การป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า – ประเภทของความผิดปกติและการป้องกันอุปกรณ์

ข้อผิดพลาดทั่วไปของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและระบบป้องกัน
การจำแนกประเภทของข้อผิดพลาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ข้อผิดพลาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทคือภายในและภายนอก:

• ข้อผิดพลาดภายใน: เกิดจากปัญหาภายในส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

• ข้อผิดพลาดภายนอก: เกิดจากสภาพการทำงานที่ผิดปกติหรือปัญหาในระบบเครือข่ายภายนอก

ข้อผิดพลาดในเครื่องยนต์หลัก (เช่น เครื่องยนต์ดีเซล เทอร์บิน) เป็นข้อผิดพลาดทางกลไกที่ถูกกำหนดไว้ในการออกแบบอุปกรณ์ แม้ว่าจะต้องรวมเข้ากับระบบป้องกันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อจุดประสงค์ในการทริป

ประเภทของข้อผิดพลาดภายใน
1. ข้อผิดพลาดของสเตเตอร์

• ความร้อนสูงเกินไปของวงจรขดลวด: เกิดจากการโหลดเกินหรือการชำรุดของฉนวน

• ข้อผิดพลาดระหว่างเฟส: เกิดจากการชำรุดของฉนวนระหว่างเฟส

• ข้อผิดพลาดระหว่างเฟสกับกราวด์: การรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าจากวงจรขดลวดเฟสไปยังโครงสร้างสเตเตอร์

• ข้อผิดพลาดระหว่างรอบ: การショートเซอร์กิตระหว่างรอบที่อยู่ติดกันในวงจรขดลวดเดียวกัน

2. ข้อผิดพลาดของโรเตอร์

• ข้อผิดพลาดระหว่างโรเตอร์กับกราวด์: การรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าจากวงจรขดลวดโรเตอร์ไปยังเพลาโรเตอร์

• การショートเซอร์กิตของวงจรขดลวด: ลดแรงดันไฟฟ้าในการกระตุ้นและเพิ่มกระแสไฟฟ้าในโรเตอร์ที่มีขดลวด

• ความร้อนสูงเกินไป: เกิดจากกระแสไฟฟ้าไม่สมดุลในสเตเตอร์ (เช่น การทริปเฟสเดียว ลำดับเฟสลบ)

3. การสูญเสียสนาม/การกระตุ้น

• พลังงานปฏิกิริยาไหลเข้าสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้ทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำและสูญเสียความซิงโครนัส

4. การทำงานที่ไม่ตรงกับเฟส

• ความเครียดทางกลไกบนเพลาและการแกว่งของแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากการสูญเสียความซิงโครนัสกับระบบไฟฟ้า

5. การทำงานแบบมอเตอร์

• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดึงพลังงานจากระบบไฟฟ้าเมื่อการจ่ายพลังงานจากเครื่องยนต์หลักล้มเหลว (เช่น การสูญเสียไอน้ำ/น้ำ) ทำให้เสี่ยงต่อการร้อนเกินหรือการเกิดโพรงอากาศในเทอร์บิน

6. ข้อผิดพลาดทางกลไก

• ความร้อนสูงเกินไปของแบริ่ง การสูญเสียแรงดันน้ำมันหล่อลื่น และการสั่นสะเทือนมากเกินไป

กลไกของการร้อนเกินของโรเตอร์

กระแสไฟฟ้าไม่สมดุลในสเตเตอร์ (เช่น ลำดับเฟสลบ) ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเอดดี้ในโรเตอร์ที่ความถี่สองเท่าของระบบ (100/120 Hz) ทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่ ทำให้แหวนและแท่งรองรับโรเตอร์อ่อนแอลง

ประเภทของข้อผิดพลาดภายนอก
ความผิดปกติของระบบไฟฟ้า

• ข้อผิดพลาดระยะสั้นภายนอก: ข้อผิดพลาดในระบบไฟฟ้าที่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

• การเชื่อมต่อที่ไม่ได้ซิงโครนัส: ความเสียหายจากการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ไม่เหมาะสม

• การโหลดเกิน/ความเร็วเกิน: เกิดจากการปลดโหลดอย่างกะทันหันหรือการควบคุมเครื่องยนต์หลักล้มเหลว

• ความไม่สมดุลของเฟส/ลำดับเฟสลบ: ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเอดดี้และทำให้โรเตอร์ร้อนเกินไป

• ความเบี่ยงเบนของความถี่/แรงดัน: ความถี่หรือแรงดันต่ำหรือสูงเกินไปที่ทำให้ส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสียหาย

อุปกรณ์ป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
แผนการป้องกันสำคัญ
1. ระบบป้องกันข้อผิดพลาดของสเตเตอร์

• รีเลย์ดิฟเฟอเรนเชียล: ตรวจจับข้อผิดพลาดระหว่างเฟสและระหว่างเฟสกับกราวด์โดยเปรียบเทียบกระแสไฟฟ้าขาเข้าและขาออก

• ระบบป้องกันข้อผิดพลาดระหว่างเฟสกับกราวด์: ใช้รีเลย์กระแสเกิน (สำหรับการต่อกราวด์ด้วยความต้านทาน) หรือรีเลย์แรงดัน (สำหรับการต่อกราวด์ด้วยหม้อแปลง) เพื่อตรวจจับข้อผิดพลาดระหว่างเฟสกับกราวด์ของสเตเตอร์

2. ระบบป้องกันข้อผิดพลาดของโรเตอร์

• รีเลย์ข้อผิดพลาดระหว่างโรเตอร์กับกราวด์ตรวจสอบการชำรุดของฉนวนระหว่างวงจรขดลวดโรเตอร์กับเพลา

3. ระบบป้องกันการโหลดไม่สมดุล

• ตรวจสอบกระแสไฟฟ้าลำดับเฟสลบและสูญเสียการกระตุ้น ซึ่งทำให้เกิดปัญหาการไหลของพลังงานปฏิกิริยา

4. ระบบป้องกันความร้อนสูงเกินไป

• รีเลย์ความร้อนหรือเซ็นเซอร์อุณหภูมิตรวจจับความร้อนสูงเกินไปของวงจรขดลวดสเตเตอร์และแบริ่ง รีเลย์ลำดับเฟสลบตรวจจับความร้อนของโรเตอร์

5. ระบบป้องกันทางกลไก

• รีเลย์ความเร็วเกิน เซ็นเซอร์สั่นสะเทือน และสวิตช์แรงดันต่ำ/แรงดันสูงป้องกันการล้มเหลวของเครื่องยนต์หลักและเทอร์บิน

6. ระบบป้องกันสำรองและเสริม

• รีเลย์พลังงานย้อนกลับป้องกันการทำงานแบบมอเตอร์ ในขณะที่รีเลย์ดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับข้อผิดพลาดระหว่างเฟสกับกราวด์ของสเตเตอร์ให้การตรวจจับข้อผิดพลาดหลัก (ดูภาพที่ 1 สำหรับการเชื่อมต่อที่พบบ่อย)

• Differential Relays: ทำการเปรียบเทียบกระแสไฟฟ้าทั้งสองปลายของวงจรขดลวดสเตเตอร์เพื่อตรวจจับข้อผิดพลาดภายใน

หลักการป้องกัน

• การตรวจจับแรงดันลำดับศูนย์: ระบุข้อผิดพลาดระหว่างรอบโดยตรวจสอบความไม่สมดุลของแรงดันผ่านหม้อแปลงแรงดัน (VT).

• การปรับเปลี่ยนระบบต่อกราวด์: แผนการป้องกันแตกต่างกันตามวิธีการต่อกราวด์ของสเตเตอร์ (ต่อกราวด์ด้วยความต้านทานหรือต่อกราวด์ด้วยหม้อแปลง) โดยใช้ CTs หรือ VTs เพื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้า/แรงดันที่เกิดข้อผิดพลาด

กลไกการป้องกันข้อผิดพลาดของวงจรขดลวดโรเตอร์

ข้อผิดพลาดการショートเซอร์กิตของวงจรขดลวดโรเตอร์ที่มีขดลวดถูกป้องกันโดยรีเลย์กระแสเกิน ซึ่งทริปเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติ ข้อผิดพลาดระหว่างโรเตอร์กับกราวด์เป็นอีกความเสี่ยงหนึ่งสำหรับวงจรขดลวดโรเตอร์ แต่การป้องกันต้องใช้วิธีเฉพาะ

ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าความร้อนขนาดใหญ่ โรเตอร์หรือวงจรขดลวดสนามมักไม่ได้ต่อกราวด์ หมายความว่าข้อผิดพลาดกราวด์เดียวไม่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าข้อผิดพลาด แต่ข้อผิดพลาดดังกล่าวทำให้ศักย์ของระบบสนามและระบบกระตุ้นทั้งหมดเพิ่มขึ้น แรงดันพิเศษที่เกิดจากการเปิดวงจรสนามหรือวงจรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลัก—โดยเฉพาะในภาวะข้อผิดพลาด—อาจทำให้ฉนวนของวงจรขดลวดสนามเสื่อมสภาพ ทำให้เกิดข้อผิดพลาดกราวด์ที่สอง ข้อผิดพลาดที่สองอาจทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่ของเหล็ก ความโค้งงอของโรเตอร์ และความไม่สมดุลทางกลไกที่อันตราย

ระบบป้องกันข้อผิดพลาดระหว่างโรเตอร์กับกราวด์มักใช้รีเลย์ที่ตรวจสอบฉนวนโดยใช้แรงดัน AC สนับสนุนไปยังโรเตอร์ หรือใช้รีเลย์แรงดันในลักษณะอนุกรมกับเครือข่ายความต้านทานสูง (มักเป็นการผสมผสานระหว่างความต้านทานเชิงเส้นและไม่เชิงเส้น) ที่เชื่อมต่อกับวงจรโรเตอร์ จุดกลางของเครือข่ายนี้เชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านคอยล์รีเลย์ที่ไวต่อการตรวจจับ (รหัส ANSI/IEEE/IEC 64) แผนการป้องกันสมัยใหม่มีแนวโน้มที่จะใช้การผสมผสานระหว่างความต้านทานเชิงเส้นและไม่เชิงเส้นเพื่อการตรวจจับข้อผิดพลาดและตรวจสอบฉนวนที่ดีขึ้น

กลไกการป้องกันการสูญเสียสนามและการกระตุ้นเกิน

ระบบป้องกันการสูญเสียสนามใช้รีเลย์ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในการไหลของพลังงานปฏิกิริยา แผนการป้องกันทั่วไปใช้รีเลย์ Offset Mho (อิมพีแดนซ์)—อุปกรณ์เฟสเดียวที่จ่ายโดยหม้อแปลงกระแส (CTs) และหม้อแปลงแรงดัน (VTs)—เพื่อวัดอิมพีแดนซ์โหลด รีเลย์ทริปเมื่ออิมพีแดนซ์อยู่ในคุณสมบัติการดำเนินงาน รีเลย์เวลาเริ่มทริปเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหากพลังงานนำคงอยู่เป็นเวลา 1 วินาที (เวลามาตรฐาน)

ระบบป้องกันการกระตุ้นเกิน

เพื่อป้องกันการอิ่มตัวของแกนระหว่างการเริ่มต้นและปิดเครื่อง ระบบป้องกันการกระตุ้นเกิน (รหัส ANSI/IEEE/IEC 59) ถูกนำมาใช้ โดยอาศัยความสัมพันธ์:B = V/f
โดย:

• B = ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก (เทสลา, T)

• V = แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (โวลต์, V)

• f = ความถี่ (เฮิรตซ์, Hz)

ความหนาแน่นของฟลักซ์ในแกนต้องอยู่ต่ำกว่าจุดอิ่มตัว หมายความว่าแรงดันสามารถเพิ่มขึ้นได้ตามความถี่ (ความเร็ว) การกระตุ้นอย่างรวดเร็วเพิ่มความเสี่ยงของการกระตุ้นเกิน ซึ่งตรวจจับโดยรีเลย์ Volts per Hertz รีเลย์เหล่านี้มีคุณสมบัติเชิงเส้นและทริปเมื่อ V/f เกินค่าที่กำหนด

ระบบป้องกันความร้อนสูงเกินของสเตเตอร์และโรเตอร์

• วงจรขดลวดสเตเตอร์และแบริ่ง: การตรวจสอบอุณหภูมิโดยใช้ RTDs และเทอร์มิสเตอร์

• ความไม่สมดุลของเฟสสเตเตอร์: รีเลย์กระแสเกินที่มีลักษณะตามเวลานำมาตั้งค่าตามความทนทานสูงสุดของโรเตอร์

• ระบบป้องกันลำดับเฟสลบ: ป้องกันเครื่องจากการร้อนเกินของโรเตอร์ที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าไม่สมดุลในสเตเตอร์ ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเอดดี้ที่ทำลายโรเตอร์

ระบบป้องกันที่เชื่อถือได้เป็นสิ่งสำคัญในการลดความเสียหายและระยะเวลาการซ่อมแซม เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบที่มีราคาแพงที่สุดในระบบไฟฟ้า

ระบบป้องกันนี้ใช้รีเลย์ที่เปรียบเทียบกระแสในสองเฟสผ่านหม้อแปลงกระแส (CTs) ดังแสดงในรูปที่ 2 ค่าการตั้งค่าป้องกันถูกกำหนดโดยเวลาสูงสุดที่โรเตอร์สามารถทนความร้อนได้ ซึ่งคำนวณจากสมการ K = I²t (จากกฎของ Joule) โดยที่ I คือกระแสลำดับเฟสลบ และ t คือระยะเวลา

เส้นโค้งความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและเวลาที่กำหนดโดยผู้ผลิตสำหรับภาวะนี้แตกต่างกันตามประเภทของเครื่องยนต์หลัก ดังแสดงในแผนภาพที่อ้างอิง

ระบบป้องกันพลังงานย้อนกลับ การทำงานที่ไม่ตรงกับเฟส และการป้องกันความถี่/แรงดัน
ระบบป้องกันพลังงานย้อนกลับ (รหัส ANSI/IEEE/IEC 32)

ระบบป้องกันนี้ใช้รีเลย์ทิศทางพลังงานเพื่อตรวจสอบโหลดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งจ่ายโดยหม้อแปลงกระแส (CTs) และหม้อแปลงแรงดัน (VTs) (ดูรูปที่ 3) รีเลย์ทำงานเมื่อตรวจจับการไหลของพลังงานในทิศทางลบ—หมายความว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำลังดึงพลังงานจากระบบไฟฟ้า (การทำงานแบบมอเตอร์)—และทริปเพื่อป้องกันความเสียหายของเทอร์บิน

ระบบป้องกันการทำงานที่ไม่ตรงกับเฟส

ระบบป้องกันนี้ออกแบบมาเพื่อตรวจจับความผิดปกติของระบบไฟฟ้า (ไม่ใช่ข้อผิดพลาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ระบบนี้ระบุการเลื่อนเฟสเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสูญเสียความซิงโครนัส ทริปวงจรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในขณะที่ให้เทอร์บินทำงานต่อไป ทำให้สามารถซิงโครนัสใหม่ได้หลังจากความผิดปกติหมดไป

• หลักการการทำงาน: สามรีเลย์อิมพีแดนซ์วัดอิมพีแดนซ์โหลด หากรีเลย์ทำงานตามลำดับเฉพาะในช่วงการแกว่งของพลังงาน จะทริป ซึ่งแตกต่างจากการสูญเสียการกระตุ้น (ซึ่งเกิดที่สนามศูนย์) และการทำงานกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีสนามเต็ม

ระบบป้องกันความถี่และแรงดัน
ระบบป้องกันความถี่ต่ำ/สูงเกิน (รหัส ANSI/IEEE/IEC 81)

• ความถี่สูงเกิน: เกิดจากการปลดโหลดอย่างกะทันหัน ทำให้เสี่ยงต่อแรงดันสูงเกินหากไม่ได้จัดการ เครื่องควบคุมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องปรับเอาต์พุตให้ตรงกับความต้องการ

• ความถี่ต่ำเกิน: เกิดจากการผลิตไฟฟ้าไม่เพียงพอสำหรับโหลดที่เชื่อมต่อ ทำให้แรงดันลดลง การกระตุ้นเพิ่มขึ้น และโรเตอร์/สเตเตอร์ร้อนเกินไป การปลดโหลดเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันการล่มของระบบ

รีเลย์แรงดันต่ำ/สูงเกิน (รหัส 27/59)

ตรวจสอบและควบคุมความเบี่ยงเบนของแรงดันเพื่อป้องกันอุปกรณ์จากการเสียหายหรือความเครียด

ระบบป้องกันการเริ่มต้นเสริมเฟส

ป้องกันการเริ่มต้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าสู่ข้อผิดพลาดหรือภาวะโหลด รีเลย์กระแสเกินที่ตั้งค่าต่ำทำงานเฉพาะเมื่อความถี่ต่ำกว่า 52 Hz (สำหรับระบบ 60 Hz) หรือ 42 Hz (สำหรับระบบ 50 Hz) ทำให้ได้การป้องกันในระหว่างการเริ่มต้นที่ผิดปกติ

ระบบป้องกันข้อผิดพลาดระยะสั้นภายนอก

รีเลย์กระแสเกิน (50, 50N, 51, 51N) ตรวจจับและกำจัดข้อผิดพลาดในเครือข่ายภายนอก ป้องกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากการไหลของกระแสไฟฟ้าข้อผิดพลาดที่สูงเกินไป

แผนการป้องกันเหล่านี้ร่วมกันจัดการกับความผิดปกติในการทำงาน—ตั้งแต่การไหลย้อนกลับของพลังงานจนถึงความผิดปกติในระบบ—เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความมั่