Generator Protection – Typer av fel & skyddsutrustning

Vanliga generatorfel och skyddssystem
Klassificering av generatorfel

Generatorfel kan huvudsakligen kategoriseras i interna och externa typer:

• Interna fel: Uppstår på grund av problem inom generatorns komponenter.

• Externa fel: Beror på ovanliga driftförhållanden eller nätproblem.

Fel i drivmaskiner (t.ex. dieselmotorer, turbiner) är mekaniska i sin natur och definieras under utrustningsdesign, men de måste integreras med generatorskydd för att kunna kopplas ur.

Typer av interna fel
1. Statorfel

• Överhettning av vindningar: Orsakad av permanent överbelastning eller isoleringsbrott.

• Fas-till-fasfel: Inträffar på grund av isoleringsbrott mellan faser.

• Fas-till-jordfel: Strömläcka från fasvindningar till statorramen.

• Omgångsfel: Kortslutning mellan intilliggande varv i samma vindning.

2. Rotorfel

• Jordfel: Strömläcka från rotorvindningar till rotaxeln.

• Vindningskortslutning: Minskar uppspänningsvoltaget och ökar strömmen i vindade rotorer.

• Överhettning: Orsakad av obalanserade statorströmmar (t.ex. enpolig trip, negativ fassekvens).

3. Fälthaveri/Uppspänningsförlust

• Reaktiv effekt flyter in i generatorn, vilket gör att den fungerar som en induktionsgenerator och förlorar synkronism.

4. Osynkron drift

• Mekaniska spänningar i axeln och spänningssvängningar på grund av förlust av synkronism med nätet.

5. Motoroperation

• Generatorn drar effekt från nätet när drivmaskinens tillförsel misslyckas (t.ex. ång/vattenförlust), vilket riskerar överhettning eller kavitation i turbiner.

6. Mekaniska fel

• Lager överhettning, minskat smörjmediestryck och överdriven vibration.

Mekanism för rotor överhettning

Obalanserade statorströmmar (t.ex. negativ fassekvens) inducerar virvelströmmar i roton vid två gånger systemfrekvens (100/120 Hz), vilket orsakar lokal överhettning. Detta sväcker rotorns fastighetsklinjer och ringar.

Typer av externa fel
Energisystemabnormaliteter

• Externa kortslutningar: Fel i nätet som påverkar generatorns drift.

• Icke-synkroniserad anslutning: Skada från felaktig parallellkoppling av generatorn.

• Överbelastning/Översnabbhet: Orsakad av plötslig lastavlastning eller driftfel i drivmaskinen.

• Fasobalans/Negativ sekvens: Inducerar virvelströmmar i roton och överhettning.

• Frekvens/spänningsavvikelse: Under/över frekvens eller spänning som belastar generatorkomponenter.

Generatorskyddsenheter
Viktiga skyddsscheman
1. Statorfelsskydd

• Differensrelä: Upptäcker fas-till-fas och fas-till-jordfel genom att jämföra ingångs-/utgångsströmmar.

• Jordfelsskydd: Använder överströmsreläer (för resistansjordning) eller spänningsreläer (för transformatorjordning) för att upptäcka statorjordfel.

2. Rotorfelsskydd

• Jordfelreläer övervakar isoleringsbrott mellan rotorvindningar och axeln.

3. Obalanserad belastningsskydd

• Övervakar negativa fassekvensströmmar och fälthaveri, vilket orsakar problem med reaktiv effektflöde.

4. Överhettningsskydd

• Termiska reläer eller temperaturmätare upptäcker överhettning i statorvindningar och lager; negativa fassekvensreläer hanterar rotoruppvärmning.

5. Mekaniskt skydd

• Översnabbhetsreläer, vibrationsensorer och låga vakuum/tryckswitchar skyddar mot drivmaskin- och turbinfel.

6. Reserves och tilläggsskydd

• Omvänd effektreläer förhindrar motoroperation, medan differensreläer för statorjordfel ger primär felupptäckt (se figur 1 för typiska anslutningar).

• Differensreläer: Jämför strömmar vid båda ändarna av statorvindningar för att upptäcka interna fel.

Skyddsprinciper

• Nollsekvensspänningsdetektion: Identifierar omgångsfel genom att övervaka spänningsobalanser via spänningstransformatorer (VT).

• Anpassning av jordningssystem: Skyddsscheman varierar beroende på statorjordningsmetoder (resistans eller transformatorjordning), användande CTs eller VTs för att mäta felströmmar/spänningar.

Rotorvindningsfelsskyddsmekanismer

Kortslutningsfel i vindade roton vindningar skyddas av överströmsreläer, vilka kopplar ur generatorn vid detektering av ovanliga strömökningar. Jordfel utgör ett annat hot mot rotorvindningar, även om deras skydd kräver specialiserade metoder.

I stora termogeneratorer är rotor- eller fältvindningar vanligtvis ojordade, vilket innebär att ett enda jordfel inte producerar någon felfström. Ett sådant fel höjer dock potentialen för hela fält- och excitersystemet. Extra spänningar inducerade av öppning av fält- eller huvudgeneratorbrytaren – särskilt under felsituationer – kan stressa fältvindningsisoleringen, vilket potentiellt kan orsaka ett andra jordfel. Ett andra fel kan leda till lokal järnvärmning, rotorformförändring och farlig mekanisk obalans.

Rotorjordfelsskydd använder ofta ett relä som övervakar isoleringen genom att applicera en hjälpväxelström till roton. Alternativt används ett spänningsrelä i serie med ett nätverk av höga motstånd (vanligtvis en kombination av linjära och icke-linjära resistorer) över rotorcirkuiten. Mittpunkten i detta nätverk är ansluten till jorden via ett känsligt reläspole (ANSI/IEEE/IEC kod 64). Moderna skyddsscheman gynnar alltmer kombinationer av linjära och icke-linjära resistorer för förbättrad felupptäckt och isoleringsövervakning.

Fälthaveri- och överuppspänningsskyddsmekanismer

Fälthaveriskydd använder ett relä för att upptäcka förändringar i reaktiv effektflöde. Ett typiskt schema använder ett Offset Mho (impedans) relä – en enfasenhet levererad av generatorströmstransformatorer (CTs) och spänningstransformatorer (VTs) – för att mäta lastimpedans. Reläet aktiveras när impedansen faller inom dess driftkarakteristik. Ett tidsrelä initierar generatorkoppling om ledande reaktiv effekt fortgår i 1 sekund (standardtid).

Överuppspänningskydd

För att förhindra kärnmetallisation under uppstart och nedkylning implementeras överuppspänningskydd (ANSI/IEEE/IEC kod 59), baserat på relationen:B = V/f
där:

• B = magnetisk flödestäthet (tesla, T)

• V = tillämpad spänning (volt, V)

• f = frekvens (hertz, Hz)

Kärnflöde måste hållas under mättnadspunkten, vilket betyder att spänningen bara kan öka proportionellt med frekvensen (hastighet). Snabb uppspänning ökar risken för överuppspänningskydd, upptäckt av Volt per Hertz-reläer. Dessa reläer har linjära egenskaper och kopplar ur när V/f överstiger angivna tröskelvärden.

Stator- och rotoröverhettningsskydd

• Statorvindningar & Lager: Temperaturövervakning via resistans temperaturdetektorer (RTDs) och termistorer.

• Statorfasobalans: Tidsinverterade överströmsreläer inställda på rotorns maximala värmeuthållighet.

• Negativ fassekvensskydd: Skyddar maskinen från rotoröverhettning orsakad av obalanserade statorströmmar, vilka inducerar skadliga virvelströmmar i roton.

Tillförlitliga skyddssystem är avgörande för att minimera skada och reparationstid, eftersom generatorer är bland de dyraste komponenterna i energisystemet.

Detta skydd använder ett relä som jämför strömmar i två faser via ströms_transformatorer (CTs), som illustreras i figur 2. De skyddande inställningarna bestäms av den maximala tid rotorn kan uthärda överhettning, definierad av ekvationen K = I²t (avled från Joules lag), där I är den negativa sekvensströmmen och t är varaktigheten.

Tillverkarens angivna typiska strömtidkurvor för detta tillstånd varierar beroende på drivmaskintyp, som visas i referensdiagrammet.

Omvänd effekt, osynkron och frekvens/spänningskyddssystem
Omvänd effektsskydd (ANSI/IEEE/IEC kod 32)

Detta skydd använder en effektriktningrelä för att övervaka generatorlast, levererad av CTs och VTs (se figur 3). Reläet aktiveras vid detektering av negativ effektflöde – vilket indikerar att generatorn drar effekt från nätet (motoroperation) – och utlöser koppling för att förhindra turbinskador.

Osynkronskydd

Utformat för att upptäcka energisystemdisturber (inte generatorfel), detta skydd identifierar polglidning när generatorn förlorar synkronism. Det kopplar ur generatorbrytare medan turbinen fortsätter att snurra, vilket möjliggör åter-synkronisering efter att störningen har tagits bort.

• Driftprincip: Tre impedansreläer mäter lastimpedans. Koppling inträffar om reläerna aktiveras i en specifik sekvens under effektsvingningar, vilket skiljer det från fälthaveri (som inträffar vid nollfält) och drift med generatorn vid fullt fält.

Frekvens- och spänningskydd
Under/Överfrekvensskydd (ANSI/IEEE/IEC kod 81)

• Överfrekvens: Orsakad av plötslig lastavlastning, vilket riskerar överspänning om det inte hanteras. Generatorkontroller måste justera utdata för att matcha efterfrågan.

• Underfrekvens: Resultat av otillräcklig produktion för anslutna laster, vilket leder till spänningsfall, ökad uppspänning och rotor/statoröverhettning. Lastavlastning är kritisk för att förhindra systemkollaps.

Under/Överspänningsreläer (Kod 27/59)

Övervakar och kontrollerar spänningsavvikelser för att skydda utrustning från stress eller skada.

Fas tilläggsstartskydd

Förhindrar start av generator i ett fel eller belastat tillstånd. Låginställda överströmsreläer aktiveras endast när frekvensen är under 52 Hz (för 60 Hz-system) eller 42 Hz (för 50 Hz-system), vilket säkerställer skydd under starttransienter.

Extern kortslutningsskydd

Överströmsreläer (50, 50N, 51, 51N) upptäcker och rensar fel i det externa nätet, vilket skyddar generatorn från överdriven felfström.

Dessa skyddsscheman täcker kollektivt driftavvikelser – från omvänd effektflöde till systembreda disturber – för att säkerställa generatorintegritet och nätstabilitet.