Protection du Générateur
Un générateur est soumis à des contraintes électriques imposées sur l'isolation de la machine, à des forces mécaniques agissant sur les différentes parties de la machine et à une élévation de température. Ce sont les principaux facteurs qui rendent nécessaire la protection du générateur ou de l'alternateur. Même lorsqu'il est utilisé correctement, un appareil en parfait état de fonctionnement ne maintient pas seulement ses performances spécifiées pendant de nombreuses années, mais il résiste également de manière répétée à certains excès de surcharge.
Des mesures préventives doivent être prises contre les surcharges et les conditions anormales de la machine afin qu'elle puisse servir en toute sécurité. Même en assurant une conception, une construction, une exploitation et des moyens de protection préventifs efficaces – le risque de panne ne peut pas être complètement éliminé de n'importe quelle machine. Les dispositifs utilisés dans la protection du générateur, garantissent que lorsqu'une panne se produit, elle est éliminée aussi rapidement que possible.
Un générateur électrique peut être soumis à une panne interne, externe ou les deux. Les générateurs sont normalement connectés à un système électrique, par conséquent, toute panne survenue dans le système électrique doit également être éliminée du générateur dès que possible, sinon elle peut causer des dommages permanents au générateur.
Le nombre et la variété des pannes qui surviennent dans un générateur sont importants. C'est pourquoi le générateur ou l'alternateur est protégé par plusieurs schémas de protection. La protection du générateur est à la fois discriminante et non discriminante. Il faut prendre grand soin dans la coordination des systèmes utilisés et des paramètres adoptés pour s'assurer qu'un schéma de protection du générateur sensible, sélectif et discriminant est atteint.
Types de protection du générateur
Les différentes formes de protection appliquées au générateur peuvent être catégorisées de deux manières,
Relais de protection pour détecter les pannes se produisant à l'extérieur du générateur.
Relais de protection pour détecter les pannes se produisant à l'intérieur du générateur.
En plus des relais de protection directement associés au générateur et à son transformateur associé, il existe des parafoudres, des dispositifs de sécurité de vitesse excessive, des dispositifs de flux d'huile et des dispositifs de mesure de température pour les paliers de l'arbre, l'enroulement stator, l'enroulement du transformateur et l'huile du transformateur, etc. Certains de ces dispositifs de protection sont de type non-trip, c'est-à-dire qu'ils génèrent uniquement une alarme en cas d'anomalie.
Mais les autres schémas de protection finissent par actionner le relais de coupure maître du générateur. Il convient de noter qu'aucun relais de protection ne peut empêcher une panne, il indique simplement et minimise la durée de la panne pour éviter une élévation excessive de la température dans le générateur, sans quoi il pourrait y avoir des dommages permanents.
Il est souhaitable d'éviter tout stress excessif dans le générateur, et pour cela, il est courant d'installer un condensateur de surtension ou un dérivateur de surtension, ou les deux, pour réduire les effets de la foudre et d'autres surtensions sur la machine. Les schémas de protection généralement appliqués au générateur sont brièvement discutés ci-dessous.
Protection contre la défaillance de l'isolation
La principale protection fournie dans l'enroulement stator contre les pannes phase à phase ou phase à la terre, est la protection différentielle longitudinale du générateur. Le deuxième schéma de protection le plus important pour l'enroulement stator est la protection contre les pannes entre spires.
Ce type de protection était considéré comme inutile autrefois car la rupture de l'isolation entre les points de la même enroulement de phase, contenus dans la même fente, et entre lesquels existe une différence de potentiel, change très rapidement en une panne à la terre, et est alors détectée soit par la protection différentielle du stator, soit par la protection contre la panne à la terre du stator.
Un générateur est conçu pour produire une tension relativement élevée par rapport à sa puissance de sortie et qui contient donc un grand nombre de conducteurs par fente. Avec l'augmentation de la taille et de la tension du générateur, ce type de protection devient essentiel pour toutes les grandes unités de production.
Protection contre la panne à la terre du stator
Lorsque la neutre du stator est mise à la terre via un résistor, un transformateur de courant est monté dans la connexion neutre à la terre. Un relais inverse de temps est utilisé à travers le secondaire du TC lorsque le générateur est connecté directement à la barre de bus. Dans le cas où le générateur alimente l'énergie via un transformateur delta-étoile, un relais instantané est utilisé à la même fin.
Dans le premier cas, le relais de panne à la terre doit être gradué avec les autres relais de panne dans le système. C'est pour cette raison qu'un relais inverse de temps est utilisé dans ce cas. Mais dans le second cas, la boucle de panne à la terre est limitée à l'enroulement stator et à l'enroulement primaire du transformateur, il n'y a donc pas besoin de gradation ou de discrimination avec les autres relais de panne à la terre dans le système. C'est pourquoi le relais instantané est préférable dans ce cas.
Protection contre la panne à la terre du rotor
Une seule panne à la terre ne crée pas de problème majeur dans le générateur, mais si une seconde panne à la terre se produit, une partie de l'enroulement de champ sera court-circuitée, entraînant un champ magnétique déséquilibré dans le système, ce qui peut causer des dommages mécaniques majeurs aux paliers du générateur. Il existe trois méthodes disponibles pour détecter les types de panne dans le rotor. Ces méthodes sont
Méthode du potentiomètre
Méthode d'injection AC
Méthode d'injection DC
Protection contre le chargement déséquilibré du stator
Le déséquilibre de charge produit des courants de séquence négative dans le circuit stator. Ce courant de séquence négative produit un champ de réaction tournant à deux fois la vitesse synchrone par rapport au rotor, induisant ainsi un courant à double fréquence dans le rotor. Ce courant est assez important et provoque une surchauffe dans le circuit rotor, en particulier dans l'alternateur.
Si un déséquilibre survient en raison d'une panne dans l'enroulement stator lui-même, il serait éliminé instantanément par la protection différentielle fournie dans le générateur. Si le déséquilibre est dû à une panne externe ou à un chargement déséquilibré dans le système, il peut rester non détecté ou persister pendant une période significative de temps en fonction de la coordination de protection du système. Ces pannes sont alors éliminées en installant un relais de séquence négative avec des caractéristiques pour correspondre à la courbe de résistance de la machine.
Protection contre la surchauffe du stator
Le surchargement peut causer une surchauffe dans l'enroulement stator du générateur. Non seulement le surchargement, mais aussi la défaillance des systèmes de refroidissement et la défaillance de l'isolation des laminations stator provoquent une surchauffe de l'enroulement stator.
La surchauffe est détectée par des détecteurs de température intégrés à divers points de l'enroulement stator. Les bobines de détecteur de température sont généralement des éléments de résistance qui forment un bras du pont de Wheatstone. Dans le cas des petits générateurs, généralement inférieurs à 30 MW, les générateurs ne sont pas équipés de bobine de température intégrée mais sont généralement munis de relais thermiques et sont configurés pour mesurer le courant circulant dans l'enroulement stator.
Cette configuration ne détecte que la surchauffe causée par le surchargement et ne fournit aucune protection contre la surchauffe due à la défaillance des systèmes de refroidissement ou à des laminations stator court-circuitées. Bien que les relais de surintensité, les relais de séquence négative et les dispositifs de surveillance du flux constant soient également utilisés pour fournir une certaine mesure de protection contre la surcharge thermique.
Protection contre le faible vide
Cette protection, généralement sous forme de régulateur, compare le vide à la pression atmosphérique, elle est généralement installée sur les ensembles de générateurs supérieurs à 30 MW. La pratique moderne consiste à ce que le régulateur décharge l'ensemble via le gouverneur secondaire jusqu'à ce que les conditions de vide normales soient restaurées. Si les conditions de vide ne s'améliorent pas en dessous de 21 pouces, les vannes d'arrêt sont fermées et le disjoncteur principal est mis hors tension.
Protection contre la défaillance de l'huile de lubrification
Cette protection n'est pas considérée comme essentielle car l'huile de lubrification est généralement obtenue de la même pompe que l'huile du gouverneur, et une défaillance de l'huile du gouverneur fermera automatiquement les vannes d'arrêt.
Protection contre la perte de combustion de la chaudière
Deux méthodes sont disponibles pour détecter la perte de combustion de la chaudière. Dans la première méthode, des contacts normalement ouverts (NO) sont fournis avec les moteurs de ventilateurs qui peuvent mettre hors tension le générateur si plus de deux moteurs tombent en panne. La deuxième méthode utilise des contacts de pression de chaudière qui déchargent le générateur si la pression de la chaudière tombe en dessous d'environ 90%.
Protection contre la défaillance du moteur principal
Si le moteur principal ne fournit pas d'énergie mécanique au générateur, le générateur continuera à tourner en mode moteur, c'est-à-dire qu'il prendra de l'énergie électrique du système au lieu de la fournir au système.
Dans une turbine à vapeur, la vapeur agit comme un refroidisseur, maintenant les aubes de la turbine à une température constante. Une défaillance de l'alimentation entraînera donc une surchauffe due au frottement, avec une distorsion ultérieure des aubes de la turbine.
La défaillance de l'alimentation en vapeur peut causer des dommages mécaniques graves en plus d'imposer une charge motrice lourde au générateur. Un relais de puissance inverse est utilisé à cette fin. Dès que le générateur commence à tourner en mode moteur, le relais de puissance inverse mettra hors tension l'
