Generatorbeveiliging: Fouttypen & Essentiële Beveiligingsapparaten

Typen Generatorstoringen en Beveiligingsapparaten

Veelvoorkomende Generatorstoringen

Generatorstoringen worden meestal ingedeeld in interne en externe storingen; interne storingen zijn te wijten aan problemen binnen de generatorcomponenten en externe storingen zijn te wijten aan abnormale bedrijfsomstandigheden en storingen op externe netwerken.

Storingen op de hoofdbeweger (De hoofdbeweger is het onderdeel dat wordt gebruikt om de generator aan te drijven en kan verbrandingsmotoren (bij dieselgeneratorsets), gasturbines, stoomturbines, windturbines en water turbines zijn) en geassocieerde systemen worden niet besproken, omdat ze meestal gedefinieerd worden in de mechanische ontwerpfase van de apparatuur.

Toch moeten ze geïntegreerd worden binnen generatorbeveiligingen voor afschakelingsdoeleinden.

Typen Interne Storingen in een Generator

Interne storingen kunnen elektrisch of mechanisch zijn

1. Statorstoringen

• Wikkelingsoververhitting
• Wikkeling fase-tot-fase fout
• Wikkeling fase-tot-aarde fout
• Tussenwindingsfout

2. Rotorstoringen

• Aardfout
• Wikkeling kortsluiting (wikkelde rotor)
• Oververhitting

3. Verlies van Veld / Exciatie (Het veld in een AC-generator bestaat uit spoelen van geleiders binnen de generator die een spanning ontvangen van een bron (genaamd exciatie) en een magnetische flux produceren).

4. Generator Uit-van-Stap

5. Motor Bedrijf

6. Lagers Oververhitting en gebrek aan Druk van Smeerolie

7. Trilling

Statorwikkeling oververhitting kan worden veroorzaakt door permanente overbelasting en fase-tot-fase en aardfouten zijn te wijten aan isolatiebreuk.

Rotorwikkeling kortsluiting leidt tot een toename van exciatiestroom en een afname van exciatiespanning.

Rotoroververhitting is een gevolg van ongebalanceerde stromen aan de stator, door:

• Enkelvoudige poolafschakeling
• Statorwikkeling fout
• Negatieve fasereeks

Negatieve fasereeks en ongebalanceerde stromen in de statorstromen en produceren een ankerflux die in de tegengestelde richting van de rotor roteert, wat wervelstromen in de rotormassa induceert.

Deze wervelstromen, die op het dubbele van de systeemfrequentie (50Hz of 60 Hz) zijn, zullen lokale oververhitting aan de periferie van de rotor produceren die zwakte in de rotorbevestigingswedges en ringen kan veroorzaken.

Wanneer een generator exciatie verliest (of veld), reactief vermogen stroomt van het energienetwerk in de generator. De generator verliest dan synchronisme en draait als een inductiegenerator, boven synchrone snelheid.

Boven synchrone snelheid zal de rotor beginnen te oscilleren in een poging om in synchronisme te vergrendelen, wat resulteert in oververhitting en andere schade. Zolang het systeem stabiel is, zal reactief vermogen (MVAr) in de generator vloeien en de machine zal doorgaan met het leveren van actief vermogen (MW).

Generator motorbedrijf kan optreden wanneer de stoom- of watervoorziening aan de turbine faalt en generatoren vermogen uit het elektriciteitsnet trekken.

In stoomturbines fungeert de stoom als koelmiddel, de bladen op een constante temperatuur houdend. Falende stoomvoorziening kan oververhitting van de bladen veroorzaken. Op sommige machines is de temperatuurstijging zeer laag, en motorenbedrijf kan voor een aanzienlijke tijd getolereerd worden.

Water turbine zal cavitatie hebben (vorming en directe implosie van caviteiten in vloeistof – kleine vloeistofvrije zones ("bellen") – die het gevolg zijn van krachten die op de vloeistof werken).

Het treedt meestal op wanneer een vloeistof wordt blootgesteld aan snelle drukveranderingen die de vorming van caviteiten veroorzaken waar de druk relatief laag is.

Cavitatie is een significante oorzaak van slijtage. Bij het binnengaan van hoge drukgebieden, veroorzaken cavitatiebellen die imploderen op een metaaloppervlak cyclische spanning door herhaalde implosie, wat resulteert in oppervlaktevermoeiding van het metaal.

• Gerelateerd Artikel: Alles over Elektrische Beveiligingssystemen, Apparaten en Eenheden

Typen Externe Storingen in een Generator

Externe Energienetwerk Storingen en Abnormale Bedrijfsomstandigheden zijn:

• Externe kortsluitingsstoringen
• Niet-gesynchroniseerde aansluiting van generator
• Uit-van-stap (poolglijden of verlies van synchronisme)
• Overbelasting
• Oversnelheid
• Fase-onbalans en negatieve fasereeks
• Onder- en overfrequentie
• Onder- en overspanning

Een ongeclearde of langzaam geclearde fout op het netwerksysteem kan generatoren doen polen laten glijden, of "uit-van-stap" gaan met de rest van het systeem.

Zo'n conditie is ongewens omdat schadelijke mechanische spanningen worden uitgeoefend op de as, en de ernstige vermogenszwingen een storende invloed hebben op de energienetwerkspanningen.

Verlies van synchronisme kan worden veroorzaakt door een externe kortsluiting, uitschakelen van een belangrijke inductieve belasting of door een fout in het exciatiesysteem.

Oversnelheid is het gevolg van een plotselinge uitschakeling van de totale belasting of een belangrijke vermindering van de belasting.

Generatorbeveiligingsapparaten

Generatoren zijn de duurste apparatuur in energienetwerken. De volgende apparaten worden gebruikt voor AC en DC generatorbeveiliging tegen de fouten die in deze optreden.

• Stator Aardfout Beveiliging (Statorwikkeling fase-tot-fase & stator aard of aardfouten beveiliging door Differentieel Relais)
• Rotor Aardfout Beveiliging
• Ongebalanceerde Stator Belasting Beveiliging (Verlies van veld beveiliging en verandering in reactieve stroom)
• Beveiliging tegen Stator Oververhitting (Statorwikkelingen en lagers oververhittingsbeveiliging & Negatieve fasereeks beveiliging)
• Beveiliging tegen Verlies van Ketel Branden
• Beveiliging tegen Hoofdbeweger & Turbine Storing (Stator fase onbalans beveiliging)
• Oversnelheid & over-exciatie Beveiliging (kern verzadiging door over-exciatie)
• Isolatie Storing
• Beveiliging tegen Smeerolie Storing
• Lage Vacuüm Beveiliging
• Beveiliging tegen Trilling & Onder- en overfrequentie beveiliging
• Reserve Beveiliging van Generator
• Beveiliging tegen Rotor Vervorming & Fase aanvullende start beveiliging
• Beveiliging tegen externe kortsluitingsstoringen
• Beveiliging tegen het verschil in uitdijting tussen stationaire en roterende delen van generator
• Omgekeerde Vermogen Beveiliging en Negatieve Stroom Beveiliging

Betrouwbare beveiligingsrelais schema's zijn daarom vereist om generatorstoringen snel te detecteren en te clearen om schade te minimaliseren en reparatietijd tot een minimum te reduceren.

Beveiliging tegen statorwikkeling fase-tot-fase fouten wordt uitgevoerd door een differentieel relais, welk principe eerder besproken werd in andere secties. Dit beveiligingsapparaat is niet in staat om wikkeling tussenwindingsfouten te detecteren.

Wanneer zo een type fout optreedt, daalt de fasespanning en verschijnt een nul-reeks spanning; deze spanning wordt gedetecteerd door een spanningsrelais (ANSI/IEEE/IEC code 60) aangesloten op ST.

Stator aard of aardfouten beveiliging hangt af van stator aarding. Voor weerstandsaardingssysteem kan een overstroomrelais aangesloten op een "ring type" ST binnen de neutrale verbinding of een spanningsrelais bij de weerstandsklemmen worden gebruikt.

Onder normale gezonde omstandigheden vloeit geen stroom door de weerstand en is de spanning aan de klemmen gelijk aan nul.

Voor aarding door een transformator wordt een spanningsrelais gebruikt dat de spanning aan de weerstand aangesloten op de secundaire van de transformator controleert.

Onder normale gezonde omstandigheden ontwikkelt de aardtransformator geen secundaire spanning, en geen spanning wordt aan het relais toegepast. Wanneer een stator aardfout optreedt, ontstaat een spanning over de secundaire klemmen van de aardtransformator, en het spanningsrelais werkt.

Figuur 1 toont typische verbinding voor stator differentieel en aardfout beveiliging.

Wikkelde rotor wikkeling kortsluitingsfouten worden beveiligd door overstroomrelais.

De rotorwikkelingen kunnen beschadigd worden door aardfouten.

De rotor of veldwikkeling op grote thermische generatoren is ongeaard, dus een enkelvoudige aardfout produceert geen foutstroom.

Een enkelvoudige aardfout, verhoogt echter het potentieel van het hele veld- en exciatiestelsel, en de extra spanningen geïnduceerd door het openen van de veldonderbreker, of de hoofgeneratoronderbreker, vooral onder foutcondities, kunnen de spanning verhogen tot de aard in het veld, wanneer de stator transienten een extra spanning in de veldwikkelingen induceren. Deze extra spanning kan een tweede fout op de veldwikkeling veroorzaken.

Een tweede fout naar aard kan lokale verhitting van het ijzer veroorzaken wat de rotor kan vervormen, wat gevaarlijke onbalans veroorzaakt.

De beveiliging tegen rotor aardfouten kan worden geboden door een relais dat de isolatie van de rotor controleert door een hulp AC-spanning aan de rotor toe te passen of een spanningsrelais in serie associatie met een hoge weerstand (lineaire en niet-lineaire weerstanden combinatie is de gangbare methode tegenwoordig) aangesloten over de rotorcircuit, het middelpunt waarvan is aangesloten op aarde door de spoel van een gevoelig relais (ANSI/IEEE/IEC code 64).

Tegenwoordig roept moderne techniek op voor het gebruik van combinaties van lineaire en niet-lineaire weerstanden.

Figuur 2 toont een voorbeeld van rotor aardfout beveiliging.

Verlies van veld beveiliging gebruikt een relais dat de verandering in reactieve stroom detecteert. Een typisch verlies van exciatie beveiliging schema gebruikt een Offset Mho (impedantie) relais om de generator belasting impedantie te meten.

De Offset Mho impedantie relais is een enkelvoudig faserelais, en wordt gevoed vanuit de generator ST en ST. De verlies van veld relais zal werken als de waarde van de belasting impedantie binnen het werkingsgebied van het relais valt.

Een tijdrelais is inbegrepen om afschakeling te initieren van de machine als de leidende reactieve vermogensconditie blijft bestaan voor 1 s (typisch).

Om kernverzadiging te voorkomen door over-exciatie tijdens opstarten en afsluiten wordt een over-exciatie beveiliging (ANSI/IEEE/IEC code 59) gebruikt.

Over-exciatie kan worden uitgelegd door de volgende vergelijking:

B = V / f

Waar B de magnetische fluxdichtheid of magnetische inductie of kernflux is (eenheid: tesla – T), V is de aangelegde spanning (eenheid: volt – V) en f de frequentie (eenheid: hertz – Hz).

Voor de kernflux om onder het verzadigingspunt te blijven, mag de generatorspanning alleen verhoogd worden naarmate de frequentie (of snelheid) verhoogt.

Als de exciatie te snel verhoogt, dan moet deze over-exciatie conditie gedetecteerd worden, en de veldonderbreker afgeschakeld.

Over-exciatie beveiligingsschema's gebruiken Volt per Hertz relais.

Deze relais hebben een lineair karakteristiek, en zullen werken als de spanning gedeeld door de frequentie de ingestelde waarde overschrijdt.

Statorwikkelingen en lagers oververhittingsbeveiliging wordt meestal uitgevoerd door RTD en thermistor om de temperatuur te monitoren.

Stator fase onbalans beveiliging gebruikt meestal een tijd-invers overstroomrelais, dat ingesteld wordt in overeenstemming met de maximale tijd rotor deze oververhitting kan weerstaan.

De functie van generator negatieve fasereeks beveiliging is de machine te beveiligen tegen de oververhittings effecten, naamlijk aan de rotor, die optreden als gevolg van onbalans van de statorfasestromen.

Deze beveiliging gebruikt een relais dat de stroom op twee fasen vergelijkt via ST, zoals getoond in Figuur 3.

Beveiligingen worden ingesteld in overeenstemming met de maximale tijd rotor deze oververhitting kan weerstaan en tijd wordt gedefinieerd door de vergelijking K = I²t (gebaseerd op Wet van Joule).

Typische kurven voor deze conditie worden getoond afhankelijk van de hoofdbeweger en worden aangeduid door de fabrikant.

Omgekeerde Vermogen beveiliging (ANSI/IEEE/IEC code 32) gebruikt een vermogensrichtingsrelais om te monitoren de generatorbelasting; het relais wordt gevoed vanuit de generator ST en ST zoals getoond in Figuur 4 en zal werken wanneer enig negatief vermogen wordt gedetecteerd.

Uit-van-Stap beveiliging detecteert een conditie veroorzaakt door energienetwerkstoringen, in plaats van generatorstoringen. De beveiliging detecteert de conditie wanneer de generator zijn eerste pool glijdt, en zorgt ervoor dat de generatoronderbrekers afschakelen.

De turbine wordt niet afgeschakeld zodat de machine opnieuw gesynchroniseerd kan worden nadat de systeemstoring is opgelost.

Deze beveiliging kan als complementair beschouwd worden tot Verlies van Exciatie beveiliging.

De uit-van-stap conditie treedt op met de generator bij vol veld en het verlies van synchronisme door onder-exciatie treedt op wanneer de generator geen veld heeft.

Uit-van-Stap beveiliging gebruikt drie impedantiemetende relais. Deze relais worden gevoed door de generator ST en ST en meten de generator belasting impedantie, een vermogenszwaai conditie detecterend als de drie relais in de juiste volgorde werken en zal afschakeling van HV-onderbrekers initieren.

Voor externe kortsluitingsfouten worden overstroomrelais gebruikt (50; 50N; 51; 51N).

Onder- en overfrequentie beveiliging (ANSI/IEEE/IEC code 81) detecteert ook systeemstoringen, in plaats van generatorstoringen. Een grote energienetwerk opsplitsing kan resulteren in zowel een overschot als onvoldoende opwekvermogen voor de overgebleven aangesloten belasting.

In het eerste geval, overfrequentie, met mogelijke overspanning als gevolg van de verminderde belastingvraag. Bedrijf in deze modus zal geen oververhitting produceren tenzij nominaal vermogen en ongeveer 105% nominale spanning overschreden worden.

De generatorregelaars moeten snel aangepast worden om de generatoruitgang aan de belastingvraag aan te passen.

Met onvoldoende opwekking voor de aangesloten belasting, is onderfrequentie het resultaat van zware belastingvraag.

De spanningsdaling zorgt ervoor dat de spanningsregelaar de exciatie verhoogt. Het resultaat is dat oververhitting zowel in de rotor als de stator kan optreden. Op hetzelfde moment, wordt meer vermogen gevraagd, met de generator minder in staat om het te leveren bij de dalende frequentie.

Automatische of handmatige transmissiesysteem lastafwikkeling zou ideaal de belasting moeten aanpassen aan de aangesloten opwekking voordat een totale energienetwerk instorting optreedt.

Over- en onder spanning relais (ANSI/IEEE/IEC codes 59 en 27) worden gebruikt om de spanning te controleren.

Fase aanvullende start beveiliging wordt geboden om een conditie te detecteren waar een fout bestaat wanneer de generator wordt opgestart tot snelheid. Generatoren mogen natuurlijk niet opgestart worden in een belasting of in een foutconditie.

Dit te voorkomen, wordt een beveiligingsschema gebruikt dat in dienst schakelt laag ingestelde overstroomrelais ALLEEN als de frequentie onder 52 Hz op 60 Hz energienetwerken en 42 Hz op 50 Hz systemen is.

Tegenwoordig worden IED (zie Sectie 2.1) die alle vereiste beveiligingsfuncties groeperen veel gebruikt voor generatorbeveiliging.

Over de Auteur: Manuel Bolotinha

- Licentiaat in Elektrotechniek – Energie- en Energiesystemen (1974 – Instituto Superior Técnico/Universiteit van Lissabon)
– Master in Elektrotechniek en Computer Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universiteit van Lissabon)
– Senior Consultant in Schakelstations en Energiesystemen; Professionele Instructeur