Ochrona generatorów – Rodzaje awarii i urządzenia ochronne

Typowe wady generatorów i systemy ochronne
Klasyfikacja wad generatorów

Wady generatorów są przede wszystkim klasyfikowane na wewnętrzne i zewnętrzne typy:

• Wady wewnętrzne: Wynikają z problemów w komponentach generatora.

• Wady zewnętrzne: Wynikają z nietypowych warunków pracy lub problemów sieci zewnętrznej.

Wady napędów głównych (np. silników Diesla, turbin) są natury mechanicznej i są definiowane podczas projektowania sprzętu, choć muszą być zintegrowane z ochroną generatora w celu wyłączania.

Typy wad wewnętrznych
1. Wady stojana

• Przegrzewanie zwitów: Powodowane stałą przeciążeniem lub awarią izolacji.

• Awaria między fazami: Występuje z powodu awarii izolacji między fazami.

• Awaria faza-ziemia: Przeciek prądu ze zwitów fazy do ramy stojana.

• Awaria między zwitami: Krótkie spięcie między sąsiednimi zwitami w tym samym zwicie.

2. Wady wirnika

• Awaria ziemia: Przeciek prądu z zwitów wirnika do wału wirnika.

• Krótkie spięcie zwitów: Redukuje napięcie wzbudzenia i zwiększa prąd w zwitach wirnika.

• Przegrzewanie: Powodowane niezrównoważonymi prądami stojana (np. odjazd jednej fazy, sekwencja ujemna).

3. Utrata pola/wzbudzenia

• Reaktywne mocy płyną do generatora, powodując, że działa on jako generator indukcyjny i traci synchronizację.

4. Działanie poza krok

• Naprężenia mechaniczne na wałach i wahania napięcia z powodu utraty synchronizacji z siecią.

5. Działanie jako silnik

• Generator pobiera moc z sieci, gdy zasobnik napędowy zawodzi (np. utrata pary/wody), ryzykując przegrzewanie lub kawitację w turbinach.

6. Wady mechaniczne

• Przegrzewanie łożysk, utrata ciśnienia smarującego oleju, nadmierny drgania.

Mechanizm przegrzewania wirnika

Niebilansowane prądy stojana (np. sekwencja ujemna) indukują prądy wirowe w wirniku z dwukrotną częstotliwością systemu (100/120 Hz), powodując lokalne przegrzewanie. To osłabia wsuwki i pierścienie wirnika.

Typy wad zewnętrznych
Anomalie systemu energetycznego

• Zewnętrzne krótkie spięcia: Awarie w sieci wpływające na działanie generatora.

• Niezharmonizowane połączenie: Uszkodzenia spowodowane nieprawidłowym równoległym połączeniem generatora.

• Przeciążenia/przepięcia: Spowodowane nagłym zrzucaniem obciążenia lub awarią sterowania napędem głównym.

• Niezrównoważenie fazy/sekwencja ujemna: Indukuje prądy wirowe w wirniku i przegrzewanie.

• Odchylenia częstotliwości/napięcia: Niskie/wysokie częstotliwości lub napięcia stresujące komponenty generatora.

Urządzenia ochronne generatora
Kluczowe schematy ochronne
1. Ochrona przed wadami stojana

• Relay różnicowy: Wykrywa awarie między fazami i faza-ziemia poprzez porównanie prądów wejściowych/wyjściowych.

• Ochrona przed awarią ziemia: Używa relé przeciwprądowych (dla ziemnego rezystora) lub relé napięciowych (dla ziemnego transformatora) do wykrywania awarii ziemia stojana.

2. Ochrona przed wadami wirnika

• Relay awarii ziemia monitoruje awarię izolacji między zwitami wirnika a wałem.

3. Ochrona przed niezrównoważonym obciążeniem

• Monitoruje prądy sekwencji ujemnej i utratę wzbudzenia, które powodują problemy z przepływem reaktywnej mocy.

4. Ochrona przed przegrzewaniem

• Relay termiczne lub czujniki temperatury wykrywają przegrzewanie zwitów stojana i łożysk; relé sekwencji ujemnej rozwiązuje problem przegrzewania wirnika.

5. Ochrona mechaniczna

• Relay przeciwprzeciążeniowe, czujniki wibracji i przełączniki niskiego próżni/ciśnienia chronią przed awariami napędu głównego i turbiny.

6. Ochrona zapasowa i dodatkowa

• Relay przeciwnapędowe zapobiegają działaniu jako silnik, podczas gdy relé różnicowe dla awarii ziemia stojana zapewniają podstawowe wykrywanie awarii (patrz Rysunek 1 dla typowych połączeń).

• Differential Relays: Porównują prądy na obu końcach zwitów stojana, aby wykryć wady wewnętrzne.

Zasady ochrony

• Wykrywanie napięcia zerowej sekwencji: Identyfikuje awarie między zwitami, monitorując nierówności napięcia za pomocą transformatorów napięcia (VT).

• Adaptacja systemu ziemnego: Schematy ochronne różnią się w zależności od metod ziemnego stojana (rezystor lub transformator), używając CT lub VT do wykrywania prądów/zawodów napięcia.

Mechanizmy ochrony przed awariami zwitów wirnika

Awarie krótkich spięć w zwitach wirnika są chronione przez relé przeciwprądowe, które wyłączą generator po wykryciu niezwykle wysokich skoków prądu. Awarie ziemia stanowią kolejne ryzyko dla zwitów wirnika, choć ich ochrona wymaga specjalistycznych podejść.

W dużych generatorach cieplnych, zwity wirnika lub pole są zwykle nieziemne, co oznacza, że pojedyncza awaria ziemia nie powoduje prądu awarii. Jednak taka awaria podnosi potencjał całego systemu pola i wzbudzenia. Dodatkowe napięcia indukowane przez otwarcie pola lub głównego przerywacza generatora – szczególnie w warunkach awarii – mogą stresować izolację zwitów pola, potencjalnie powodując drugą awarię ziemia. Druga awaria może prowadzić do lokalnego ogrzania żelaza, deformacji wirnika i niebezpiecznego mechanicznego niezrównoważenia.

Ochrona przed awarią ziemia wirnika często używa relé, które monitoruje izolację poprzez zastosowanie pomocniczego napięcia AC do wirnika. Alternatywnie, relé napięciowe jest używane w szeregu z siecią o wysokim oporze (zazwyczaj kombinacją liniowych i nieliniowych rezystorów) po stronie wirnika. Środkowy punkt tej sieci jest podłączony do ziemi poprzez wrażliwe cewki relé (kod ANSI/IEEE/IEC 64). Nowoczesne schematy ochronne coraz częściej preferują kombinacje liniowych i nieliniowych rezystorów do poprawy wykrywania awarii i monitorowania izolacji.

Mechanizmy ochrony przed utratą pola i przeciwprzeciążeniem

Ochrona przed utratą pola używa relé do wykrywania zmian w przepływie reaktywnej mocy. Typowy schemat używa relé Offset Mho (impedancja) – jednofazowego urządzenia zasilanego przez transformatory prądowe (CT) i napięciowe (VT) generatora – do pomiaru impedancji obciążenia. Relé aktywuje się, gdy impedancja mieści się w jego charakterystyce działania. Relé czasowe inicjuje wyłączenie generatora, jeśli prowadząca reaktywna moc utrzymuje się przez 1 sekundę (standardowy czas).

Ochrona przeciwprzeciążeniowa

Aby zapobiec nasyceniu rdzenia podczas startu i zatrzymania, stosuje się ochronę przeciwprzeciążeniową (kod ANSI/IEEE/IEC 59), opartą na związku:B = V/f
gdzie:

• B = gęstość natężenia magnetycznego (tesla, T)

• V = zastosowane napięcie (volty, V)

• f = częstotliwość (herc, Hz)

Natężenie magnetyczne rdzenia musi pozostawać poniżej punktu nasycenia, co oznacza, że napięcie może wzrosnąć proporcjonalnie do częstotliwości (prędkości). Szybkie wzbudzenie zwiększa ryzyko przeciwprzeciążeniowe, wykrywane przez relé Volts per Hertz. Te relé mają liniowe charakterystyki i wyłączają, gdy V/f przekracza ustawione progi.

Ochrona przed przegrzewaniem stojana i wirnika

• Zwity stojana i łożyska: Monitorowanie temperatury za pomocą detektorów opornościowych (RTD) i termistorów.

• Niezrównoważenie fazy stojana: Relé przeciwprądowe z odwrotnością czasu ustawione na maksymalną tolerancję ciepła wirnika.

• Ochrona przed sekwencją ujemną: Chroni maszynę przed przegrzewaniem wirnika spowodowanym niezrównoważonymi prądami stojana, które indukują szkodliwe prądy wirowe w wirniku.

Zaufane systemy ochronne są kluczowe do minimalizacji uszkodzeń i czasu napraw, ponieważ generatory są jednymi z najdroższych komponentów systemu energetycznego.

Ta ochrona wykorzystuje relé, które porównuje prądy w dwóch fazach za pomocą transformatorów prądowych (CT), jak pokazano na Rysunku 2. Ustawienia ochronne są określane przez maksymalny czas, jaki wirnik może wytrzymać przegrzewanie, określony przez równanie K = I²t (pochodzące z prawa Joule'a), gdzie I jest prądem sekwencji ujemnej, a t to czas trwania.

Typowe krzywe prąd-czas dla tego stanu, określone przez producenta, różnią się w zależności od typu napędu głównego, jak pokazano na diagramie referencyjnym.

Systemy ochrony przed przepływem mocy wstecz, działaniem poza krokiem i ochrona częstotliwości/napięcia
Ochrona przed przepływem mocy wstecz (kod ANSI/IEEE/IEC 32)

Ta ochrona wykorzystuje relé kierunku mocy do monitorowania obciążenia generatora, zasilane przez CT i VT (patrz Rysunek 3). Relé aktywuje się po wykryciu ujemnego przepływu mocy – co oznacza, że generator pobiera moc z sieci (działanie jako silnik) – i inicjuje wyłączenie, aby zapobiec uszkodzeniu turbiny.

Ochrona przed działaniem poza krokiem

Zaprojektowana do wykrywania zakłóceń w systemie energetycznym (nie wad generatora), ta ochrona identyfikuje ślizg pola, gdy generator traci synchronizację. Wyłącza przerywacze generatora, pozwalając na dalsze działanie turbiny, co umożliwia ponowną synchronizację po usunięciu zakłócenia.

• Zasada działania: Trzy relé impedancyjne mierzą impedancję obciążenia. Wyłączanie następuje, jeśli relé aktywują się w określonej sekwencji podczas oscylacji mocy, odróżniając to od utraty wzbudzenia (które występuje przy zerowym polu) i działanie z pełnym polem generatora.

Ochrona częstotliwości i napięcia
Ochrona przed niską/wysoką częstotliwością (kod ANSI/IEEE/IEC 81)

• Nadczęstotliwość: Powodowana nagłym zrzucaniem obciążenia, ryzykując nadnapięcie, jeśli nie jest zarządzana. Sterowanie generatora musi dostosować wydajność, aby odpowiadać popytowi.

• Podczęstotliwość: Powodowana niewystarczającą generacją dla podłączonych obciążeń, prowadząc do spadków napięcia, zwiększonego wzbudzenia i przegrzewania wirnika/stojana. Zrzucanie obciążeń jest kluczowe, aby zapobiec zawaleniu systemu.

Relé niskiego/wysokiego napięcia (kody 27/59)

Monitorują i kontrolują odchylenia napięcia, aby chronić sprzęt przed stresem lub uszkodzeniami.

Dodatkowa ochrona startu fazowego

Zapobiega uruchomieniu generatora w stanie awarii lub obciążenia. Relé przeciwprądowe o niskim ustawieniu aktywują się tylko, gdy częstotliwość jest poniżej 52 Hz (dla systemów 60 Hz) lub 42 Hz (dla systemów 50 Hz), zapewniając ochronę podczas transjency startu.

Ochrona przed zewnętrznymi krótkimi spięciami

Relé przeciwprądowe (50, 50N, 51, 51N) wykrywają i usuwają awarie w zewnętrznej sieci, chroniąc generator przed nadmiernymi prądami awarii.

Te schematy ochronne zbiorowo rozwiązywają anomalie operacyjne – od odwróconego przepływu mocy do zakłóceń systemowych – zapewniając integralność generatora i stabilność sieci.