Varstvo generatorja – Vrste napak in varnostna oprema

Skupne napake generatorjev in sistemi za zaščito
Klasifikacija napak generatorjev

Napake generatorjev so predvsem razdeljene na notranje in zunanje vrste:

• Notranje napake: Izvirajo iz težav znotraj komponent generatorja.

• Zunanje napake: Izhajajo iz nenormalnih delovnih pogojev ali težav v zunanji omrežni infrastrukturi.

Napake osnovnih pogonov (npr. dizelskih motorjev, turbin) so mehanične narave in so določene med oblikovanjem opreme, čeprav se morajo integrirati z zaščitami generatorja za namen odskakanja.

Vrste notranjih napak
1. Napake statorja

• Prenagrevanje vinjenja: Izvirajo zaradi stalnih preobremenitev ali poškodbe izolacije.

• Fazna napaka: Nastane zaradi poškodbe izolacije med fazami.

• Fazno-zemljinska napaka: Odtok struje iz faznih vinjenj v okvir statorja.

• Medvrtenjska napaka: Krajčica med sosednjimi vreteni v istem vinjenju.

2. Napake rotorja

• Zemljinska napaka: Odtok struje iz rotorskih vinjenj na vratilo rotorja.

• Krajčica vinjenja: Zmanjša nadnapetost vzbujevala in poveča tok v vinjenih rotorjih.

• Prenagrevanje: Izvirajo zaradi neravnovesnih tokov statorja (npr. enopolsko odskakanje, negativna fazna sekvenca).

3. Izguba polja/vzbujanja

• Reaktivna moč teče v generator, kar ga privede do delovanja kot indukcijskega generatorja in izgube sinhronizma.

4. Delovanje zunaj koraka

• Mehanični stresi na vratilu in nihanja napetosti zaradi izgube sinhronizma z omrežjem.

5. Motorično delovanje

• Generator pritegne energijo iz omrežja, ko pride do odpovedi osnovnega pogona (npr. izguba para/vode), kar ogroža prenagrevanje ali kavitacijo v turbinah.

6. Mehanične napake

• Prenagrevanje ležajev, izguba tlaka smolnice in prekomerna vibracija.

Mehanizem prenagrevanja rotorja

Neravnovesni toki statorja (npr. negativna fazna sekvenca) inducirajo eddijske toke v rotorju na dvojnem sistemskem frekvenci (100/120 Hz), kar povzroča lokalno prenagrevanje. To oslabi držala in kolce rotorja.

Vrste zunanjih napak
Nenormalnosti v sistemu oskrbe z energijo

• Zunanje krajčice: Napake v omrežju, ki vplivajo na delovanje generatorja.

• Nesinhronizirana povezava: Škoda zaradi nepravilnega vzporednega povezovanja generatorjev.

• Preobremenitve/Prehitrost: Zaradi nenadnega odpuščanja obremenitve ali odpovedi kontrole osnovnega pogona.

• Fazno neravnovesje/Negativna sekvenca: Inducira eddijske toke v rotorju in prenagrevanje.

• Odhodek frekvence/napetosti: Pod/nad frekvence ali napetosti, ki stresa komponente generatorja.

Urejanja za zaščito generatorja
Ključni shemi zaščite
1. Zaščita proti napakam statorja

• Diferencialni rele: Zazna fazno in fazno-zemljinsko napako z primerjanjem vhodnih/izhodnih tokov.

• Zaščita proti zemljinski napaki: Uporablja rele za prekomern tok (za uporabo pri upornem zemljenju) ali rele za napetost (za uporabo pri transformatorskem zemljenju) za zaznavanje zemljinskih napak statorja.

2. Zaščita proti napakam rotorja

• Zemljinski rele nadzorajo poškodbo izolacije med rotorskim vinjenjem in vratilom.

3. Zaščita proti neravnovesnim obremenitvam

• Nadzorajo negativno fazno sekvenčne toke in izgubo vzbujevanja, ki povzročata težave s pretokom reaktivne moči.

4. Zaščita proti prenagrevanju

• Toplotni rele ali senzorji temperature zaznavajo prenagrevanje vinjenj statorja in ležajev; rele za negativno fazno sekvenco obravnavajo prenagrevanje rotorja.

5. Mehanična zaščita

• Rele za prehitrost, senzorji vibracij in rele za nizko vakuum/tlak varujejo pred odpovedmi osnovnega pogona in turbin.

6. Nadomestna in dodatna zaščita

• Rele za obratno moč preprečujejo motorično delovanje, medtem ko diferencialni rele za zemljinske napake statorja zagotavljajo primarno zaznavanje napak (glej Sliko 1 za tipične povezave).

• Diferencialni rele: Primerjajo tokove na obeh koncih vinjenj statorja za zaznavanje notranjih napak.

Načela zaščite

• Zaznavanje ničelne sekvenčne napetosti: Prepoznaje medvrtenjske napake z nadzorom neskladja napetosti preko transformatorjev napetosti (VT).

• Pristop zemljenja sistema: Sheme zaščite se razlikujejo glede na metode zemljenja statorja (uporni ali transformatorski zemljenje), uporabljajo CT-je ali VT-je za zaznavanje tokov/napetosti napak.

Mehanizmi zaščite proti napakam vinjenja rotorja

Krajčice vinjenja rotorja so zaščitene z rele za prekomeren tok, ki odskočijo generator ob zaznavanju nenormalnih tokov. Zemljinske napake predstavljajo drugo tveganje za vinjenje rotorja, vendar njihova zaščita zahteva specializirane pristope.

V velikih termalnih generatorjih so vinjenja rotorja ali polja tipično nezemljena, kar pomeni, da ena zemljinska napaka ne ustvari tok napake. Vendar ta napaka poviša potencial celotnega polja in sistema vzbujevanja. Dodatne napetosti, ki jih inducira odprtje polja ali glavnega preklopnika generatorja – še posebej med stanji napak – lahko stresirajo izolacijo vinjenja polja, kar lahko povzroči drugo zemljinsko napako. Druga napaka lahko vodi do lokalnega segrevanja železa, deformatsije rotorja in nevarnega mehaničnega neravnovesja.

Zaščita proti zemljinskim napakam rotorja pogosto uporablja rele, ki nadzorajo izolacijo z uporabo dodatne AC napetosti na rotorju. Alternativno se uporablja rele za napetost v seriji z viskokohesijskim omrežjem (običajno kombinacija linearnih in nelinearnih upornikov) preko rotorskega kruga. Srednja točka tega omrežja je povezana s tlem preko občutljive bobnine rele (ANSI/IEEE/IEC kode 64). Moderni sistemi zaščite vse bolj uporabljajo kombinacije linearnih in nelinearnih upornikov za izboljšano zaznavanje napak in nadzor izolacije.

Mehanizmi zaščite proti izgubi polja in prekomernemu vzbujevanju

Zaščita proti izgubi polja uporablja rele, ki zaznajo spremembe v pretoku reaktivne moči. Tipična shema uporablja Offset Mho (impedancni) rele – enofazni aparat, ki je opremljen z transformatorji tokov (CT) in napetosti (VT) generatorja – za merjenje obtežba obteženega impendansa. Rele se aktivira, ko impedenca pada znotraj njegovih operacijskih karakteristik. Časovni rele začne odskakanje generatorja, če vodilna reaktivna moč obstaja več kot 1 sekundo (standardni čas).

Zaščita proti prekomernemu vzbujevanju

Za preprečevanje nasititve jedra med zagonom in ustavljanjem se implementira zaščita proti prekomernemu vzbujevanju (ANSI/IEEE/IEC kode 59), temeljena na odnosu:B = V/f
kjer:

• B = gostota magnetnega plina (tesla, T)

• V = uporabljena napetost (volti, V)

• f = frekvenca (herci, Hz)

Gostota magnetnega plina mora ostati pod točko nasititve, kar pomeni, da se napetost lahko poveča sorazmerno s frekvenco (hitrostjo). Hitro vzbujevanje poveča tveganje prekomernega vzbujevanja, ki ga zaznajo rele Volti na herc. Ti rele imajo linearno karakteristiko in se aktivirajo, ko V/f preseže nastavljene pragove.

Zaščita proti prenagrevanju statorja in rotorja

• Vinjenja statorja & Ležaji: Nadzor temperature preko odporovih temperaturnih detektorjev (RTD) in termistorjev.

• Fazno neravnovesje statorja: Časovno obratni rele za prekomern tok, nastavljeni na maksimalno toplotno trpezljivost rotorja.

• Zaščita proti negativni fazni sekvenčni napaki: Varuje stroj pred prenagrevanjem rotorja, ki je povzročeno neravnovesnimi tokmi statorja, ki inducirajo škodljive eddijske toke v rotorju.

Zanesljivi sistemi zaščite so ključni za zmanjšanje škode in časa popravila, saj so generatorji med najdražjimi komponentami sistema oskrbe z energijo.

Ta zaščita uporablja rele, ki primerja tok v dveh fazah preko transformatorjev tokov (CT), kot je prikazano na Sliki 2. Zaščitni nastavi so določeni glede na maksimalni čas, ki ga rotor lahko izdrži prenagrevanje, definiran s formulo K = I²t (izvedeno iz Jouleovega zakona), kjer je I negativna fazna sekvenčna toka in t trajanje.

Tipične časovne tokovne krivulje, določene proizvajalcem, se razlikujejo glede na vrsto osnovnega pogona, kot je prikazano na referenčnem diagramu.

Sistem zaščite proti obratni moči, delovanju zunaj koraka in frekvenci/napetosti
Zaščita proti obratni moči (ANSI/IEEE/IEC kode 32)

Ta zaščita uporablja rele za smer moči za nadzor obremenitve generatorja, opremljen z CT-ji in VT-ji (glej Sliko 3). Rele se aktivira ob zaznavanju negativnega pretoka moči, kar kaže, da generator pritegne energijo iz omrežja (motorično delovanje), in sproži odskakanje, da prepreči škodo turbini.

Zaščita proti delovanju zunaj koraka

Razvrščena za zaznavanje motenj v sistemu oskrbe z energijo (ne napak generatorja), ta zaščita prepoznava izmakljanje polov, ko generator izgubi sinhronizem. Odskoči preklopnike generatorja, hkrati pa omogoča, da turbine nadaljujejo z delovanjem, kar omogoča ponovno sinhronizacijo po izčiščenju motnje.

• Princip delovanja: Tri impedancni rele meritve obteženega impendansa. Odskakanje se zgodi, če se rele aktivirajo v določenem zaporedju med nihanji moči, kar ga loči od izgube vzbujevanja (ki se zgodi pri ničelnem polju) in delovanja generatorja pri polnem polju.

Zaščita proti frekvenci in napetosti
Zaščita proti pod/nad frekvenci (ANSI/IEEE/IEC kode 81)

• Nadfrekvencija: Povzročena nenadnimi odpuščanji obremenitve, ki ogroža prekomerno napetost, če ni urejena. Kontrole generatorja morajo prilagoditi izhod, da bi se ujemal z povpraševanjem.

• Podfrekvencija: Rezultat nedostatka generiranja za povezane obremenitve, kar vodi do padecov napetosti, povečanega vzbujevanja in prenagrevanja rotorja/statorja. Odpuščanje obremenitve je ključno za preprečevanje zrušitve sistema.

Rele za pod/nad napetost (Kode 27/59)

Nadzor in kontrola odhodkov napetosti za zaščito opreme pred stresom ali poškodbo.

Fazna dodatna zaščita za zagon

Preprečuje zagon generatorja v stanje napake ali obremenjenosti. Nizko nastavljeni rele za prekomeren tok se aktivirajo samo, ko je frekvenca pod 52 Hz (za sisteme 60 Hz) ali 42 Hz (za sisteme 50 Hz), kar zagotavlja zaščito med transiente ob zagonu.

Zaščita proti zunanjim krajčicam

Rele za prekomeren tok (50, 50N, 51, 51N) zaznajo in odstranijo napake v zunanjem omrežju, kar varuje generator pred prekomernimi tokmi napak.

Ti sistemi zaščite skupaj obravnavajo operativne anomalije – od obratnega pretoka moči do sistemskih motenj – in zagotavljajo integriteto generatorja in stabilnost omrežja.