発電機保護

発電機は、機器の絶縁にかかる電気的なストレス、機器の各部品にかかる機械的な力、および温度上昇にさらされます。これらが発電機または交流発電機を保護する必要性の主な要因です。適切に使用され、完璧な動作状態にある場合でも、機器は長年にわたり指定された定格性能を維持し、過負荷を超える特定の過負荷を繰り返し耐えられます。

機器の過負荷や異常な状態に対する予防措置を講じることで、安全に使用することができます。効率的な設計、建設、運転、および予防的な保護手段を確保しても、機器から故障のリスクを完全に排除することはできません。発電機保護に使用される装置は、故障が発生した場合、可能な限り迅速に故障を排除することを保証します。

電気発電機は内部障害または外部障害、または両方にさらされることがあります。発電機は通常、電力システムに接続されているため、電力システムで発生した障害はできるだけ早く発電機から除去しなければなりません。さもないと、発電機に永久的な損傷を与える可能性があります。

発電機で発生する障害の数と種類は非常に多いです。そのため、発電機または交流発電機は複数の保護スキームで保護されています。発電機保護には、差別的タイプと非差別的タイプがあります。使用されるシステムと設定値を調整することで、敏感で選択的かつ差別的な発電機保護スキームを達成するためには、十分な注意が必要です。

発電機保護の種類

発電機に適用される様々な形式の保護は、以下の2つの方法に分類できます。

1. 保護継電器 発電機の外部で発生する障害を検出します。

2. 発電機の内部で発生する障害を検出する保護継電器。

保護継電器以外にも、発電機とその関連変圧器に直接関連するものとして、避雷器、オーバースピード保護装置、油流量計測装置、シャフトベアリング、スタータ巻線、変圧器巻線、変圧器油などの温度計測装置があります。これらの保護装置の一部はトリップ型ではなく、異常時に警告を生成するだけです。

しかし、他の保護スキームは最終的に発電機のマスタトリッピングリレーを動作させます。保護維電器は障害を防止することはできませんが、障害を示し、その期間を最小限に抑え、発電機での高温上昇を防ぐことができます。さもないと、永久的な損傷が発生する可能性があります。

発電機に不要なストレスを避けることが望ましく、そのためには通常、サージキャパシターやサージダイバータ、またはその両方を設置して、雷やその他の電圧サージによる機器への影響を減らすのが一般的です。ここでは、発電機に通常適用される保護スキームについて簡単に説明します。

絶縁障害に対する保護

スタータ巻線における相間または相対地障害に対する主要な保護は、発電機の縦方向差動保護です。スタータ巻線の第二の重要な保護スキームは、巻線間障害保護です。

この種の保護は以前は必要ないと考えられていました。同じスロット内にある同じ位相の巻線間の絶縁破壊は、急速に接地障害に変わり、その後、スタータ差動保護またはスタータ接地障害保護によって検出されるからです。

発電機は、出力に対して比較的高電圧を生み出すように設計されており、そのため、各スロットに多くの導体が含まれています。発電機のサイズと電圧が増加するにつれて、この種の保護はすべての大容量発電ユニットにとって必須となっています。

スタータ接地障害保護

スタータニュートラルが抵抗器を通じて接地されている場合、ニュートラルから接地までの接続に電流変換器が設置されます。逆時間継電器は、発電機が直接バスバーに接続されている場合、CT二次側に使用されます。発電機がデルタ・スター変圧器を介して電力を供給する場合は、同じ目的で瞬時継電器が使用されます。

前者の場合、接地障害継電器は、システム内の他の障害継電器とのグレーディングが必要です。これが逆時間継電器がこの場合に使用される理由です。しかし、後者の場合、接地障害ループはスタータ巻線と変圧器一次巻線に限定されるため、システム内の他の接地障害継電器とのグレーディングや判別は必要ありません。そのため、瞬時継電器が好ましいです。

ロータ接地障害保護

単一の接地障害は発電機にとって大きな問題ではありませんが、二つ目の接地障害が発生すると、フィールド巻線の一部が短絡し、結果としてシステム内で不均衡な磁場が生じ、発電機のベアリングに大きな機械的な損傷を与える可能性があります。ロータの障害を検出するには3つの方法があります。これらの方法は以下の通りです。

1. ポテンショメータ 法

2. AC注入法

3. DC注入法

アンバランスなスタータ負荷保護

負荷のアンバランスはスタータ回路に負の順列電流を生み出します。この負の順列電流は、同期速度の2倍の速度で回転する反応磁場を生み出し、ロータに2倍の周波数の電流を誘導します。この電流は非常に大きく、特に交流発電機においてロータ回路の過熱を引き起こします。

スタータ巻線自体の障害によるアンバランスは、発電機に設置されている差動保護によって即座に解消されます。外部障害またはシステムのアンバランス負荷によるアンバランスが発生した場合、それは検出されないか、またはシステムの保護調整に応じて一定期間続く可能性があります。これらの障害は、マシンの耐久曲線に合わせた特性を持つ負の相順列継電器を設置することで解消されます。

スタータ過熱に対する保護

過負荷は発電機のスタータ巻線の過熱を引き起こす可能性があります。過負荷だけでなく、冷却システムの故障やスタータ層間絶縁の故障もスタータ巻線の過熱を引き起こします。

過熱は、スタータ巻線のさまざまな点に埋め込まれた温度センサーによって検出されます。温度センサーリールは通常、抵抗要素であり、ホイートストンブリッジ回路の一端を形成します。30MW以下の小型発電機の場合、通常、埋め込み温度コイルは装備されていませんが、熱継電器が装着され、スタータ巻線の電流を測定するようになっています。

この配置は、過負荷による過熱のみを検出し、冷却システムの故障や短絡したスタータ層間による過熱に対する保護は提供しません。ただし、過電流継電器、負の相順列継電器、および一定の流れを監視する装置も使用され、ある程度の熱過負荷保護を提供します。

低真空保護

この保護は通常、大気圧と比較して真空を比較するレギュレータの形をしています。これは通常、30MW以上の発電セットに装着されます。現代的な慣行では、レギュレータはセカンダリガバナーを介してセットをアンロードし、正常な真空条件が復元されるまで続けます。真空条件が21インチ以下に改善されない場合、停止弁が閉鎖され、メイン遮断器がトリップされます。

潤滑油故障に対する保護

この保護は必須とは考えられていません。潤滑油は通常、ガバナーオイルと同じポンプから得られるため、ガバナーオイルの故障により自動的に停止弁が閉鎖されます。

ボイラー点火損失に対する保護

ボイラー点火損失を検出する2つの方法があります。最初の方法では、ファンモーターに通常開（NO）コンタクトが設けられており、2つ以上のモーターが故障した場合に発電機をトリップすることがあります。2つ目の方法では、ボイラー圧力コンタクトを使用し、ボイラー圧力が約90％以下になると発電機をアンロードします。

原動機故障に対する保護

原動機が発電機に機械エネルギーを供給できなくなった場合、発電機はモータリングモードで回転し続けます。つまり、システムから電力を取り込む代わりに、システムに電力を供給します。

蒸気タービンでは、蒸気がクーラントとして機能し、タービンブレードの温度を一定に保ちます。蒸気供給の失敗は、摩擦による過熱を引き起こし、タービンブレードの歪みを引き起こします。

蒸気供給の失敗は、発電機に重いモータリング負荷をかけるとともに、重大な機械的な損傷を引き起こす可能性があります。この目的のために逆電力継電器が使用されます。発電機がモータリングモードで回転し始めると、逆電力継電器は発電セットをトリップします。

オーバースピード保護

蒸気タービンと水力タービンの両方に、蒸気スロットルバルブまたはメインステップバルブに直接作用する機械的なオーバースピード装置を設けるのが一般的ですが、蒸気駆動セットでは、これらの装置をバックアップするオーバースピード継電器を設けることは通常ありません。

ただし、水力発電ユニットでは、ガバナーの応