turbinskade.

Ut av tritt beskyttelse

Designet for å oppdage kraftsystemforstyrrelser (ikke generatorfeil), identifiserer denne beskyttelsen polglemsing når generatoren mister synkronitet. Den skrur av generatorbrytere mens turbinen holder på å kjøre, tillater resynkronisering etter at forstyrrelsene har fjernet seg.

• Driftsprinsipp: Tre impedansreléer måler lastimpedans. Tripping skjer hvis reléene aktiveres i en spesifikk rekkefølge under effektsvingninger, skiller det fra tap av oppbygging (som skjer ved null felt) og operasjon med generatoren ved fullt felt.

Frekvens- og spenningbeskyttelse
Under/Overfrekvensbeskyttelse (ANSI/IEEE/IEC kode 81)

• Overfrekvens: Forårsaket av plutselige lastavgrensninger, risikerer overvoltage hvis ikke håndtert. Generatorkontroller må justere utdata for å matche etterspørselen.

• Underfrekvens: Resultat av utilstrekkelig produksjon for tilknyttede laster, fører til spenningstap, økt oppbygging, og rotor/statorovervarming. Lastavgrensning er kritisk for å forebygge systemkollaps.

Under/Overvoltage Reléer (Koder 27/59)

Overvåker og kontrollerer spenningavvik for å beskytte utstyr mot stress eller skade.

Fase Supplementær Startbeskyttelse

Forebygger start av generatoren i en feil eller lastet tilstand. Lavinnstilt overstrømreléer engasjerer kun når frekvensen er under 52 Hz (for 60 Hz-systemer) eller 42 Hz (for 50 Hz-systemer), sikrer beskyttelse under starttransienter.

Eksterne kortslutningsbeskyttelse

Overstrømreléer (50, 50N, 51, 51N) detekterer og klarer feil i det eksterne nettverket, beskytter generatoren mot ekstreme feilstrømmer.

Disse beskyttelsesskjemaene deltar kollektivt i å håndtere driftsavvik – fra effektstrøm reverseringer til systembredde forstyrrelser – for å sikre generatorintegritet og nettstabilitet.