Zaštita generatora – Vrste kvarova i uređaji za zaštitu

Uobičajeni generatori grešaka i sistemi zaštite
Klasifikacija grešaka generatora

Greške generatora se uglavnom klasificiraju u interne i eksterne vrste:

• Interne greške: Pojavljuju se zbog problema unutar komponenti generatora.

• Eksterne greške: Stisu iz abnormalnih uslova rada ili problema sa eksternim mrežama.

Greške glavnih pogona (npr. dizel motori, turbine) su mehaničkog karaktera i definisane tokom dizajna opreme, iako moraju biti integrirane sa zaštitama generatora radi isključivanja.

Vrste internih grešaka
1. Greške statora

• Peregrejavanje ovoja: Uzrokovano stalnim preopterećenjima ili propadom izolacije.

• Greška između faz: Pojavljuje se zbog propada izolacije između faza.

• Greška faza-na-zemlju: Ispus struje iz fazonih ovoja na okvir statora.

• Greška između zavrtnji: Kratko spojenje između susednih zavrtnji u istom oviju.

2. Greške rotora

• Greška na zemlju: Ispus struje iz rotorovih ovoja na vratilo rotora.

• Kratko spojenje ovoja: Smanjuje napon pobude i povećava struju u ovinutim rotorima.

• Peregrejavanje: Uzrokovano nebalansiranim strujama statora (npr. skok jednog pola, negativni fazijski niz).

3. Gubitak polja/pobude

• Reaktivna snaga teče u generator, što ga dovodi do rada kao induktivnog generatora i gubi sinkronizaciju.

4. Rad izvan koraka

• Mehanički stress na vratilu i oscilacije napona zbog gubitka sinkronizacije sa mrežom.

5. Motor operacija

• Generator povlači snagu iz mreže kada pristanak primarnog pogona propade (npr. gubitak pare/ vode), rizično je za peregrejavanje ili kavitaciju u turbinama.

6. Mehaničke greške

• Peregrejavanje ležaja, gubitak pritiska maziva i prekomerna vibracija.

Mehanizam peregrejavanja rotora

Nebalansirane struje statora (npr. negativni fazijski niz) indukuju vihoriće u rotoru na dvostrukoj frekvenciji sistema (100/120 Hz), što dovodi do lokalnog peregrejavanja. To oslabljuje čvrste zavrtnje i prstenove rotora.

Vrste eksterne greške
Nerregularnosti sistema snabdevanja

• Eksterne kratke spojeve: Greške na mreži koje utiču na rad generatora.

• Nesinkronizovana veza: Šteta od nepravilnog paralelnog spajanja generatora.

• Preopterećenja/prekomerno brzovanje: Uzrokovano iznenadnim smanjenjem opterećenja ili propadom kontrole primarnog pogona.

• Fazijski nebalans/negativni fazijski niz: Indukuje vihoriće u rotoru i peregrejavanje.

• Otkloni frekvencije/voltaze: Pod/previše visoka frekvencija ili voltaza koja stavlja pod pritisak komponente generatora.

Uređaji za zaštitu generatora
Ključni shemi zaštite
1. Zaštita statora

• Diferencijalni rele: Otkriva greške između faza i faza-na-zemlju upoređujući ulazne/izlazne struje.

• Zaštita od grešaka na zemlju: Koristi rele za prekomernu struju (za otpornosnu zemlju) ili rele za napon (za transformatorsku zemlju) da otkrije greške na zemlju statora.

2. Zaštita rotora

• Relé za greške na zemlji nadgledaju propad izolacije između rotorovih ovoja i vratila.

3. Zaštita od nebalansiranog opterećenja

• Nadgleda negativni fazijski niz struja i gubitak pobude, koji dovode do problema sa protokom reaktivne snage.

4. Zaštita od peregrejavanja

• Termorele ili senzori temperature otkrivaju peregrejavanje ovoja statora i ležaja; relé za negativni fazijski niz rade na peregrejavanju rotora.

5. Mehanička zaštita

• Relé za prekomerno brzovanje, senzori vibracije i prekidnici za nisku vakuum/pritisk štite od propada primarnog pogona i turbine.

6. Rezervna i dodatna zaštita

• Relé za obrnutu snagu sprečavaju rad kao motor, dok diferencijalni relé za greške na zemlji statora obezbeđuju primarno otkrivanje grešaka (vidi Sliku 1 za tipične veze).

• Diferencijalni Relé: Upoređuju struje na oba kraja ovoja statora kako bi otkrili interne greške.

Principi zaštite

• Otkrivanje nulte sekvence napona: Identifikuje greške između zavrtnji nadgledajući neravnoteže napona preko transformatora napona (TN).

• Pružanje prilagođene zaštite sistemom zemljenja: Sheme zaštite variraju u zavisnosti od metoda zemljenja statora (otpornosno ili transformatorsko zemljenje), koriste TN ili TN da osete strujne/voltna ogranka grešaka.

Mehanizmi zaštite ovoja rotora

Greške kratkog spojenja ovinutih rotorovih ovoja su zaštićene releima za prekomernu struju, koji isključuju generator kada otkriju anormalne porasle struje. Greške na zemlji predstavljaju drugi rizik za rotorove ovoje, iako njihova zaštita zahteva specifične pristupe.

U velikim termalnim generatorima, rotor ili polje ovoja su obično nezemljeni, što znači da jedna greška na zemlji ne proizvodi struju greške. Međutim, takva greška podiže potencijal celog polja i sistema pobude. Dodatni naponi indukovani otvaranjem polja ili glavnog prekidnika generatora - posebno tokom uslova greške - mogu stresirati izolaciju polja, što može dovesti do druge greške na zemlji. Druga greška može dovesti do lokalnog zagrijavanja železa, deformativnosti rotora i opasnog mehaničkog nebalansa.

Zaštita od grešaka na zemlji rotora često koristi rele koji nadgleda izolaciju primenom pomoćnog AC napona na rotor. Alternativno, rele za napon se koristi u seriji sa mrežom visokih otpornika (obično kombinacija linearnih i nelinearnih otpornika) preko rotorovog kruga. Središnja tačka ove mreže povezuje na zemlju preko osetljivog bobina relea (ANSI/IEEE/IEC kod 64). Moderni sistemi zaštite sve više omiljuju kombinacije linearnih i nelinearnih otpornika za poboljšano otkrivanje grešaka i nadgledanje izolacije.

Mehanizmi zaštite od gubitka polja i prekomerne pobude

Zaštita od gubitka polja koristi rele za otkrivanje promena u protoku reaktivne snage. Tipična shema koristi Offset Mho (impedansijski) rele - jednofazni uređaj sa strujnim transformatorima (ST) i transformatorima napona (TN) generatora - da meri impedanciju opterećenja. Rele aktivira kada impedancija padne u svoju karakteristiku rada. Vremenski rele započinje isključivanje generatora ako vodeća reaktivna snaga traje 1 sekundu (standardno vreme).

Zaštita od prekomerne pobude

Da bi se sprečilo nasycenje jezgra tokom pokretanja i gasenja, zaštita od prekomerne pobude (ANSI/IEEE/IEC kod 59) se implementira na osnovu odnosa:B = V/f
gdje:

• B = gustoća magnetnog toka (tesla, T)

• V = primenjeni napon (volti, V)

• f = frekvencija (herc, Hz)

Gustoća magnetnog toka mora ostati ispod tačke nasycenja, što znači da se napon može povećavati proporcionalno sa frekvencijom (brzinom). Brza pobuda povećava rizik od prekomerne pobude, koja se otkriva Volts per Hertz releima. Ovi relei imaju linearnu karakteristiku i isključuju kada V/f premaši postavljene granice.

Zaštita od peregrejavanja statora i rotora

• Ovoja statora i ležaji: Nadgledanje temperature putem rezistivnih temperatura detektora (RTD) i termistora.

• Fazijski nebalans statora: Vremenski inverzni relei za prekomernu struju postavljeni na maksimalnu toplinsku izdržljivost rotora.

• Zaštita od negativnog fazijskog niza: Štiti mašinu od peregrejavanja rotora uzrokovano nebalansiranim strujama statora, koje indukuju štetne vihoriće u rotoru.

Pouzdani sistemi zaštite su ključni za smanjenje oštećenja i vremena popravke, jer su generatori medju najskupljim komponentama sistema snabdevanja.

Ova zaštita koristi rele koji upoređuje struje u dvema fazama preko strujnih transformatora (ST), kako je prikazano na Slici 2. Zaštitne postavke se određuju maksimalnim vremenom koje rotor može izdržati peregrejavanje, definisanim jednačinom K = I²t (izvedeno iz Jouleovog zakona), gde je I negativna fazijska struja, a t je trajanje.

Tipične vremensko-strujne krive za ovaj uslov date proizvođačem variraju u zavisnosti od tipa primarnog pogona, kako je prikazano na referentnom dijagramu.

Sistemi zaštite od obrnute snage, rad izvan koraka i zaštite frekvencije/voltaze
Zaštita od obrnute snage (ANSI/IEEE/IEC Kod 32)

Ova zaštita koristi rele za smjer snage kako bi nadgledao opterećenje generatora, snabdijevan putem ST i TN (vidi Sliku 3). Rele aktivira kada otkrije negativni protok snage - što ukazuje da generator povlači snagu iz mreže (rad kao motor) - i isključuje generator kako bi sprečio oštećenje turbine.

Zaštita od rad izvan koraka

Dizajnirana da otkrije perturbacije sistema snabdevanja (ne greške generatora), ova zaštita identifikuje klizanje pola kada generator gubi sinkronizaciju. Isključuje prekidnike generatora dok turbine nastavljaju raditi, omogućavajući ponovnu sinkronizaciju nakon što se perturbacija otkloni.

• Princip rada: Tri impedansijska relé meri impedanciju opterećenja. Isključivanje se dešava ako relé aktiviraju u određenoj sekvenci tokom oscilacija snage, razlikujući se od gubitka pobude (koji se dešava na nuli polja) i rada sa generatorom na punom polju.

Zaštita frekvencije i voltaze
Zaštita od pod/previše visoke frekvencije (ANSI/IEEE/IEC Kod 81)

• Previse visoka frekvencija: Uzrokovana iznenadnim smanjenjem opterećenja, rizično je za previsoki napon ako nije regulisano. Kontrole generatora moraju prilagoditi izlaz da bi se podudarao sa potražnjom.

• Podfrekvencija: Rezultat nedostatka generisanja za povezana opterećenja, što dovodi do pada napona, povećanja pobude i peregrejavanja rotora/statora. Smanjenje opterećenja je ključno za sprečavanje kolapsa sistema.

Relé za pod/previše visok napon (Kodovi 27/59)

Nadgledaju i kontroliraju otklone napona kako bi zaštitili opremu od stresa ili oštećenja.

Dodatna početna zaštita faze

Sprečava pokretanje generatora u grešku ili opterećenje. Relé za prekomernu struju sa niskim postavljenošću aktiviraju se samo kada je frekvencija ispod 52 Hz (za sisteme 60 Hz) ili 42 Hz (za sisteme 50 Hz), obezbeđujući zaštitu tokom transijentijskog pokretanja.

Zaštita od eksternih kratkih spojeva

Relé za prekomernu struju (50, 50N, 51, 51N) otkrivaju i čiste greške na eksternoj mreži, zaštitavajući generator od prekomernih struja grešaka.

Ovi sistemi zaštite kolektivno obrađuju operativne anomalije - od obrnutog protoka snage do sistemskih perturbacija - osiguravajući integritet generatora i stabilnost mreže.