Защита генератора – типы неисправностей и защитные устройства

Общие неисправности генераторов и системы защиты
Классификация неисправностей генераторов

Неисправности генераторов в основном классифицируются на внутренние и внешние типы:

• Внутренние неисправности: возникают из-за проблем с компонентами генератора.

• Внешние неисправности: возникают из-за аномальных условий работы или проблем во внешней сети.

Неисправности основных двигателей (например, дизельные двигатели, турбины) имеют механическую природу и определяются при проектировании оборудования, хотя они должны интегрироваться с защитой генераторов для целей отключения.

Типы внутренних неисправностей
1. Неисправности статора

• Перегрев обмоток: вызван постоянными перегрузками или разрушением изоляции.

• Междуфазное замыкание: происходит из-за отказа изоляции между фазами.

• Замыкание фазы на землю: утечка тока из фазных обмоток на корпус статора.

• Межвитковое замыкание: короткое замыкание между смежными витками одной и той же обмотки.

2. Неисправности ротора

• Замыкание на землю: утечка тока из обмоток ротора на вал ротора.

• Короткое замыкание обмоток: снижает напряжение возбуждения и увеличивает ток в обмотках ротора.

• Перегрев: вызван несимметричными токами статора (например, отключение одного полюса, отрицательная последовательность фаз).

3. Потеря поля/возбуждения

• Реактивная мощность поступает в генератор, заставляя его работать как индукционный генератор и терять синхронизм.

4. Работа вне синхронизма

• Механические нагрузки на вал и колебания напряжения из-за потери синхронизма с сетью.

5. Работа в режиме двигателя

• Генератор потребляет энергию из сети при отказе питания основного двигателя (например, потеря пара/воды), что создает риск перегрева или кавитации в турбинах.

6. Механические неисправности

• Перегрев подшипников, потеря давления масла для смазки и чрезмерная вибрация.

Механизм перегрева ротора

Несимметричные токи статора (например, отрицательная последовательность фаз) вызывают вихревые токи в роторе с удвоенной частотой системы (100/120 Гц), что приводит к локальному перегреву. Это ослабляет клиновые вкладыши и кольца ротора.

Типы внешних неисправностей
Аномалии энергетической системы

• Внешние короткие замыкания: неисправности в сети, влияющие на работу генератора.

• Несинхронное соединение: повреждения из-за неправильного параллельного подключения генераторов.

• Перегрузки/переход на повышенные обороты: вызваны внезапным сбросом нагрузки или отказом управления основным двигателем.

• Фазовая несимметрия/отрицательная последовательность: вызывает вихревые токи в роторе и его перегрев.

• Отклонения частоты/напряжения: недостаточная или избыточная частота или напряжение, создающие нагрузку на компоненты генератора.

Устройства защиты генераторов
Основные схемы защиты
1. Защита от неисправностей статора

• Дифференциальные реле: обнаруживают междуфазные и фазно-земляные замыкания, сравнивая входные и выходные токи.

• Защита от замыкания на землю: использует реле перегрузки по току (для резистивного заземления) или реле напряжения (для заземления через трансформатор) для обнаружения замыканий статора на землю.

2. Защита от неисправностей ротора

• Реле замыкания на землю контролируют разрушение изоляции между обмотками ротора и валом.

3. Защита от несимметричной нагрузки

• Контролирует токи отрицательной последовательности фаз и потерю возбуждения, которые вызывают проблемы с потоком реактивной мощности.

4. Защита от перегрева

• Термореле или датчики температуры обнаруживают перегрев обмоток статора и подшипников; реле отрицательной последовательности фаз решают проблему нагрева ротора.

5. Механическая защита

• Реле перегрузки по скорости, датчики вибрации и реле низкого вакуума/давления защищают от отказов основного двигателя и турбин.

6. Резервная и дополнительная защита

• Реле обратной мощности предотвращают работу в режиме двигателя, а дифференциальные реле для замыкания статора на землю обеспечивают первичное обнаружение неисправностей (см. рисунок 1 для типичных соединений).

• Дифференциальные реле: сравнивают токи на обоих концах обмоток статора для обнаружения внутренних неисправностей.

Принципы защиты

• Обнаружение нулевой последовательности напряжения: выявляет межвитковые замыкания, контролируя несоответствия напряжения через трансформаторы напряжения (VT).

• Адаптация системы заземления: схемы защиты варьируются в зависимости от методов заземления статора (резистивное или через трансформатор), используя ТТ или VT для обнаружения токов/напряжений неисправностей.

Механизмы защиты от неисправностей обмоток ротора

Короткие замыкания обмоток ротора защищаются реле перегрузки по току, которые отключают генератор при обнаружении аномальных скачков тока. Замыкания на землю представляют еще одну угрозу для обмоток ротора, хотя их защита требует специализированных подходов.

В крупных тепловых генераторах обмотки ротора или возбудителя обычно не заземлены, что означает, что одиночное замыкание на землю не вызывает ток неисправности. Однако такая неисправность повышает потенциал всей системы возбуждения. Дополнительные напряжения, вызванные открытием цепи возбуждения или главного выключателя генератора, особенно при условиях неисправности, могут создать стресс для изоляции обмотки возбуждения, что может привести к второму замыканию на землю. Второе замыкание может вызвать локальный нагрев железа, деформацию ротора и опасную механическую неуравновешенность.

Защита от замыкания ротора на землю часто использует реле, которое контролирует изоляцию, применяя вспомогательное переменное напряжение к ротору. В качестве альтернативы используется реле напряжения, подключенное в серию с высокоомной сетью (обычно комбинацией линейных и нелинейных резисторов) через цепь ротора. Центральная точка этой сети подключена к земле через чувствительную катушку реле (ANSI/IEEE/IEC код 64). Современные схемы защиты все чаще предпочитают комбинации линейных и нелинейных резисторов для улучшения обнаружения неисправностей и контроля изоляции.

Механизмы защиты от потери поля и перенапряжения

Защита от потери поля использует реле для обнаружения изменений в потоке реактивной мощности. Типичная схема использует реле смещения Мхо (импеданс) — однофазное устройство, питаемое трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (VT) генератора, — для измерения нагрузочного импеданса. Реле срабатывает, когда импеданс попадает в его характеристику. Временное реле инициирует отключение генератора, если ведущая реактивная мощность сохраняется в течение 1 секунды (стандартное время).

Защита от перенапряжения

Для предотвращения насыщения сердечника при запуске и остановке реализуется защита от перенапряжения (ANSI/IEEE/IEC код 59), основанная на соотношении:B = V/f
где:

• B = плотность магнитного потока (тесла, Т)

• V = приложенное напряжение (вольты, В)

• f = частота (герцы, Гц)

Плотность потока должна оставаться ниже точки насыщения, что означает, что напряжение может увеличиваться только пропорционально частоте (скорости). Быстрое возбуждение увеличивает риск перенапряжения, которое обнаруживается реле вольт-герц. Эти реле имеют линейные характеристики и срабатывают, когда V/f превышает установленные пороги.

Защита от перегрева статора и ротора

• Обмотки статора и подшипники: мониторинг температуры с помощью термодатчиков сопротивления (RTD) и термисторов.

• Фазная несимметрия статора: реле обратного времени, настроенные на максимальную тепловую прочность ротора.

• Защита от отрицательной последовательности фаз: защищает машину от перегрева ротора, вызванного несимметричными токами статора, которые вызывают вредные вихревые токи в роторе.

Надежные системы защиты критически важны для минимизации повреждений и времени ремонта, так как генераторы являются одними из самых дорогих компонентов энергосистемы.

Эта защита использует реле, которое сравнивает токи в двух фазах через трансформаторы тока (ТТ), как показано на рисунке 2. Защитные настройки определяются максимальным временем, в течение которого ротор может выдерживать перегрев, определенным по формуле K = I²t (выведенной из закона Джоуля), где I — ток отрицательной последовательности, а t — продолжительность.

Типичные временно-токовые характеристики, указанные производителем, для этого условия варьируются в зависимости от типа основного двигателя, как показано на приведенном диаграмме.

Системы защиты от обратной мощности, потери синхронизма и отклонений частоты/напряжения
Защита от обратной мощности (ANSI/IEEE/IEC код 32)

Эта защита использует реле направления мощности для мониторинга нагрузки генератора, питаемое ТТ и VT (см. рисунок 3). Реле активируется при обнаружении отрицательного потока мощности, что указывает на то, что генератор потребляет энергию из сети (работа в режиме двигателя), и инициирует отключение для предотвращения повреждения турбины.

Защита от потери синхронизма

Эта защита предназначена для обнаружения нарушений в энергетической системе (не неисправностей генератора) и идентифицирует скольжение полюсов, когда генератор теряет синхронизм. Она отключает выключатели генератора, оставляя турбину в работе, что позволяет восстановить синхронизм после устранения нарушения.

• Принцип работы: три импедансных реле измеряют нагрузочный импеданс. Отключение происходит, если реле активируются в определенной последовательности при колебаниях мощности, что отличает его от потери возбуждения (которая происходит при нулевом поле) и работы генератора при полном поле.

Защита от частоты и напряжения
Защита от недостаточной/избыточной частоты (ANSI/IEEE/IEC код 81)

• Избыточная частота: вызвана внезапным сбросом нагрузки, что создает риск перенапряжения, если это не управляется. Система управления генератором должна регулировать выход, чтобы соответствовать спросу.

• Недостаточная частота: возникает из-за недостаточного генерирования для подключенных нагрузок, что приводит к падению напряжения, увеличению возбуждения и перегреву ротора и статора. Сброс нагрузки критически важен для предотвращения коллапса системы.

Реле недостаточного/избыточного напряжения (коды 27/59)

Контролируют и регулируют отклонения напряжения для защиты оборудования от стресса или повреждений.

Дополнительная защита при запуске

Предотвращает запуск генератора в условиях неисправности или загрузки. Низкоустановленные реле перегрузки по току активируются только при частоте ниже 52 Гц (для систем 60 Гц) или 42 Гц (для систем 50 Гц), обеспечивая защиту во время переходных процессов запуска.

Защита от внешних коротких замыканий

Реле перегрузки по току (50, 50N, 51, 51N) обнаруживают и устраняют неисправности во внешней сети, защищая генератор от чрезмерных токов неисправностей.

Эти схемы защиты в совокупности решают операционные аномалии — от реверсивных потоков мощности до системных нарушений, обеспечивая целостность генератора и стабильность сети.