انواع خطاها و دستگاه‌های محافظت از ژنراتور

محافظت از ژنراتور – انواع خطاها و دستگاه‌های محافظت

انواع خطاهای ژنراتور و دستگاه‌های محافظتی

فهرست مطالب

خطاهای مشترک ژنراتور

انواع خطاهای داخلی در یک ژنراتور

انواع خطاهای خارجی در یک ژنراتور

دستگاه‌های محافظت از ژنراتور

خطاهای مشترک ژنراتور

خطاهای ژنراتور معمولاً به خطاهای داخلی و خارجی طبقه‌بندی می‌شوند. خطا‌های داخلی به دلیل مشکلات موجود در اجزای ژنراتور و خطا های خارجی به دلیل شرایط غیر عادی کار و خطا‌های شبکه‌های خارجی‌است.

خطا در عامل محرک اجزایی‌است که برای راه اندازی ژنراتور استفاده‌می‌شود و ممکن@است موتورهای احتراقی باشد (مورد مجموعه ژنراتورهای دیزل) ، توربین‌های گازی ، توربین‌های بخار ، توربین‌های بادی و توربین‌های هیدرولیکی) و سیستم‌های مرتبط مورد بحث قرار نخواهند‌گرفت ، از آنجا که آنها معمولاً در مرحله طراحی مکانیکی تجهیزات تعریف می‌شوند.

با این حال آنها باید برای حفاظت از ژنراتور برای اهداف قطع یکپارچه شوند.

محافظت از ژنراتور – انواع خطاهای ژنراتور و دستگاه‌های محافظت

انواع خطاهای داخلی در یک ژنراتور

خطاهای داخلی ممکن‌است الکتریکی یا مکانیکی باشند

1. خطاهای استاتور

گرم شدن بیش از حد سیم‌پیچ ها

خطا فاز به فاز سیم‌پیچ ها

خطا مرحله به زمین سیم‌پیچ

خطای داخلی سیم‌پیچ

2. خطاهای روتور

خطا زمین

سیم‌پیچ اتصال کوتاه (روتور سیم‌پیچی)

گرم شدن بیش از حد

3. از دست دادن میدان / تحریک (میدان در یک ژنراتور AC متشکل از سیم‌پیچ های هادی درون ژنراتور است‌که ولتاژ را از یک منبع دریافت می‌کنند (تحریک نامیده‌می‌شود) و یک شار مغناطیسی تولید می‌کنند).

4. ژنراتور خارج از مرحله

5. عملکرد موتور

6. گرم شدن بیش از حد یاتاقان‌ها و عدم فشار روغن

7. ارتعاش

گرم شدن بیش از حد سیم‌پیچ استاتور ممکن‌است در اثر اضافه بار دائمی ایجاد‌شود و خطا های فاز به فاز و زمین به دلیل خرابی عایق باشد.

اتصال کوتاه سیم‌پیچ روتور منجر به افزایش جریان تحریک و کاهش ولتاژ تحریک‌می‌شود.

گرم شدن بیش از حد روتور نتیجه جریان نامتعادل در استاتور است‌، به دلیل:

تریپ تک قطبی

خطای سیم‌پیچ استاتور

توالی فاز منفی

توالی فاز منفی و جریانهای نامتعادل در جریانهای استاتور و تولید شار آرمیچر در جهت مخالف روتور می‌چرخد ​​و باعث ایجاد جریان گردابی در جرم روتور می‌شود.

این جریان‌های گردابی که با دو برابر فرکانس سیستم (50 هرتز یا 60 هرتز) هستند ، در محیط پیرامونی روتور باعث گرم شدن موضع می‌شوند که ممکن است‌باعث ضعف گوه‌ها و حلقه‌های نگهدارنده روتور شود.

هنگامی که یک ژنراتور تحریک (یا میدان) خود را از دست می‌دهد ، قدرت راکتیو از سیستم قدرت به داخل ژنراتور جریان می‌یابد. سپس ژنراتور هماهنگی را از دست‌داده و به عنوان یک ژنراتور القایی ، بالاتر از سرعت همزمان کار می‌کند.

بالاتر از سرعت همزمان ، روتور در تلاش برای قفل شدن در هماهنگی شروع به نوسان می‌کند و در نتیجه باعث گرم شدن بیش از حد و آسیب‌های دیگر‌می‌شود. تا زمانی که سیستم پایدار باشد ، توان راکتیو (MVAr) به درون ژنراتور می‌ریزد و دستگاه به تولید انرژی فعال (MW) ادامه می‌دهد.

وقتی موتور بخار یا آب توربین خراب شود و ژنراتورها از سیستم الکتریکی نیرو بگیرند ، عملکرد موتور ژنراتورها ممکن است اتفاق بیفتد.

در توربین‌های بخار، بخار به عنوان خنک‌کننده عمل‌می‌کند و تیغه‌ها را در دمای ثابت حفظ می‌کند. عدم تأمین بخار می تواند باعث گرم شدن بیش از حد تیغه‌ها شود. در بعضی از ماشین‌ها افزایش دما بسیار کم‌است که موتور می‌تواند برای مدت زمان قابل توجهی آن را تحمل کند.

توربین هیدرولیکی دارای حفره (تشکیل و سپس انفجار فوری حفره‌ها در مایع‌است – مناطق کوچک بدون مایع (“حباب”) – که در نتیجه نیروهای وارد بر مایع‌است).

این معمولاً هنگامی اتفاق می‌افتد که یک مایع تحت تغییرات سریع فشار قرار‌می‌گیرد که باعث ایجاد حفره‌هایی می‌شود که فشار نسبتاً کم‌است.

ایجاد حفره دلیل عمده‌ای برای خورندگی‌است. هنگام ورود به مناطق فشار بالا ، حباب‌های حفره‌ای که روی سطح فلز منشعب می‌شوند باعث ایجاد تنش چرخشی از طریق انفجار مکرر می‌شوند و در نتیجه باعث خستگی سطح فلز می‌شوند.

انواع خطاهای خارجی در یک ژنراتور

خطاهای سیستم برق خارجی و شرایط عملکرد غیر عادی عبارتند از:

خطاهای اتصال کوتاه خارجی

اتصال غیر همگام سازنده

خارج از مرحله (لغزش قطب یا از دست دادن همگام سازی)

اضافه بار

سرعت بیش از حد

عدم تعادل فاز و توالی فاز منفی

پایین و بالا از فرکانس

ولتاژ پایین و بالا

خطای پاک نشده یا کند پاک شدن سیستم شبکه می‌تواند باعث‌شود که ژنراتورها قطب‌ها را بلغزانند یا با بقیه سیستم “خارج از مرحله” شوند.

چنین شرایطی نامطلوب‌است زیرا تنش‌های مكانیكی مضر بر روی شافت وارد‌می‌شود و نوسانات شدید برق تأثیر مخربی بر ولتاژهای سیستم قدرت دارد.

همزمانی ممکن است‌به دلیل اتصال کوتاه خارجی ، خاموش شدن یک بار القایی مهم یا خطای سیستم تحریک ایجاد‌شود.

سرعت بیش از حد نتیجه خاموش شدن ناگهانی کل بار یا کاهش مهم بار‌است. دستگاه‌های محافظت از ژنراتور

ژنراتورها گرانترین تجهیزات در سیستمهای قدرت هستند. دستگاه‌های زیر برای محافظت از ژنراتورهای AC و DC در برابر نقص در آن استفاده‌می‌شود.

حفاظت از خطای زمین استاتور (سیم‌پیچ استاتور از فاز به فاز و زمین و یا استاتور از خطاهای زمین و استاتور محافظت‌می‌شود)

محافظت از خطای زمین روتور

محافظت نامتعادل از بارگذاری استاتور (از دست‌دادن حفاظت از میدان و تغییر در جریان توان راکتیو)

حفاظت در برابر گرمای بیش از حد استاتور (محافظت در برابر گرم شدن سیم‌پیچ و یاطاقان استاتور و حفاظت از توالی فاز منفی)

محافظت در برابر از بین رفتن آتش دیگ بخار

محافظت در برابرعامل محرک و خرابی توربین (حفاظت از عدم تعادل فاز استاتور)

حفاظت بیش از حد و تحریک بیش از حد (اشباع هسته به دلیل تحریک بیش از حد)

از بین رفتن عایق

محافظت در برابر از دست دادن خاصیت روغن روانکاری

حفاظت از خلا کم

محافظت در برابر ارتعاش و محافظت از فرکانس زیر و بیش از حد

پشتیبان گیری از ژنراتور

1- محافظت در برابر روتور اعوجاج و فاز محافظت از شروع اضافی

2- محافظت در برابر خطاهای اتصال کوتاه خارجی

3- محافظت در برابر انبساط اختلاف بین قطعات ساکن و چرخان ژنراتور

4- حفاظت از قدرت معکوس و محافظت از جریان منفی قدرت

برای ردیابی و پاک سازی سریع عیب‌های ژنراتور ، طرح‌های رله محافظ قابل اطمینان لازم‌است تا آسیب به حداقل برسد و زمان تعمیر به حداقل ممکن کاهش‌یابد.

حفاظت در برابر خطا های فاز به فاز سیم‌پیچ استاتور از طریق یک رله دیفرانسیل انجام‌می‌شود ، که این اصل قبلاً در بخشهای دیگر مورد بحث قرار‌گرفت. این دستگاه محافظ قادر به تشخیص خطاهای بین پیچ نیست.

وقتی چنین نوع خطایی رخ می‌دهد ولتاژ فاز کاهش می‌یابد و ولتاژ توالی صفر ظاهر‌می‌شود. این ولتاژ توسط یک رله ولتاژ (ANSI / IEEE / IEC کد 60) متصل به VT شناسایی‌می‌شود.

زمین یا استاتور از خطای زمین به استاتور بستگی دارد. برای سیستم اتصال مقاومت می‌توان از یک رله جریان اضافی متصل به CT “حلقه‌ای” در اتصال خنثی یا یک رله ولتاژ در ترمینال‌های مقاومت استفاده‌کرد.

در شرایط سالم طبیعی هیچ جریانی از طریق مقاومت عبور نمی کند و ولتاژ در ترمینال‌ها برابر با صفر‌است.

برای اتصال به زمین از طریق ترانسفورماتور ، از یک رله ولتاژ برای بررسی ولتاژ در مقاومت متصل به ثانویه ترانس استفاده‌می‌شود.

در شرایط سالم طبیعی ترانسفورماتور زمین هیچ ولتاژ ثانویه ایجاد نمی کند و هیچ ولتاژی به رله اعمال نمی‌شود. هنگامی که خطای زمین استاتور رخ می‌دهد ، ولتاژی در ترمینال های ثانویه ترانسفورماتور زمین ایجاد‌می‌شود و رله ولتاژ کار‌می‌کند.

شکل 1

اتصال معمولی برای دیفرانسیل استاتور و حفاظت از خطای زمین را نشان می‌دهد.

اتصال برای دیفرانسیل استاتور ژنراتور و حفاظت از خطای زمین

شکل 1 – دیفرانسیل و حفاظت از خطای زمین استاتور

خطاهای اتصال کوتاه سیم‌پیچ روتور سیم‌پیچی توسط رله‌های جریان اضافی محافظت‌می‌شود.

سیم‌پیچ های روتور ممکن‌است در اثر خطا های زمین آسیب ببینند.

روتور یا سیم‌پیچ میدان بر روی ژنراتورهای بزرگ حرارتی فاقد اتصال زمین‌است ، بنابراین یک خطای زمین تنها جریان خطایی ایجاد نمی‌کند.

با این حال ، یک خطای زمین ، پتانسیل کل سیستم و سیستم تحریک‌کننده را افزایش می‌دهد و ولتاژهای اضافی ناشی از باز کردن میدان شکن ، یا قطع کننده اصلی ژنراتور ، به ویژه در شرایط خطا ، ممکن‌است باعث افزایش تنش در زمین‌شود ، هنگامی که گذراهای استاتور ولتاژ اضافی را در سیم‌پیچ های میدان القا می‌کنند. این ولتاژ اضافی ممکن‌است باعث ایجاد خطای دوم در سیم‌پیچ میدان‌شود.

خطای دوم در زمین ممکن است باعث گرم شدن موضعی شود که می تواند روتور را تحریف کند و باعث عدم تعادل خطرناک شود.

حفاظت در برابر خطاهای زمینی روتور ممکن‌است توسط رله‌ای فراهم‌شود که با اعمال ولتاژ AC کمکی به روتور یا رله ولتاژ به صورت سری با مقاومت بالا ، عایق روتور را کنترل کند (ترکیب مقاومت‌های خطی و غیر خطی ترکیب روش متداولی که امروزه استفاده‌می‌شود) از طریق مدار روتور متصل می‌شود ، نقطه مرکزی آن از طریق سیم‌پیچ رله حساس به زمین متصل‌می‌شود (ANSI / IEEE / IEC کد 64).

امروزه تکنیک مدرن استفاده از مقاومتهای خطی و غیر خطی را می‌طلبد.

حفاظت از خطای زمین روتور

شکل 2 – حفاظت از خطای زمین روتور

شکل 2

نمونه‌ای از حفاظت از خطای زمین روتور را نشان می‌دهد.

از دست‌‌دادن حفاظت از میدان از رله‌ای استفاده می‌کند که تغییر جریان توان راکتیو را تشخیص می‌دهد. یک طرح معمولی از دست دادن تحریک از رله Offset Mho (امپدانس) برای اندازه گیری امپدانس بار ژنراتور استفاده‌می‌کند.

رله امپدانس یک رله تک فاز‌است و از  CT و VT ژنراتور تامین می شود. اگر مقدار امپدانس بار در مشخصات عملیاتی رله قرار گیرد ، از دست دادن رله میدان کار خواهد کرد.

اگر شرایط توان راکتیو پیش فاز برای 1 ثانیه ادامه یابد ، یک رله زمان بندی برای شروع قطع دستگاه وجود دارد.

برای جلوگیری از اشباع هسته به دلیل تحریک بیش از حد در هنگام بالا بردن و خاموش کردن ، یک محافظت از تحریک بیش از حد (ANSI / IEEE / IEC کد 59) استفاده‌می‌شود.

تحریک بیش از حد را می‌توان با معادله زیر توضیح داد:

B = V / f

جایی که B تراکم شار مغناطیسی یا القای مغناطیسی یا شار هسته باشد (واحد: تسلا-  T) ، V ولتاژ اعمال شده (واحد: ولت – V) و f فرکانس (واحد: هرتز hz)‌است.

برای اینکه شار هسته در زیر نقطه اشباع باقی بماند ، ولتاژ ژنراتور فقط با افزایش فرکانس (یا سرعت) ممکن‌است افزایش یابد.

اگر تحریک خیلی سریع افزایش یابد ، باید این شرایط تحریک بیش از حد تشخیص داده‌شود ، و میدان شکن از جای خود خارج‌شود.

در طرح‌های محافظتی بیش از حد تحریک از رله‌های ولت در هرتز استفاده‌می‌شود.

این رله‌ها دارای یک مشخصه خطی هستند و اگر ولتاژ تقسیم بر فرکانس از مقدار تنظیم‌شده بیشتر شود کار خواهند کرد.

محافظت در برابر گرمای بیش از حد سیم‌پیچ و یاطاقان استاتور معمولاً توسط RTD و ترمیستور برای کنترل دما انجام می‌شود.

حفاظت از عدم تعادل فاز استاتور معمولاً از یک رله اضافه جریان معکوس در زمان استفاده‌می‌کند ، که مطابق با حداکثر زمان روتور تنظیم شده‌است که می‌تواند در برابر این گرم شدن مقاومت کند.

عملکرد محافظت از توالی فاز منفی ژنراتور محافظت از ماشین در برابر اثرات بیش از حد گرم ، یعنی در روتور است که در نتیجه عدم تعادل جریان‌های فاز استاتور اتفاق می‌افتد.

محافظت از توالی فاز منفی

شکل 3 – محافظت از توالی فاز منفی

این حفاظت از یک رله استفاده‌می‌کند که جریان را در دو مرحله از طریق CT مقایسه می‌کند ، همانطور که در شکل 3 نشان داده‌شده‌است.

حفاظت‌ها مطابق با حداکثر زمانی‌است که روتور می‌تواند در برابر این گرما مقاومت کند و زمان با معادله K = I2t (بر اساس قانون ژول) تعریف می‌شود.

منحنی های معمولی برای این شرایط نشان داده‌شده‌است که به حرکت‌دهنده اصلی بستگی دارد و توسط سازنده نشان داده‌می‌شود.

حفاظت از قدرت معکوس

شکل 4 – حفاظت از قدرت معکوس

(ANSI / IEEE / IEC code 32) در حفاظت قدرت معکوس از رله جهت دار قدرت برای نظارت بر بار ژنراتور استفاده‌می‌کند. همانطور که در شکل 4 نشان داده‌شده‌است ، رله از CT و VT ژنراتور تأمین می‌شود و در صورت شناسایی جریان منفی جریان ، رله کار می‌کند.

حفاظت خارج از مرحله به جای خرابی‌های ژنراتور ، وضعیت ناشی از اختلالات سیستم برق را تشخیص می دهد. این محافظ هنگامی که ژنراتور قطب اول خود را می لغزد ، شرایط را تشخیص داده و باعث قطع شدن شکن های ژنراتور می شود.

توربین متوقف نمی‌شود تا دستگاه بتواند پس از پاک شدن اختلال سیستم مجدداً هماهنگ‌شود.

این محافظت را می‌توان مکمل حفاظت از دست دادن تحریک دانست.

شرایط خارج از مرحله با ژنراتور در فیلد کامل اتفاق می‌افتد و از دست دادن همزمانی به دلیل کم تحرکی زمانی اتفاق می افتد که ژنراتور هیچ فیلدی نداشته‌باشد.

حفاظت خارج از مرحله از سه رله اندازه‌گیری امپدانس استفاده‌می‌کند. این رله‌ها توسط ژنراتور CT و VT تأمین می‌شوند و امپدانس بار ژنراتور را اندازه‌گیری می‌کنند و در صورت کارکرد سه رله در توالی صحیح ، وضعیت نوسان برق را تشخیص‌می‌دهند و باعث قطع شدن قطع کننده های مدار HV می‌شوند.

برای خطاهای اتصال کوتاه خارجی از رله‌های جریان اضافی استفاده‌می‌شود (50؛ 50N؛ 51؛ 51N).

حفاظت فرکانس تحت و بیش از حد (ANSI / IEEE / IEC کد 81) همچنین به جای نقص ژنراتور ، اختلالات سیستم را تشخیص می‌دهد. یک شکست عمده سیستم قدرت می‌تواند منجر به تولید بیش از حد یا ناکافی بودن بار برای باقی مانده بار متصل شود.

در حالت اول

، فرکانس بیش از حد ، با نتایج احتمالی اضافه ولتاژ به دلیل کاهش تقاضای بار. عملکرد در این حالت گرمازدگی ایجاد نمی کند مگر اینکه از توان نامی و تقریباً از 105٪ ولتاژ نامی بیشتر شود.

کنترل های ژنراتور باید به سرعت تنظیم شوند تا خروجی ژنراتور با تقاضای بار مطابقت داشته‌باشد.

با تولید ناکافی برای بار متصل ، کم فرکانس نتیجه تقاضای بار سنگین‌است.

افت ولتاژ باعث می‌شود تنظیم‌کننده ولتاژ تحریک را افزایش دهد. نتیجه این‌است که گرم شدن بیش از حد هم در روتور و هم در استاتور ممکن‌است رخ دهد. در همان زمان ، تقاضای برق بیشتری می‌شود ، ژنراتور کمتر قادر به تأمین آن در فرکانس فروپاشی‌است.

کاهش بار سیستم انتقال قدرت اتوماتیک یا دستی باید در حالت ایده‌آل بار را متناسب با نسل متصل‌شده تنظیم کند تا قبل از سقوط کامل سیستم برق.

برای کنترل ولتاژ از رله‌های ولتاژ زیر و پایین (ANSI / IEEE / IEC کد 59 و 27) استفاده‌می‌شود.

محافظت از شروع تکمیلی فاز برای شناسایی شرایطی‌است که هنگام تولید سریع ژنراتور خطا وجود دارد. البته تولیدکننده ها نباید در یک بار یا شرایط خطا راه اندازی شوند.

برای جلوگیری از این ، فقط یک طرح حفاظتی استفاده‌می‌شود که فقط در صورت کم بودن فرکانس در سیستم‌های قدرت 60 هرتز و 52 هرتز در سیستم های 50 هرتز ، به رله‌های کم جریان تنظیم‌می‌شود.

لینک زبان اصلی مقاله:

Generator Protection – Types of Faults & Protection Devices

لینک مرتبط با مقاله:

ماشین سنکرون- نسبت اتصال کوتاه