حفاظت و رله, ژنراتور, مقالات, مقالات مادر
حفاظت ژنراتور – بخش اول
آگوست
حفاظت ژنراتور
در این برگه قصد داریم به بررسی حفاظت ژنراتور بپردازیم و شرایط مختلف آن را بررسی کنیم.
فهرست مطالب
1- مقدمه
2- شکست عایق
3- اتصال زمین
4- حفاظت
5- شرایط عملیاتی نامطلوب
——————————
1- مقدمه
ژنراتور a.c در برابر تعدادی از شرایط نیاز به محافظت دارد که برخی از آنها نیاز به قطع فوری و برخی دیگر ممکن‌است برای مدتی ادامه داشته‌باشد. به طور کلی، مورد اول با خرابی عایق مرتبط است در حالی که دومی با شرایط عملیاتی نامطلوب همراه است.
از بین تمام تجهیزاتی که یک سیستم قدرت را تشکیل می‌دهند، ژنراتور از این نظر که معمولاً در یک ایستگاه حضوری نصب می‌شود، منحصر به فرد است
و باعث‌می‌شود تحت نظارت کم و بیش ثابت قرار گیرد. نکته اینجاست که برخی از شرایط عملیاتی نامطلوب می‌تواند توسط یک اپراتور حل شود، در حالی که اگر ژنراتور در سایت مستقر نباشد،
تنها راه حل در این شرایط، خاموش کردن آن است. در ادامه به بررسی خطاها و نیاز ژنراتور به حفاظت پرداخته شده‌است.
——————————
2- شکست عایق
خطاهای استاتور در اثر شکسته شدن عایق بین هادی آرمیچر و زمین، بین هادی‌های فازهای مختلف یا بین هادی‌های یک فاز، ایجاد می‌شود. محتمل ترین مکان برای وقوع خطای زمین در شیارهای استاتور است که احتمالاً آرک اتفاق می‌افتد و منجر به سوختن آهن در نقطه معیوب و جوش خوردن لمینیت‌ها بهم می‌شود.
تعویض هادی معیوب ممکن است خیلی سخت نباشد، اما آسیب به هسته را نمی‌توان نادیده گرفت، زیرا لایه‌های ذوب‌شده می‌توانند باعث گرمایش موضعی شوند. در موارد شدید ممکن است نیاز به جداسازی و بازسازی هسته باشد که فرآیندی طولانی و پرهزینه است. برای کاهش احتمال آسیب، جریان خطا معمولاً با ارت کردن نقطه خنثی ژنراتور از طریق یک مقاومت، راکتور یا ترانسفورماتور محدود می‌شود.
——————————
3- اتصال زمین
اتصال زمین توسط مقاومت
اتصال زمین توسط راکتورها غیرمعمول است و اتصال زمین توسط ترانسفورماتور معمولاً به ماشین‌های بزرگ محدود می‌شود. در یک سیستم صنعتی، ژنراتور که معمولاً بطور مستقیم بدون ترانسفورماتور به سیستم قدرت متصل می‌شود، توسط مقاومتی به زمین متصل‌می‌شود. که مقدار نسبتاً کمی دارد (معمولاً جریان خطای زمین بین 50 تا 200 درصد جریان نامی محدود می‌شود).
در مواردی که ژنراتور از طریق ترانسفورماتور به سیستم توزیع متصل می‌شود، از مقاومتی که برای اجازه دادن جریان خطای زمین حدود 300 A طراحی شده‌است صرف نظر از درجه بندی ژنراتور، استفاده‌می‌شود.
اتصال زمین توسط ترانسفورماتور
روش دیگر برای اتصال به زمین، محدود کردن جریان به سطحی است که سوختن به راحتی رخ نمی‌دهد. این سطح جریان برابر با 5 A درنظر گرفته‌شده‌است و برای دستیابی به این مقدار از ترانسفورماتورهای امپدانس بالا استفاده می‌شود. البته، در ابتدا از ترانسفورماتورهای ولتاژ استفاده می‌شد که با چگالی شار نسبتاً کم کار می‌کردند، اما مشکلات اضافه ولتاژ ناشی از ظرفیت سیم‌پیچ‌های استاتور باعث استفاده از ترانسفورماتورهای توزیع گردید. از طرفی، سیم پیچ ثانویه با یک مقاومت بارگذاری می‌شود تا در شرایط خطای زمین حداکثر 5 A، جریان یابد.
خطاهای فاز به فاز بسیار کمتر از خطاهای زمین هستند و از آنجایی که به راحتی قابل تشخیص هستند، آسیب ایجاد شده را می‌توان با قطع سریع اتصال محدود کرد. از سوی دیگر، خطاهای interturn، که غیرمعمول نیز هستند، بسیار دشوارند و معمولاً تنها زمانی شناسایی و حذف می‌شوند که به یک خطای زمین تبدیل شوند.
——————————
4- حفاظت
حفاظت از استاتور
حفاظت دیفرانسیل، با استفاده از رله‌های امپدانس بالا برای حفاظت استاتور امری معمول است و به صورت فاز به فاز اعمال می‌شود. از آنجایی که ممکن‌است لید بین دو مجموعه ترانسفورماتور جریان طولانی باشد، مقاومت نسبتاً بالا خواهد بود، اما از آنجایی که حداکثر جریان عبوری کمتر از 10 برابر جریان بار کامل خواهد بود، می‌توان تنظیم ولتاژ نسبتاً پایینی را اعمال کرد.
علاوه بر این، ترانسفورماتورهای جریان مرتبط با ژنراتورها معمولاً دارای نسبت چرخش بالا و در نتیجه جریان مغناطیسی کم هستند. البته می‌بایست با استفاده از رله‌های امپدانس بالا با تنظیم 2 درصد به تنظیم کلی حدود 4 درصد رسید. تنظیم کلی با مقدار سیم پیچ ژنراتور که محافظت می‌شود، ارتباط مستقیم دارد. این را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:
حداکثر جریان خطا، مثلاً 5 x درجه CT.
تنظیم کلی حفاظت، مثلاً 4٪.
مقدار سیم پیچ محافظت‌شده 99.2% = (5 / 4%) – 100%
این برای یک خطای فاز به فاز است. برای یک خطای زمین که در آن جریان به مقدار بار کامل محدود می‌شود، تنها 96٪ از سیم پیچ محافظت می‌شود. البته در واقعیت، کمی کمتر است زیرا جریان بار کامل ژنراتور معمولا کمتر از درجه CT است. اگر تنظیم ولتاژ مورد نیاز به دلیل، مثلاً، لید‌های طولانی CT، بالا باشد یا اگر جریان مغناطیسی CT بالا باشد، ممکن است تنظیم کلی جریان بسیار بیشتر از 4٪ باشد. این بدان معنی است که مقدار سیم پیچ ژنراتور محافظت‌شده نیز ممکن است به حد غیرقابل قبولی برای خطاهای زمین کاهش یابد.
در این حالت یک رله دیفرانسیل بایاس، موقعیت را کاهش می‌دهد. استفاده از رله بایاس به این معنی است که امپدانس مدار رله-سیم پیچ را می‌توان به حدود یک بیستم امپدانس سیم پیچ رله در طرح بدون بایاس کاهش داد. این به طور طبیعی تنظیم ولتاژ و جریان مغناطیسی CT را در هنگام تنظیمات، کاهش می‌دهد. طرح دیفرانسیل بایاس در شکل نشان داده‌شده‌است. مقدار مقاومت تثبیت کننده Rs را می‌توان بصورت زیر محاسبه کرد:
Rs = (RCT + RL + 0.5RB) / B
که در آن B نسبت چرخش سیم پیچ بایاس به چرخش سیم پیچ است و به عنوان نسبت بایاس شناخته‌می‌شود و RB مقاومت سیم پیچ بایاس می‌باشد.
حفاظت از خطای زمین
هنگامیکه حداکثر جریان خطای زمین به کسری از درجه بندی ژنراتور محدود می‌شود، حفاظت از خطای زمین برای تکمیل طرح حفاظت دیفرانسیل ضروری است. این حفاظت در برابر خطای زمین اغلب شامل یک رله لحظه‌ای با تنظیم 10% تا 20% و رله IDMT با تنظیم 5% تا 10% می باشد. هر دو رله باید به یک ترانسفورماتور جریان ساده با نسبت جریان اولیه برابر با مقاومت ارت متصل شوند. خطاهای زمین در 90 تا 95 درصد، سیم پیچ ژنراتور تشخیص داده‌می‌شود، اگرچه حداکثر جریان خطای زمین ممکن است تا 5 درصد از درجه بندی ژنراتور کمتر باشد.
حتی در مواردی که انتظار می‌رود طرح حفاظت دیفرانسیل اصلی، حفاظت کافی را برای خطاهای زمین فراهم کند. یک رله IDMT، متصل به ترانسفورماتور جریان، در اتصال زمین خنثی ژنراتور، برای ارائه حفاظت پشتیبان استفاده‌می‌شود. در جایی که ژنراتور مستقیماً به سیستم قدرت متصل است (یعنی بدون حضور ترانسفورماتور ژنراتور)، این رله حفاظت پشتیبان را برای شین‌ها و کل سیستم فراهم می‌کند. که البته در این صورت باید تاخیر زیادی داشته‌باشد و باید به عنوان آخرین خط دفاعی در نظر گرفته‌شود.
حفاظت روتور در برابر خطای زمین
به طور معمول سیستم میدانی یک ژنراتور، به زمین متصل نیست و بنابراین خطای زمین هیچ جریانی به زمین نمی‌دهد و شرایط خطرناکی را ایجاد نمی‌کند. اگر یک خطای زمین دوم رخ دهد، بخشی از سیم پیچ میدان ممکن است اتصال کوتاه شود و در نتیجه کشش مغناطیسی نامتعادل روی روتور ایجاد کند. این نیرو می‌تواند باعث فشار بیش از حد بر یاتاقان‌ها و در نتیجه خرابی یا حتی جابجایی روتور به اندازه‌ای باشد که باعث رسوب استاتور شود. گرمای بیش از حد در روتور می‌تواند باعث تغییر شکل سیم پیچ شود و در نتیجه آن، اتصال کوتاه ایجاد شود.
بطور کلی، از دو روش اصلی برای تشخیص خطاهای زمین در مدار روتور استفاده‌می‌شود.
در روش اول، یک پتانسیومتر با مقاومت بالا در سراسر مدار روتور که نقطه مرکزی آن از طریق یک رله حساس به زمین متصل است، وصل می‌شود. این رله به خطاهای زمین که بیشتر در مدار روتور رخ می‌دهد، پاسخ می‌دهد. با این حال، یک نقطه کور در نقطه مرکزی سیم پیچ میدان وجود دارد که پتانسیل یکسانی با نقطه میانی پتانسیومتر دارد. این نقطه کور را می‌توان با ترتیب‌دادن یک سوئیچ ضربه‌ای بررسی‌کرد که هنگام کار، نقطه زمین را از نقطه وسط پتانسیومتر به یک نقطه در سمت دیگر تغییردهد. کلید ضربه‌زدن را نیز می‌توان بر روی صفحه کنترل نصب کرد و عملیات بازرسی را در فواصل زمانی مناسب انجام داد.
یک روش جایگزین که از یک نقطه کور جلوگیری می‌کند شامل بایاس کردن مدار میدان نسبت به زمین با استفاده از یک واحد یکسو کننده ترانسفورماتور ساده است که در شکل نشان داده‌شده‌است. این واحد، میان میله مثبت سیستم میدان و زمین و از طریق یک رله با مقاومت بالا متصل می‌شود. میله مثبت سیستم میدان حدود 30 ولت منفی به زمین بایاس است و بنابراین بخش‌های باقی مانده از مدار میدان به نسبت منفی‌تر هستند. خطای رخ‌داده در هر نقطه از سیستم میدان، ولتاژی را به رله اعمال‌می‌کند که برای ایجاد عملکرد کافی است، و جریان خطا به مقدار کم توسط مقاومت رله محدود‌می‌شود.
معمولاً از رله برای زنگ هشدار استفاده می‌شود.
——————————
5- شرایط عملیاتی نامطلوب
این شرایط به طور کلی نیاز به قطع اتصال فوری ندارند و می توان گفت.که در یک سایت حضوری، اپراتور می‌تواند اقدامات لازم را برای رفع این شرایط انجام دهد.
بدون شک این امر در برخی موارد امکان پذیر است اما به هیچ وجه نباید براین اساس از تدابیر حفاظتی صرف نظر کرد.
بارگذاری نامتعادل
بارگذاری نامتعادل فازهای ژنراتور منجر به تولید جریان‌های توالی فاز منفی (NPS) می‌شود.
این جریان‌ها که دارای چرخش فاز در جهت مخالف چرخش فاز معمولی هستند،.میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که جریان‌هایی را در روتور با فرکانس دو برابر سیستم القا می‌کند؛
که باعث گرمای قابل توجهی در روتور می‌شود و در صورت تداوم باعث آسیب می‌شود.
هر ژنراتور دارای توالی فاز منفی است که می‌تواند به طور مداوم و بدون آسیب وجود داشته‌باشد و بصورت I2t = 20 محاسبه می‌شود که I پریونیت جریان NPS، و t زمان بر حسب ثانیه است. در واقع، زمان، طولانی‌تر از مقدار محاسبه‌شده است، زیرا مقداری اتلاف گرما وجود خواهد داشت. مقدار I^2*t اتلاف گرما را فرض نمی‌کند و بنابراین هر چه زمان طولانی‌تر باشد، نتیجه نادرست‌تر است. تعیین جریان توالی فاز منفی واقعی از طریق آمپرمترهای اندازه گیری جریان بار در هر فاز کاری دشوار است.
رله‌های تشخیص وضعیت معمولاً دارای یک مشخصه IDMT هستند که با مقدار I^2*t مطابقت دارد.
رله به شبکه ای متصل است که جریان های فاز مثبت و منفی را از هم جدا می‌کند. اساس شبکه، تولید یک شیفت فاز 60 درجه در برخی از اجزای جریان فاز است، به طوری که وقتی چرخش فاز، مثبت است (یعنی r، y، b، r) جریان خالص در رله صفر شود. هنگامی که چرخش فاز منفی است (یعنی r، b، y، r)، نسبتی از جریان در رله گردش یابد.
هر جریانی که در خنثی ژنراتور گردش داشته‌باشد به عنوان جریان توالی صفر شناخته می‌شود.و اگر قرار است شبکه به درستی کار کند، باید حذف شود.
هنگامیکه ژنراتور از طریق یک ترانسفورماتور مثلث/ستاره به سیستم متصل می‌شود،
هر جریان توالی صفر نشان می‌دهد که در مدار ژنراتور نقصی وجود دارد و این با حفاظت در برابر خطای زمین برطرف می‌شود.
اگر ژنراتور مستقیماً متصل باشد، با اتصال ترانسفورماتورهای جریانی که شبکه NPS را تغذیه می‌کنند، توالی صفر حذف می‌شود.
در این مورد تنظیم رله مربوط به جریان CT x 1.73 است. گاهی اوقات تمایلی به اعمال حفاظت NPS وجود ندارد،
زیرا همه ژنراتورها مشمول شرایط یکسانی خواهند بود و می‌تواند منجر به خاموش‌شدن همه ژنراتورها در یک زمان شود.
یک هشدار اولیه از وضعیت می‌تواند توسط یک رله لحظه ای متصل به شبکه NPS.برای ارائه زنگ هشدار پس از یک تاخیر زمانی ثابت کوتاه، ارائه شود.
مرجع
Book- Protection of Industrial Power Systems
مطالب مرتبط