Pangangalaga sa Generator – Mga Uri ng mga Kamalian at mga Pansang-ayon na Pansanggalan

Karaniwang Mga Kasalanan ng Generator at mga Sistema ng Proteksyon
Uri ng Mga Kasalanan ng Generator

Ang mga kasalanan ng generator ay pangunahing nakaklase sa panloob at panlabas na uri:

• Panloob na Kasalanan: Nagmumula sa mga isyu sa mga komponente ng generator.

• Panlabas na Kasalanan: Nagmumula sa hindi normal na kondisyon ng operasyon o mga isyu sa panlabas na network.

Ang mga kasalanan sa pangunahing mover (hal. diesel engines, turbines) ay mekanikal sa natura at itinakda sa disenyo ng kagamitan, bagaman kailangan nilang maging integrado sa mga proteksyon ng generator para sa layuning pagtrip.

Uri ng Panloob na Kasalanan
1. Stator Faults

• Overheating ng Winding: Dahil sa permanenteng overload o pagkasira ng insulasyon.

• Phase-to-Phase Fault: Nagaganap dahil sa pagkasira ng insulasyon sa pagitan ng mga phase.

• Phase-to-Earth Fault: Pagkawala ng kuryente mula sa phase windings patungo sa stator frame.

• Inter-Turn Fault: Short circuit sa pagitan ng mga adjacent turns sa parehong winding.

2. Rotor Faults

• Earth Fault: Pagkawala ng kuryente mula sa rotor windings patungo sa rotor shaft.

• Winding Short-Circuit: Binabawasan ang excitation voltage at nagpapataas ng kuryente sa wound rotors.

• Overheating: Dahil sa hindi balanse na kuryente ng stator (hal. single-pole trip, negative phase sequence).

3. Loss of Field/Excitation

• Ang reactive power ay lumilipad pabalik sa generator, nagpapatakbo nito bilang induction generator at nawawalan ng synchronism.

4. Out-of-Step Operation

• Mechanical stresses sa shaft at pagbabago ng voltage dahil sa pagkawala ng synchronism sa grid.

5. Motor Operation

• Ang generator ay kumukuha ng kuryente mula sa grid kapag ang supply ng prime mover ay nabigo (hal. pagkawala ng steam/water), na may panganib ng overheating o cavitation sa turbines.

6. Mekanikal na Kasalanan

• Overheating ng bearing, pagkawala ng presyon ng lube oil, at labis na vibration.

Mechanism ng Overheating ng Rotor

Ang hindi balanse na kuryente ng stator (hal. negative phase sequence) ay nagpapainduce ng eddy currents sa rotor na dalawang beses ang frequency ng sistema (100/120 Hz), nagdudulot ng lokal na overheating. Ito ay nagpapahina ng rotor retaining wedges at rings.

Uri ng Panlabas na Kasalanan
Abnormalidad ng Power System

• Panlabas na Short-Circuits: Mga kasalanan sa grid na nakakaapekto sa operasyon ng generator.

• Non-Synchronized Connection: Pagsasama ng generator na hindi tama.

• Overloads/Overspeed: Dahil sa biglaang pagkawala ng load o pagkabigo ng kontrol ng prime mover.

• Phase Unbalance/Negative Sequence: Nagpapainduce ng rotor eddy currents at overheating.

• Frequency/Voltage Deviations: Under/over frequency o voltage na nagpapastres sa mga komponente ng generator.

Mga Device ng Proteksyon ng Generator
Pangunahing Schemes ng Proteksyon
1. Stator Fault Protection

• Differential Relay: Nagsusuri ng phase-to-phase at phase-to-earth faults sa pamamagitan ng paghahambing ng input/output currents.

• Earth Fault Protection: Gumagamit ng overcurrent relays (para sa resistance grounding) o voltage relays (para sa transformer grounding) upang detektahin ang stator ground faults.

2. Rotor Fault Protection

• Ang earth fault relays ay nagsusuri ng pagkasira ng insulasyon sa pagitan ng rotor windings at shaft.

3. Unbalanced Loading Protection

• Nagsusuri ng negative phase sequence currents at loss of excitation, na nagdudulot ng mga isyu sa reactive power flow.

4. Overheating Protection

• Thermal relays o temperature sensors na nagsusuri ng overheating ng stator winding at bearing; negative phase sequence relays para sa rotor heating.

5. Mekanikal na Proteksyon

• Overspeed relays, vibration sensors, at low vacuum/pressure switches na nagbibigay ng seguridad laban sa pagkabigo ng prime mover at turbine.

6. Backup at Supplementary Protection

• Reverse power relays na nagpapahinto ng motor operation, habang ang differential relays para sa stator earth faults ay nagbibigay ng pangunahing deteksiyon ng fault (tingnan ang Figure 1 para sa karaniwang koneksyon).

• Differential Relays: Naghahambing ng kuryente sa parehong dulo ng stator windings upang detektahin ang panloob na faults.

Prinsipyong Proteksyon

• Zero-Sequence Voltage Detection: Nakikilala ang inter-turn faults sa pamamagitan ng pag-monitor ng voltage imbalances gamit ang voltage transformers (VT).

• Grounding System Adaptation: Ang mga scheme ng proteksyon ay nag-iiba batay sa mga paraan ng stator grounding (resistance o transformer grounding), gumagamit ng CTs o VTs upang masensyahan ang fault currents/voltages.

Mekanismo ng Proteksyon ng Rotor Winding Fault

Ang mga short-circuit fault sa wound rotor winding ay pinoprotektahan ng overcurrent relays, na nagtrip sa generator kapag nadetekta ang abnormal na surge ng kuryente. Ang earth faults ay isa pang panganib sa rotor windings, bagaman ang kanilang proteksyon ay nangangailangan ng espesyal na paraan.

Sa malalaking thermal generators, ang rotor o field windings ay karaniwang ungrounded, na nangangahulugan na ang iisang ground fault ay hindi nagpapakilos ng fault current. Gayunpaman, ganitong fault ay nagpapataas ng potensyal ng buong field at exciter system. Ang extra voltages na ininduce sa pamamagitan ng pagbubukas ng field o main generator breaker—lalo na sa panahon ng fault conditions—ay maaaring mag-stress sa insulation ng field winding, na maaaring humantong sa ikalawang ground fault. Ang ikalawang fault ay maaaring magresulta sa lokal na pag-init ng iron, distortion ng rotor, at mapanganib na mekanikal na imbalance.

Ang proteksyon ng rotor earth-fault kadalasang gumagamit ng relay na nagsusuri ng insulasyon sa pamamagitan ng pag-apply ng auxiliary AC voltage sa rotor. Bilang alternatibo, ginagamit ang voltage relay sa serye sa high-resistance network (karaniwang kombinasyon ng linear at non-linear resistors) sa rotor circuit. Ang sentral na punto ng network ay konektado sa ground sa pamamagitan ng sensitive relay coil (ANSI/IEEE/IEC code 64). Ang modernong schemes ng proteksyon ay lalong pabor sa kombinasyon ng linear at non-linear resistors para sa mas mahusay na deteksiyon ng fault at monitoring ng insulasyon.

Mekanismo ng Loss of Field at Overexcitation Protection

Ang proteksyon ng loss of field ay gumagamit ng relay upang detektahin ang pagbabago sa reactive power flow. Ang isang tipikal na scheme ay gumagamit ng Offset Mho (impedance) relay—isa na single-phase device na inaplay sa generator current transformers (CTs) at voltage transformers (VTs)—upang sukatin ang load impedance. Ang relay ay nagtrigger kapag ang impedance ay nasa loob ng kanyang operating characteristic. Ang timing relay ay nagsisimula ng tripping ng generator kung ang leading reactive power ay umiiral ng 1 segundo (standard timing).

Overexcitation Protection

Upang maiwasan ang core saturation sa panahon ng startup at shutdown, ang overexcitation protection (ANSI/IEEE/IEC code 59) ay inimplemento, batay sa relasyon:B = V/f
kung saan:

• B = magnetic flux density (tesla, T)

• V = applied voltage (volts, V)

• f = frequency (hertz, Hz)

Ang core flux ay kailangang manatili sa ilalim ng saturation point, na nangangahulugan na ang voltage ay maaari lamang tumaas proporsyonado sa frequency (speed). Ang mabilis na excitation ay nagdudulot ng panganib ng overexcitation, na nadetekta ng Volts per Hertz relays. Ang mga relay na ito ay may linear characteristics at nagtrip kapag V/f umiiral sa ibabaw ng set thresholds.

Stator at Rotor Overheating Protection

• Stator Windings & Bearings: Monitoring ng temperatura sa pamamagitan ng resistance temperature detectors (RTDs) at thermistors.

• Stator Phase Unbalance: Time-inverse overcurrent relays na itinakda sa maximum heat tolerance ng rotor.

• Negative Phase Sequence Protection: Nagbibigay ng seguridad sa makina mula sa rotor overheating na dulot ng hindi balanse na kuryente ng stator, na nagpapainduce ng damaging eddy currents sa rotor.

Ang maasintas na mga sistema ng proteksyon ay mahalaga upang minimisin ang pinsala at oras ng repair, dahil ang mga generator ay isa sa pinakamahal na komponente ng power system.

Ang proteksyon na ito ay gumagamit ng relay na naghahambing ng kuryente sa dalawang phase sa pamamagitan ng current transformers (CTs), tulad ng ipinapakita sa Figure 2. Ang mga setting ng proteksyon ay itinakda batay sa maximum time na kayang tiisin ng rotor ang overheating, na inilalarawan sa equation K = I²t (nagmumula sa Joule's law), kung saan I ay ang negative sequence current at t ang duration.

Ang typical time-current curves na itinalaga ng manufacturer para sa kondisyong ito ay nag-iiba batay sa tipo ng prime mover, tulad ng ipinapakita sa referenced diagram.

Reverse Power, Out-of-Step, at Frequency/Voltage Protection Systems
Reverse Power Protection (ANSI/IEEE/IEC Code 32)

Ang proteksyon na ito ay gumagamit ng power directional relay upang monitorin ang load ng generator, na inaplay sa pamamagitan ng CTs at VTs (tingnan ang Figure 3). Ang relay ay nagactivate kapag nadetekta ang negative power flow—na nagpapahiwatig na ang generator ay kumukuha ng kuryente mula sa grid (motor operation)—at nagtrigger ng tripping upang maiwasan ang pinsala sa turbine.

Out-of-Step Protection

Idinisenyo upang detektahin ang mga disturbance sa power system (hindi kasalanan ng generator), ang proteksyon na ito ay nagsisilbing identifier ng pole slipping kapag ang generator ay nawawalan ng synchronism. Ito ay nagtrip sa generator breakers habang pinapayagan ang turbine na magpatuloy, na nagbibigay ng pagkakataon para sa re-synchronization pagkatapos mawala ang disturbance.

• Prinsipyo ng Operasyon: Tatlong impedance relays ang nagsusuri ng load impedance. Ang tripping ay nangyayari kung ang relays ay nagactivate sa ispesipikong sequence sa panahon ng power swings, na naghihiwalay nito mula sa loss of excitation (na nangyayari sa zero field) at operasyon ng generator sa full field.

Frequency at Voltage Protection
Under/Over Frequency Protection (ANSI/IEEE/IEC Code 81)

• Overfrequency: Dahil sa biglaang pagkawala ng load, na may panganib ng overvoltage kung hindi ito nasolusyunan. Ang kontrol ng generator ay kailangang ayusin ang output upang tumugon sa demand.

• Underfrequency: Resulta ng hindi sapat na generation para sa konektadong load, na nagreresulta sa pagbaba ng voltage, pagtaas ng excitation, at overheating ng rotor/stator. Ang load shedding ay mahalaga upang maiwasan ang pagbagsak ng sistema.

Under/Over Voltage Relays (Codes 27/59)

Nagmonitor at kontrol ng mga deviation ng voltage upang protektahan ang kagamitan mula sa stress o pinsala.

Phase Supplementary Start Protection

Nagpapahinto ng pagstart ng generator sa isang fault o loaded condition. Ang low-set overcurrent relays ay nagengage lamang kapag ang frequency ay nasa ilalim ng 52 Hz (para sa 60 Hz systems) o 42 Hz (para sa 50 Hz systems), na nagbibigay ng proteksyon sa panahon ng startup transients.

External Short-Circuit Protection

Ang overcurrent relays (50, 50N, 51, 51N) ay nagdetekta at nagclear ng mga fault sa panlabas na network, na nagbibigay ng seguridad sa generator mula sa excessive fault currents.

Ang mga scheme ng proteksyon na ito ay kolektibong tumutugon sa mga anomalya sa operasyon—mula sa pagbalik ng direksyon ng power flow hanggang sa mga disturbance sa buong sistema—na nagpapanatili ng integridad ng generator at estabilidad ng grid.