Protezione del Generatore
Un generatore è sottoposto a sollecitazioni elettriche imposte sull'isolamento della macchina, forze meccaniche che agiscono sulle varie parti della macchina e aumento di temperatura. Questi sono i principali fattori che rendono necessaria la protezione per il generatore o alternatore. Anche quando utilizzato correttamente, una macchina in perfette condizioni non solo mantiene le sue prestazioni nominali specificate per molti anni, ma è anche in grado di sopportare ripetutamente certi eccessi di sovraccarico.
Devono essere prese misure preventive contro i sovraccarichi e le condizioni anormali della macchina in modo che possa funzionare in sicurezza. Anche garantendo un'efficiente progettazione, costruzione, operazione e mezzi preventivi di protezione – il rischio di un guasto non può essere completamente eliminato da qualsiasi macchina. I dispositivi utilizzati nella protezione del generatore, assicurano che, quando si verifica un guasto, questo venga eliminato il più rapidamente possibile.
Un generatore elettrico può essere sottoposto a un guasto interno, esterno o entrambi. I generatori sono normalmente collegati a un sistema di energia elettrica, pertanto qualsiasi guasto verificatosi nel sistema di potenza deve essere eliminato dal generatore il più rapidamente possibile, altrimenti potrebbe causare danni permanenti al generatore.
Il numero e la varietà dei guasti che si verificano in un generatore sono enormi. È per questo che il generatore o l'alternatore sono protetti con diversi schemi di protezione. La protezione del generatore è sia selettiva che non selettiva. È necessario prestare grande attenzione nella coordinazione dei sistemi utilizzati e delle impostazioni adottate per assicurare che lo schema di protezione del generatore sia sensibile, selettivo e discriminante.
Tipi di protezione del generatore
Le varie forme di protezione applicate al generatore possono essere categorizzate in due modi,
Relè di protezione per rilevare i guasti che si verificano all'esterno del generatore.
Relè di protezione per rilevare i guasti che si verificano all'interno del generatore.
Oltre ai relè di protezione, direttamente associati al generatore e al suo trasformatore associato, ci sono parafulmini, dispositivi di sicurezza per sovrasalita, dispositivi di flusso d'olio e dispositivi di misurazione della temperatura per cuscinetto dell'albero, avvolgimento dello stator, avvolgimento del trasformatore e olio del trasformatore, ecc. Alcuni di questi dispositivi di protezione sono di tipo non-trip, ovvero generano solo un allarme in caso di anomalia.
Ma gli altri schemi di protezione alla fine azionano il relè di trip master del generatore. Si deve notare che nessun relè di protezione può prevenire un guasto, esso indica e minimizza la durata del guasto per prevenire un aumento di temperatura nel generatore, altrimenti potrebbe verificarsi un danno permanente.
È desiderabile evitare qualsiasi stress eccessivo nel generatore, e per questo è pratica comune installare condensatori di impulso o diverter di impulso o entrambi per ridurre gli effetti dei fulmini e degli altri impulsi di tensione sulla macchina. Gli schemi di protezione normalmente applicati al generatore sono discussi brevemente qui sotto.
Protezione contro il fallimento dell'isolamento
La principale protezione fornita nell'avvolgimento dello stator contro i guasti tra fasi o tra fase e terra, è la protezione differenziale longitudinale del generatore. Il secondo schema di protezione più importante per l'avvolgimento dello stator è la protezione contro i guasti tra spire.
Questo tipo di protezione era considerato inutile in passato perché il cedimento dell'isolamento tra punti nello stesso avvolgimento di fase, contenuti nella stessa scanalatura, e tra cui esiste una differenza di potenziale, cambia rapidamente in un guasto a terra, e poi viene rilevato dalla protezione differenziale dello stator o dalla protezione contro i guasti a terra dello stator.
Un generatore è progettato per produrre una tensione relativamente alta in confronto alla sua potenza nominale e quindi contiene un gran numero di conduttori per scanalatura. Con l'aumento della dimensione e della tensione del generatore, questa forma di protezione sta diventando essenziale per tutte le unità di generazione di grandi dimensioni.
Protezione contro i guasti a terra dello stator
Quando il neutro dello stator è collegato a terra attraverso un resistore, un trasformatore di corrente è montato nella connessione neutro-terra. Un relè a tempo inverso è utilizzato in parallelo con il secondario del TC quando il generatore è collegato direttamente alla barra. In caso di generatore che alimenta la potenza tramite un trasformatore delta-stella, un relè istantaneo è utilizzato allo stesso scopo.
Nel primo caso, il relè di guasto a terra deve essere graduato con gli altri relè di guasto nel sistema. Per questo motivo, un relè a tempo inverso è utilizzato in questo caso. Ma nel secondo caso, il circuito di guasto a terra è limitato all'avvolgimento dello stator e all'avvolgimento primario del trasformatore, quindi non è necessario alcun graduamento o discriminazione con altri relè di guasto a terra nel sistema. Per questo motivo, il relè istantaneo è preferibile in questo caso.
Protezione contro i guasti a terra del rotore
Un singolo guasto a terra non crea problemi significativi nel generatore, ma se si verifica un secondo guasto a terra, parte dell'avvolgimento del campo sarà cortocircuitata, creando un campo magnetico disomogeneo nel sistema e conseguentemente potrebbe verificarsi un danno meccanico significativo ai cuscinetti del generatore. Esistono tre metodi disponibili per rilevare questi tipi di guasto nel rotore. I metodi sono
Metodo del potenziometro
Metodo di iniezione AC
Metodo di iniezione DC
Protezione contro il carico disomogeneo dello stator
L'asimmetria nel carico produce correnti di sequenza negativa nel circuito dello stator. Questa corrente di sequenza negativa produce un campo reattivo che ruota a doppia velocità sincrona rispetto al rotore, inducendo così correnti di doppia frequenza nel rotore. Questa corrente è piuttosto elevata e causa surriscaldamento nel circuito del rotore, specialmente nell'alternatore.
Se l'asimmetria si verifica a causa di un guasto nell'avvolgimento dello stator stesso, verrà immediatamente eliminata dalla protezione differenziale fornita nel generatore. Se l'asimmetria si verifica a causa di un guasto esterno o di un carico disomogeneo nel sistema, potrebbe rimanere non rilevata o persistere per un periodo significativo di tempo, a seconda della coordinazione della protezione del sistema. Questi guasti vengono quindi eliminati installando un relè di sequenza negativa con caratteristiche che si adattano alla curva di resistenza della macchina.
Protezione contro il surriscaldamento dello stator
Il sovraccarico può causare il surriscaldamento dell'avvolgimento dello stator del generatore. Non solo il sovraccarico, ma anche il malfunzionamento dei sistemi di raffreddamento e il cedimento dell'isolamento delle lamelle dello stator possono causare il surriscaldamento dell'avvolgimento dello stator.
Il surriscaldamento viene rilevato da sensori di temperatura incorporati in vari punti dell'avvolgimento dello stator. Le bobine dei sensori di temperatura sono normalmente elementi di resistenza che formano un braccio del circuito del ponte di Wheatstone. Nel caso di generatori più piccoli, generalmente inferiori a 30 MW, i generatori non sono dotati di bobine di temperatura incorporate, ma sono solitamente dotati di relè termici e sono predisposti per misurare la corrente che scorre nell'avvolgimento dello stator.
Questa disposizione rileva solo il surriscaldamento causato dal sovraccarico e non fornisce alcuna protezione contro il surriscaldamento dovuto al malfunzionamento dei sistemi di raffreddamento o alle lamelle dello stator cortocircuitate. Anche i relè di sovratensione, i relè di sequenza negativa e i dispositivi per il monitoraggio del flusso costante vengono utilizzati per fornire un certo grado di protezione contro il sovraccarico termico.
Protezione contro bassa pressione di vuoto
Questa protezione, solitamente è sotto forma di un regolatore che confronta il vuoto con la pressione atmosferica, è normalmente installata nei gruppi di generatori superiori a 30 MW. La pratica moderna prevede che il regolatore scarichi il gruppo tramite il governatore secondario fino a quando non vengono ripristinate le condizioni di vuoto normali. Se le condizioni di vuoto non migliorano al di sotto di 21 pollici, le valvole di stop vengono chiuse e il disgiuntore principale viene azionato.
Protezione contro il malfunzionamento dell'olio di lubrificazione
Questa protezione non è considerata essenziale poiché l'olio di lubrificazione è normalmente ottenuto dalla stessa pompa dell'olio del governatore e un malfunzionamento dell'olio del governatore chiuderà automaticamente le valvole di stop.
Protezione contro la perdita dell'alimentazione del forno
Sono disponibili due metodi per rilevare la perdita dell'alimentazione del forno. Nel primo metodo, vengono forniti contatti normalmente aperti (NA) con i motori dei ventilatori che possono far scattare il generatore se più di due motori falliscono. Il secondo metodo utilizza contatti di pressione del forno che scaricano il generatore se la pressione del forno scende al di sotto approssimativamente del 90%.
Protezione contro il malfunzionamento del motore principale
Se il motore principale non fornisce energia meccanica al generatore, il generatore continuerà a ruotare in modalità motrice, il che significa che prende energia elettrica dal sistema invece di fornirla al sistema.
In una turbina a vapore, la vapore agisce come refrigerante mantenendo le pale della turbina a una temperatura costante. La mancanza del rifornimento causerà quindi un surriscaldamento dovuto all'attrito, con successiva distorsione delle pale della turbina.
La mancanza del rifornimento di vapore può causare danni meccanici gravi oltre a imporre un carico motore pesante al generatore. Viene utilizzato un relè di potenza inversa per questo scopo. Non appena il generatore inizia a ruotare in modalità motrice, il relè di potenza inversa farà scattare il gruppo del generatore.
