Generatorbeveiliging - Soorten fouten en beveiligingsapparaten

Typen generatorstoringen en beveiligingsapparaten

Veelvoorkomende generatorfouten

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

Fouten op primeur (Prime mover is het onderdeel dat wordt gebruikt om de generator aan te drijven en kunnen verbrandingsmotoren zijn (in het geval van dieselgeneratorsets), gasturbines, stoomturbines, windturbines en hydraulische turbines) en geassocieerde systemen worden niet besproken, omdat ze meestal worden gedefinieerd in de mechanische ontwerpfase van de apparatuur.

Ze moeten echter wel worden geïntegreerd in generatorbeveiligingen voor uitschakelingsdoeleinden.

Soorten interne fouten in een generator

Interne fouten kunnen elektrisch of mechanisch zijn

1.Statorstoringen

• Wikkelingen oververhit
• Fase-naar-fase fout wikkelingen
• Fase-naar-aarde fout wikkelingen
• Inter-turn fout

2. Rotorfouten

• Aarde fout
• Kortsluiting in de wikkeling (gewikkelde rotor )
• Oververhitting

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

4. Generator uit de pas

5. Motorwerking

6. Oververhitting van lagers en gebrek aan druk van smeerolie

7. Trilling

Oververhitting van de statorwikkelingen kan worden veroorzaakt door permanente overbelasting en fase-naar-fase en aardfouten zijn te wijten aan doorslag van de isolatie .

Kortsluiting in rotorwikkeling leidt tot een toename van de excitatiestroom en een afname van de excitatiespanning .

Oververhitting rotor is een gevolg van onevenwichtige stromen bij de stator , vanwege:

• Eenpolige reis
• Statorwikkelingsfout
• Negatieve fasevolgorde

Negatieve fasevolgorde en ongebalanceerde stromen in de statorstromen en produceert een armatuurflux in de tegenovergestelde richting van de rotor draaien , het induceren van wervelstromen in de rotormassa .

Deze wervelstromen , die op tweemaal . zijn de systeemfrequentie (50 Hz of 60 Hz ), veroorzaakt lokale oververhitting aan de rand van de rotor dat kan zwakte veroorzaken in de wiggen en ringen die de rotor vasthouden .

Als een generator excitatie (of veld verliest) ), reactief vermogen stroomt van het stroomsysteem naar de generator . De generator verliest dan synchronisatie en loopt als een inductiegenerator, boven synchrone snelheid .

Boven synchrone snelheid de rotor begint te oscilleren in een poging om synchroon te lopen , wat resulteert in oververhitting en andere schade . Zolang het systeem stabiel is , blindvermogen (MVAr ) stroomt in de generator en de machine blijft actief vermogen afgeven (MW ).

Generatormotorwerking kan optreden wanneer de stoom- of watertoevoer naar de turbine mislukt en generatoren neemt stroom van het elektrische systeem .

In stoomturbines de stoom werkt als koelmiddel , de bladen op een constante temperatuur houden . Fout in de stoomtoevoer kan oververhitting van de messen veroorzaken . Op sommige machines is de temperatuurstijging erg laag , en autorijden kan geruime tijd worden getolereerd .

Hydraulische turbine heeft cavitatie (vorming en vervolgens onmiddellijke implosie van holtes in vloeistof – kleine vloeistofvrije zones ("bubbels “) – die het gevolg zijn van krachten die op de vloeistof inwerken ).

Het komt meestal voor wanneer een vloeistof wordt onderworpen aan snelle drukveranderingen die de vorming van holtes veroorzaken waar de druk relatief laag is .

Cavitatie is een belangrijke oorzaak van slijtage . Bij het betreden van hogedrukgebieden , cavitatiebellen die imploderen op een metalen oppervlak veroorzaken cyclische stress door herhaalde implosie , resulterend in oppervlaktemoeheid van het metaal .

• Gerelateerde post:alles over elektrische beveiligingssystemen, apparaten en eenheden

Soorten externe fouten in een generator

Fouten in het externe voedingssysteem en abnormale bedrijfsomstandigheden zijn:

• Externe kortsluitstoringen
• Niet-gesynchroniseerde verbinding van generator
• Uit de pas (stok slipt of verlies van synchronisatie)
• Overbelasting
• Te hoge snelheid
• Fase-onbalans en negatieve fasevolgorde
• Onder en boven frequentie
• Onder- en overspanningen

Een niet-gezuiverde of langzame opruimfout op het netwerksysteem kan generatoren veroorzaken om met slippende stokken te beginnen , of ga "uit de pas ” met de rest van het systeem .

Zo'n voorwaarde is ongewenst omdat er schadelijke mechanische spanningen op de as worden uitgeoefend , en de ernstige krachtschommelingen een verontrustend effect hebben op de spanningen van het voedingssysteem .

Losse synchronisatie kan worden veroorzaakt door een externe kortsluiting, het uitschakelen van een belangrijke inductieve belasting of door een storing in het bekrachtigingssysteem .

Te hoge snelheid is het gevolg van een plotseling uitschakelen van de totale belasting of een belangrijke vermindering van de belasting .

Generatorbeveiligingsapparaten

Generatoren zijn de duurste apparaten op energiesystemen. De volgende apparaten worden gebruikt voor de bescherming van AC- en DC-generatoren tegen de fouten die erin optreden.

• Stator Aardfoutbeveiliging (Statorwikkelingen fase-naar-fase &statoraarding of aardfoutbeveiliging door differentieelrelais)
• Bescherming tegen aardfouten in rotor
• Ongebalanceerde statorbelastingsbeveiliging (verlies van veldbeveiliging en verandering in reactieve vermogensstroom)
• Bescherming tegen oververhitting van de stator (beveiliging tegen oververhitting van statorwikkelingen en lagers en beveiliging tegen negatieve fasevolgorde)
• Bescherming tegen verlies van ketelverbranding
• Bescherming tegen uitval van de aandrijfmotor en turbine (bescherming tegen onbalans in de statorfase)
• Overspeed &overexcitation Protection (kernverzadiging door overexcitatie)
• Isolatiefout
• Bescherming tegen defecte smeerolie
• Laag vacuümbescherming
• Bescherming tegen trillingen en bescherming onder en over frequentie
• Back-up bescherming van generator
• Bescherming tegen rotorvervorming en aanvullende fasestartbeveiliging
• Bescherming tegen externe kortsluitfouten 
• Bescherming tegen de verschiluitzetting tussen stationaire en roterende delen van generator
• Omgekeerde stroombeveiliging en negatieve stroomstroombeveiliging

Betrouwbare beschermende relaisschema's zijn daarom vereist om generatorstoringen snel op te sporen en te verhelpen om schade te minimaliseren en reparatietijd tot een minimum te beperken .

Bescherming tegen fase-naar-fase fouten in de statorwikkelingen wordt uitgevoerd via een differentieel relais , welk principe eerder in andere paragrafen werd besproken. Dit beveiligingsapparaat is niet in staat om fouten tussen windingen te detecteren .

Als een dergelijk type fout treedt op fasespanning neemt af en een nul-volgorde spanning verschijnt; deze spanning wordt gedetecteerd door een spanningsrelais (ANSI/IEEE/IEC-code 60 ) verbonden met VT .

Statoraardings- of aardingsfouten bescherming hangt af van statoraarding . Voor weerstandsaardingssysteem een overstroomrelais aangesloten op een “ringtype” CT binnen de neutrale verbinding of een spanningsrelais bij weerstandsterminals kan worden gebruikt.

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

Voor aarding via een transformator een spanningsrelais het controleren van de spanning bij de weerstand aangesloten op de secundaire van de transformator wordt gebruikt.

Onder normale gezonde omstandigheden de aardingstransformator ontwikkelt geen secundaire spanning , en er staat geen spanning op het relais . Wanneer een aardfout in de stator optreedt , wordt een spanning ontwikkeld over de secundaire klemmen van de aardtransformator , en het spanningsrelais werkt .

Afbeelding 1 toont een typische verbinding voor statordifferentieel en aardfoutbeveiliging.

Kortsluitingsfouten in de winding van de rotorwinding worden beschermd door overstroomrelais .

De rotorwikkelingen kunnen beschadigd raken door aardfouten.

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

Een enkele aardfout , echter, verhoogt het potentieel van het hele veld en het bekrachtigingssysteem , en de extra spanningen die worden veroorzaakt door het openen van de veldonderbreker of de hoofdgeneratoronderbreker , vooral onder foutcondities , kan stress verhogen naar de grond in het veld , wanneer de stator transiënten induceer een extra spanning in de veldwikkelingen . Deze extra spanning kan een tweede fout veroorzaken op de veldwikkeling .

Een tweede fout om te grommen d kan plaatselijke verhitting van het strijkijzer veroorzaken, wat kan vervormen de rotor, waardoor gevaarlijke onbalans ontstaat.

De bescherming tegen aardfouten van de rotor kan worden geleverd door een relais dat de isolatie van de rotor regelt door een hulpwisselspanning op de rotor aan te leggen of een spanningsrelais in serie met een hoge weerstand (combinatie van lineaire en niet-lineaire weerstanden is de gebruikelijke methode die tegenwoordig wordt gebruikt ) aangesloten over het rotorcircuit , het middelpunt waarvan is verbonden met aarde via de spoel van een gevoelig relais (ANSI/IEEE/IEC-code 64).

De moderne techniek van tegenwoordig vraagt ​​om het gebruik van combineren lineaire en niet-lineaire weerstanden .

Afbeelding 2 toont een voorbeeld van rotor aardfoutbeveiliging .

Verlies van veldbeveiliging gebruikt een relais die de verandering in reactieve vermogensstroom detecteert. Een typisch verlies van excitatiebescherming schema gebruikt een Offset Mho (impedantie ) estafette om de generatorbelastingsimpedantie te meten .

De Offset Mho impedantierelais is een eenfasig relais , en wordt gevoed door de generator CT en VT . Het verlies van veldrelais zal werken als de waarde van de belastingsimpedantie binnen de bedrijfskarakteristiek van het relais valt j.

Een tijdrelais is inbegrepen om trippen te starten van de machine als de leidende toestand van reactief vermogen blijft 1 s bestaan (typisch ).

Om kernverzadiging te voorkomen door overmatige opwinding tijdens opstarten en afsluiten een overexcitatiebescherming (ANSI/IEEE/IEC-code 59) wordt gebruikt.

Overmatige opwinding kan worden verklaard door de volgende vergelijking:

B =V / f

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

Voor de kernstroom om onder het verzadigingspunt te blijven , de generatorspanning mag alleen worden verhoogd als de frequentie (of snelheid) wordt verhoogd .

Als de opwinding is te snel verhoogd , dan deze overexcitatieconditie moet worden gedetecteerd , en de veldbreker geactiveerd .

Overmatige opwinding beveiligingsschema's gebruiken Volt per Hertz relais .

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

Bescherming tegen oververhitting van statorwikkelingen en lagers wordt meestal uitgevoerd door RTD en thermistor om de temperatuur te controleren .

Bescherming tegen onbalans in de statorfase gebruikt gewoonlijk een tijd-inverse overstroomrelais , dat is ingesteld in overeenstemming met de maximale tijdrotor is bestand tegen deze oververhitting .

De functie van generator negatieve fasevolgordebeveiliging is om de machine te beschermen tegen de oververhitting effecten, namelijk bij de rotor , die optreden als gevolg van onbalans van de statorfasestromen .

Deze bescherming gebruikt een relais die de stroom in twee fasen vergelijkt via CT , zoals weergegeven in afbeelding 3.

Beveiligingen zijn ingesteld volgens de maximale tijd kan de rotor deze oververhitting weerstaan en tijd wordt gedefinieerd door de vergelijking K =I ² t (gebaseerd op de wet van Joule ).

Typische curven voor deze voorwaarde wordt getoond afhankelijk van de krachtbron en zijn aangegeven door de fabrikant .

Reverse Power-beveiliging (ANSI/IEEE/IEC-code 32) gebruikt een directioneel vermogensrelais om te monitoren de generatorbelasting; het estafette wordt gevoed door de generator CT en VT zoals weergegeven in figuur 4 en zal werken wanneer een negatieve stroom wordt gedetecteerd .

Out-of-Step-beveiliging detecteert een conditie veroorzaakt door storingen in het stroomsysteem, in plaats van generatorstoringen . De bescherming detecteert de toestand wanneer de generator over zijn eerste pool glijdt , en zorgt ervoor dat de generatoronderbrekers worden uitgeschakeld .

De turbine is niet geactiveerd het inschakelen van de machine opnieuw gesynchroniseerd nadat de systeemstoring is verholpen .

Deze bescherming kan worden beschouwd als een aanvulling op de bescherming tegen verlies van opwinding.

De out-of-step staat gebeurt met de generator op volledig veld en het verlies van synchronisatie door onderbekrachtiging treedt op wanneer de generator heeft geen veld .

Out-of-Step-beveiliging gebruikt drie impedantie-meetrelais . Deze relais worden geleverd door de generator CT en VT en meet de generator belastingsimpedantie , detecteren van een power swing conditie als de drie relais in de juiste volgorde werken en zal uitschakeling van HV-stroomonderbrekers initiëren .

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

Onder- en overfrequentiebescherming (ANSI/IEEE/IEC-code 81 ) detecteert ook systeemstoringen, in plaats van generatorstoringen. Een grote stroomstoring kan resulteren in een teveel of onvoldoende opwekkingsvermogen voor de resterende aangesloten belasting .

In het eerste geval , overfrequentie , met mogelijke overspanning resultaten vanwege de verminderde belastingvraag . Bewerking in deze modus produceert geen oververhitting tenzij nominaal vermogen en ongeveer 105% nominale spanning zijn overtroffen .

De generatorbesturingen moeten onmiddellijk worden aangepast om het generatorvermogen af ​​te stemmen op de belastingsvraag .

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

De daling in spanning veroorzaakt de spanningsregelaar om de opwinding te vergroten . Het resultaat is dat oververhitting kan zowel in de rotor als in de stator voorkomen . Tegelijkertijd , er wordt meer vermogen gevraagd , waarbij de generator minder in staat is om het te leveren op de afnemende frequentie .

Automatische of handmatige afschakeling van het transmissiesysteem zou idealiter de belasting moeten aanpassen aan de aangesloten generatie voordat een totale ineenstorting van het stroomsysteem optreedt.

Over- en onderspanningsrelais (ANSI/IEEE/IEC-codes 59 en 27 ) worden gebruikt om de spanning . te regelen .

Fase aanvullende startbeveiliging wordt geleverd om een ​​voorwaarde te detecteren waar een fout bestaat s wanneer de generator op snelheid wordt gebracht . Generatoren mogen natuurlijk niet worden opgestart in een belasting of in een storingstoestand.

Om dit te voorkomen, een beschermingsschema n wordt gebruikt die overschakelt naar service low-set overstroomrelais ALLEEN als de frequentie is onder 52 Hz op 60 Hz energiesystemen en 42 Hz op 50 Hz systemen .

Tegenwoordig IED (zie Paragraaf 2.1) die alle vereiste beveiligingsfuncties groeperen worden vaak gebruikt voor generatorbescherming .

Over de auteur:Manuel Bolotinha

-Licentiaat in elektrotechniek – energie- en energiesystemen (1974 – Instituto Superior Técnico/Universiteit van Lissabon)
– Master in Electrical and Computers Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– Senior adviseur in onderstations en energiesystemen; Professionele instructeur