Защита генератора

Генератор подвергается электрическим нагрузкам, действующим на изоляцию машины, механическим силам, действующим на различные части машины, и повышению температуры. Эти факторы являются основными, которые делают необходимой защиту генератора или альтернатора. Даже при правильном использовании машина в идеальных условиях работы не только сохраняет свои номинальные характеристики на протяжении многих лет, но и способна выдерживать определенные превышения перегрузки.

Необходимо принимать профилактические меры против перегрузок и аномальных условий работы машины, чтобы она могла служить безопасно. Даже обеспечивая эффективное проектирование, изготовление, эксплуатацию и средства защиты – риск возникновения неисправности полностью исключить из любой машины невозможно. Устройства, используемые в защите генератора, обеспечивают, что при возникновении неисправности она устраняется как можно быстрее.

Электрический генератор может подвергаться как внутренним, так и внешним неисправностям, или обоим типам. Генераторы обычно подключены к электрической энергетической системе, поэтому любая неисправность, возникшая в энергетической системе, должна быть также устранена от генератора как можно скорее, иначе это может вызвать постоянные повреждения генератора.

Количество и разнообразие неисправностей, возникающих в генераторе, велико. Именно поэтому генератор или альтернатор защищаются несколькими защитными схемами. Защита генератора бывает дискриминирующего и недискриминирующего типа. Необходимо тщательно координировать используемые системы и принятые настройки, чтобы обеспечить чувствительную, селективную и дискриминирующую схему защиты генератора.

Типы защиты генератора

Различные формы защиты, применяемые к генератору, можно разделить на два вида,

1. Защитные реле для обнаружения неисправностей, возникающих вне генератора.

2. Защитные реле для обнаружения неисправностей, возникающих внутри генератора.

Помимо защитных реле, непосредственно связанных с генератором и его трансформатором, существуют грозотросы, устройства защиты от перегрузки по скорости, устройства контроля потока масла и измерения температуры подшипников вала, статорной обмотки, обмотки трансформатора и масла трансформатора и т.д. Некоторые из этих защитных устройств являются непрерывного типа, то есть они только генерируют сигнал тревоги при возникновении аномалий.

Однако другие защитные схемы в конечном итоге активируют главный реле отключения генератора. Следует отметить, что ни одно защитное реле не может предотвратить неисправность, оно только указывает на ее наличие и минимизирует длительность, чтобы предотвратить значительное повышение температуры в генераторе, иначе это может привести к постоянным повреждениям.

Желательно избегать чрезмерных напряжений в генераторе, и для этого обычно устанавливают конденсаторы или дивертеры, чтобы уменьшить воздействие молнии и других скачков напряжения на машину. Защитные схемы, обычно применяемые к генератору, кратко обсуждаются ниже.

Защита от повреждения изоляции

Основная защита, предоставляемая в обмотке статора от фазовых или фазо-земляных неисправностей, - это продольная дифференциальная защита генератора. Вторая по важности защитная схема для обмотки статора - это защита от межвитковых неисправностей.

В прошлом считалось, что такой тип защиты не требуется, поскольку разрушение изоляции между точками в одной и той же фазовой обмотке, находящейся в одном пазу, и между которыми существует разность потенциалов, очень быстро переходит в заземленную неисправность, которая затем обнаруживается либо дифференциальной защитой статора, либо защитой от заземления статора.

Генератор спроектирован для производства относительно высокого напряжения по сравнению с его выходом, и поэтому содержит большое количество проводников в каждом пазу. С увеличением размера и напряжения генератора, этот вид защиты становится необходимым для всех крупных генерирующих установок.

Защита от заземления статора

Когда нейтраль статора заземлена через резистор, токовый трансформатор устанавливается в соединении нейтрали с землей. Интегральное реле времени используется на вторичной стороне ТТ, когда генератор подключен непосредственно к шине. В случае, если генератор питает энергию через трансформатор с соединением треугольник-звезда, используется быстродействующее реле для тех же целей.

В первом случае реле заземления должно быть согласовано с другими реле защиты в системе. Именно поэтому в этом случае используется интегральное реле времени. Однако во втором случае цикл заземления ограничен обмоткой статора и первичной обмоткой трансформатора, поэтому нет необходимости в согласовании или дискриминации с другими реле заземления в системе. Поэтому быстродействующее реле предпочтительнее в этом случае.

Защита от заземления ротора

Одиночная неисправность заземления не создает серьезных проблем в генераторе, но если возникает вторая неисправность заземления, часть обмотки возбуждения будет замкнута, что приведет к несимметричному магнитному полю в системе и, следовательно, может произойти серьезное механическое повреждение подшипников генератора. Существует три метода обнаружения таких неисправностей в роторе. Методы следующие:

1. Метод потенциометра 

2. Метод впрыска переменного тока

3. Метод впрыска постоянного тока

Защита от несимметричной нагрузки статора

Несимметричность нагрузки создает отрицательные последовательные токи в цепи статора. Этот отрицательный последовательный ток создает реактивное поле, вращающееся с двойной синхронной скоростью относительно ротора, и, следовательно, индуцирует ток двойной частоты в роторе. Этот ток довольно велик и вызывает перегрев в цепи ротора, особенно в альтернаторе.

Если несимметричность возникает из-за неисправности в самой обмотке статора, она будет немедленно устранена дифференциальной защитой, предоставленной в генераторе. Если несимметричность возникает из-за внешней неисправности или несимметричной нагрузки в системе, она может остаться незамеченной или может сохраняться в течение значительного периода времени в зависимости от координации защиты системы. Эти неисправности затем устраняются путем установки реле отрицательной последовательности фаз с характеристиками, соответствующими кривой выносливости машины.

Защита от перегрева статора

Перегрузка может вызвать перегрев обмотки статора генератора. Не только перегрузка, но и отказ системы охлаждения и повреждение изоляции ламелей статора также могут вызвать перегрев обмотки статора.

Перегрев обнаруживается встроенными датчиками температуры, расположенными в различных точках обмотки статора. Датчики температуры обычно представляют собой резистивные элементы, которые образуют одну из плеч мостовой схемы Уитстона. В случае малых генераторов, обычно мощностью ниже 30 МВт, генераторы не оборудованы встроенными датчиками температуры, но обычно оснащены термореле, которые предназначены для измерения тока, протекающего в обмотке статора.

Эта схема обнаруживает перегрев, вызванный перегрузкой, но не обеспечивает защиты от перегрева, вызванного отказом системы охлаждения или короткого замыкания ламелей статора. Хотя реле перегрузки по току, реле отрицательной последовательности фаз и устройства для мониторинга постоянного потока также используются для обеспечения определенной степени термической защиты от перегрузки.

Защита от низкого вакуума

Эта защита, обычно, представляет собой регулятор, который сравнивает вакуум с атмосферным давлением, обычно устанавливается на генераторные установки мощностью выше 30 МВт. Современная практика заключается в том, что регулятор разгружает установку через вспомогательный регулятор до восстановления нормальных условий вакуума. Если условия вакуума не улучшаются ниже 21 дюйма, закрываются запорные клапаны, и основной выключатель отключается.

Защита от отказа смазочного масла

Эта защита не считается обязательной, так как смазочное масло обычно получается от того же насоса, что и масло для регулятора, и отказ масла для регулятора автоматически приведет к закрытию запорного клапана.

Защита от потери горения в котле

Существует два метода обнаружения потери горения в котле. В первом методе, обычно открытые (НО) контакты предоставляются с вентиляторными двигателями, которые могут отключить генератор, если более двух двигателей выйдут из строя. Второй метод использует контакты давления котла, которые разгружают генератор, если давление в котле падает ниже примерно 90%.

Защита от отказа приводного механизма

Если приводной механизм не может поставлять механическую энергию генератору, генератор продолжит вращаться в режиме мотора, то есть он будет потреблять электроэнергию из системы, вместо того, чтобы поставлять ее в систему.