Захист генераторів – Типи аварій та захисні пристрої

Типові вади генератора та системи захисту
Класифікація вад генератора

Вади генератора переважно поділяються на внутрішні та зовнішні типи:

• Внутрішні вади: Виникають через проблеми всередині компонентів генератора.

• Зовнішні вади: Поступають від аномальних умов роботи або проблем зовнішньої мережі.

Вади основних двигунів (наприклад, дизельних двигунів, турбін) є механічними за природою і визначаються під час проектування обладнання, хоча вони повинні інтегруватися з захистом генератора для виключення.

Типи внутрішніх вад
1. Вади статора

• Перегрівання обмоток: Спричинене постійним перетворенням або зламом ізоляції.

• Фазне коротке замикання: Виникає через злам ізоляції між фазами.

• Фазне коротке замикання на землю: Протікання струму з фазних обмоток на рамку статора.

• Міжвиткове коротке замикання: Коротке замикання між сусідніми витками в одній обмотці.

2. Вади ротора

• Коротке замикання на землю: Протікання струму з обмоток ротора на вал ротора.

• Коротке замикання обмотки: Зменшує напругу екситації та збільшує струм в обмотках ротора.

• Перегрівання: Спричинене незбалансованими струмами статора (наприклад, відключення одного полюса, негативна послідовність фаз).

3. Втрата поля/екситації

• Реактивна потужність пройшла через генератор, спричинивши його роботу як індукційного генератора та втрату синхронізації.

4. Робота без синхронізації

• Механічні напруження на валу та коливання напруги через втрату синхронізації з мережею.

5. Робота як двигуна

• Генератор отримує енергію з мережі, коли забезпечена поставка основного двигуна (наприклад, пари/води) відсутня, що ставить під загрозу перегрівання або кавітацію в турбінах.

6. Механічні вади

• Перегрівання підшипників, втрата тиску масла змазки, надмірні вібрації.

Механізм перегрівання ротора

Небалансовані струми статора (наприклад, негативна послідовність фаз) викликають завихрення струму в роторі з подвоєною частотою системи (100/120 Гц), що призводить до локального перегрівання. Це послаблює закріплення відсіків та кілець ротора.

Типи зовнішніх вад
Аномалії електроенергетичної системи

• Зовнішні короткі замикання: Вади на мережі, що впливають на роботу генератора.

• Несинхронізована з'єднання: Пошкодження через неправильне паралельне з'єднання генераторів.

• Перевантаження/перевищення швидкості: Спричинене несподіваним зниженням навантаження або відмовою контролю основного двигуна.

• Небаланс фаз/негативна послідовність: Викликає завихрення струму в роторі та перегрівання.

• Відхилення частоти/напруги: Нижче/вище норми частоти або напруги, що ставить під загрозу компоненти генератора.

Приспособлення захисту генератора
Основні схеми захисту
1. Захист статора

• Диференційний реле: Виявляє фазне коротке замикання та фазне коротке замикання на землю, порівнюючи струми входу/виходу.

• Захист від короткого замикання на землю: Використовує реле надмірного струму (для опору заземлення) або реле напруги (для трансформаторного заземлення) для виявлення земельних вад статора.

2. Захист ротора

• Реле короткого замикання на землю контролюють злам ізоляції між обмотками ротора та валом.

3. Захист від небалансованого навантаження

• Моніторинг негативної послідовності фазних струмів та втрати екситації, що викликають проблеми з протіканням реактивної потужності.

4. Захист від перегрівання

• Термореле або датчики температури виявляють перегрівання обмоток статора та підшипників; реле негативної послідовності фаз захищають ротор від нагріву.

5. Механічний захист

• Реле перевищення швидкості, датчики вібрації та реле низького вакууму/тиску захищають від відмов основного двигуна та турбін.

6. Додатковий та резервний захист

• Реле зворотного струму запобігають роботі як двигуна, а диференційні реле для земельних вад статора забезпечують первинне виявлення вад (див. Рисунок 1 для типових з'єднань).

• Диференційні реле: Порівнюють струми на обох кінцях обмоток статора для виявлення внутрішніх вад.

Принципи захисту

• Виявлення нуль-послідовності напруги: Виявляє міжвиткові вади, контролюючи дисбаланс напруги за допомогою трансформаторів напруги (VT).

• Адаптація системи заземлення: Схеми захисту варіюються в залежності від методів заземлення статора (опір або трансформаторне заземлення), використовуючи CTs або VTs для виявлення вадових струмів/напруг.

Механізми захисту від вад обмоток ротора

Вади короткого замикання обмоток ротора з обмоткою відповідаються реле надмірного струму, які виключають генератор при виявленні аномальних підйомів струму. Земельні вади також становлять загрозу обмоткам ротора, хоча їх захист потребує спеціалізованих підходів.

У великих теплових генераторах, обмотки ротора або поля зазвичай не заземлені, що означає, що одна земельна вада не викликає вадового струму. Однак, така вада підвищує потенціал всієї системи поля та ексітера. Додаткові напруги, викликані відкриттям поля або головного виходу генератора, особливо під час вад, можуть ставити під загрозу ізоляцію обмотки поля, що може призвести до другої земельної вади. Друга вада може призвести до локального нагріву заліза, деформації ротора та небезпечного механічного небалансу.

Захист від земельних вад ротора часто використовує реле, яке контролює ізоляцію, застосовуючи допоміжну АС напругу до ротора. Альтернативно, використовується реле напруги в серії з високоопорною мережею (зазвичай комбінація лінійних та нелінійних опорів) через цепі ротора. Центральна точка цієї мережі з'єднується з землею через чутливу катушку реле (ANSI/IEEE/IEC код 64). Сучасні схеми захисту все більше віддають перевагу комбінації лінійних та нелінійних опорів для покращення виявлення вад та контролю ізоляції.

Механізми захисту від втрати поля та перевищення екситації

Захист від втрати поля використовує реле для виявлення змін у потоці реактивної потужності. Типова схема використовує Offset Mho (імпеданс) реле - однофазне пристрій, що живиться за допомогою трансформаторів струму (CTs) та напруги (VTs) генератора - для вимірювання навантаження імпедансу. Реле активується, коли імпеданс потрапляє в його характеристику роботи. Реле часовника запускає виключення генератора, якщо провідна реактивна потужність триває 1 секунду (стандартне часування).

Захист від перевищення екситації

Для запобігання насиченню ядра під час запуску та зупинки впроваджується захист від перевищення екситації (ANSI/IEEE/IEC код 59), на основі співвідношення:B = V/f
де:

• B = густина магнітного потоку (тесла, T)

• V = прикладена напруга (вольти, V)

• f = частота (герц, Hz)

Потік ядра має залишатися нижче точки насичення, що означає, що напруга може збільшуватися пропорційно частоті (швидкості). Швидка екситація збільшує ризик перевищення, який виявляється реле Вольт на Герц. Ці реле мають лінійні характеристики та виключаються, коли V/f перевищує задані пороги.

Захист від перегрівання статора та ротора

• Обмотки статора та підшипники: Контроль температури за допомогою термодатчиків опору (RTDs) та термістрів.

• Небаланс фаз статора: Временно-обернені реле надмірного струму, налаштовані на максимальну термічну витривалість ротора.

• Захист від негативної послідовності фаз: Захищає машину від перегрівання ротора, спричиненого небалансованими струмами статора, які викликають шкідливі завихрення струму в роторі.

Надійні системи захисту є критичними для мінімізації пошкоджень та часу ремонту, оскільки генератори є одними з найдорожчих компонентів електроенергетичної системи.

Цей захист використовує реле, яке порівнює струми в двох фазах за допомогою трансформаторів струму (CTs), як показано на Рисунку 2. Захисні налаштування визначаються максимальною тривалістю, яку ротор може витримати перегрівання, визначене рівнянням K = I²t (виведено з закону Джоуля), де I є негативним фазним струмом, а t - тривалість.

Типові криві струму-часу, вказані виробником для цієї умови, варіюються в залежності від типу основного двигуна, як показано на зображених діаграмах.

Системи захисту від зворотного потоку, втрати синхронізації та відхилень частоти/напруги
Захист від зворотного потоку (ANSI/IEEE/IEC код 32)

Цей захист використовує реле напрямку потоку для контролю навантаження генератора, живиться за допомогою CTs та VTs (див. Рисунок 3). Реле активується при виявленні негативного потоку, що свідчить про те, що генератор отримує енергію з мережі (робота як двигун), та виключає генератор, щоб запобігти пошкодженню турбіни.

Захист від втрати синхронізації

Розроблений для виявлення збурень електроенергетичної системи (не вад генератора), цей захист виявляє зсув полюсів, коли генератор втрачає синхронізацію. Він виключає вимикачі генератора, залишаючи турбіну в роботі, що дозволяє повторну синхронізацію після зникнення збурення.

• Принцип роботи: Три імпедансні реле вимірюють навантаження імпедансу. Виключення відбувається, якщо реле активуються в певному порядку під час коливань потоку, що відрізняється від втрати екситації (яка відбувається при нульовому полі) та роботи з генератором на повному полі.

Захист від відхилень частоти та напруги
Захист від нижчої/вищої частоти (ANSI/IEEE/IEC код 81)

• Перевищення частоти: Спричинене несподіваним зниженням навантаження, що ставить під загрозу перевищення напруги, якщо це не керовано. Контролери генератора повинні регулювати видачу, щоб відповідати попиту.

• Нижча частота: Виникає через недостатнє генерування для підключених навантажень, що призводить до зниження напруги, збільшення екситації та перегрівання ротора та статора. Зниження навантаження є критичним для запобігання руйнування системи.

Реле нижчої/вищої напруги (коди 27/59)

Моніторинг та контроль відхилень напруги для захисту обладнання від напруження або пошкодження.

Додатковий захист під час запуску

Запобігає запуску генератора в умовах вади або навантаження. Реле надмірного струму з низькими налаштуваннями активуються лише коли частота нижче 52 Гц (для систем 60 Гц) або 42 Гц (для систем 50 Гц), забезпечуючи захист під час транзиторних процесів запуску.

Захист від зовнішніх коротких замикань

Реле надмірного струму (50, 50N, 51, 51N) виявляють та усунує вади на зовнішній мережі, захищаючи генератор від надмірних в