حفاظت ژنراتور

‌در این برگه به ادامه بررسی‌ها در مورد حفاظت ژنراتور می‌پردازیم. پس با ما همراه باشید.

حفاظت در برابر اضافه جریان

رله IDMT عموماً به عنوان حفاظت پشتیبان استفاده‌می‌شود، اما عملکرد آن به دلیل کاهش جریان در ژنراتور در شرایط خطا، پیچیده است. در برخی موارد تنظیماتی انتخاب می‌شود که رله برای خطای سیستم عمل نمی‌کند، و تنها زمانی پاسخ می‌دهد که جریان خطا به ژنراتور وارد شود، به این ترتیب، تنها به عنوان پشتیبان حفاظت از ژنراتور اصلی عمل می‌کند. در اکثر تاسیسات صنعتی، رله باید به عنوان پشتیبان حفاظت سیستم عمل کند و تنظیمات باید برای اطمینان از عملکرد مثبت انتخاب شوند.

عملکرد رله‌های IDMT تحت شرایط کاهش ژنراتور را می‌توان با تقسیم منحنی کاهش به تعدادی ناحیه عرض، مثلاً 0.1 ثانیه، محاسبه کرد. حد متوسط ،سطح جریان است که به مضربی از تنظیمات رله تبدیل می‌شود و زمان حرکت کامل تعیین می‌شود:

t1 = 3/ logM

x = 0.1 / t1 = 0.1logM/ t1

به این مقدار x محاسبه‌شده از مضرب جریان در اواسط مختصات بعدی اضافه‌می‌شود و به همین ترتیب تا رسیدن به زمان مورد نیاز ادامه می‌یابد. زمان کل برابر با تنظیم ضریب زمان مورد نیاز برای انجام عملیات رله در زمان مورد نیاز خواهد بود. شکل زیر منحنی کاهش جریان یک ژنراتور معمولی بدون بار را قبل از خطا نشان می‌دهد. در لحظه t=0 منحنی در بالاترین قسمت نمودار قرار دارد و پس از 1s به پایینترین سطح تنظیم رله کاهش می‌یابد. با تنظیم ضریب زمان 0.1 ، رله، آن مسافت را در 0.6 تا 0.7 ثانیه طی خواهد کرد.

مشکل در این کاربرد، از تغییر در کاهش جریان، بسته به شرایط ژنراتور قبل از خطا ناشی می‌شود. از حالت بدون بار، جریان به کمتر از جریان بار کامل کاهش می‌یابد، در حالی که از شرایط بار کامل، جریان نهایی بیشتر از جریان بار کامل خواهد بود، زیرا جریان میدان بیشتر است. حالت اول در صورت وجود یک تنظیم کننده ولتاژ، اصلاح می‌شود، زیرا این کار باعث تقویت میدان با افزایش جریان نهایی می‌شود. این تأثیر زیادی روی رله خواهد داشت؛ بنابراین یک رله IDMT معمولی به طور کلی رضایت بخش نیست.

با این حال، این روش می‌تواند برای تعیین تنظیمات رله IDMT فیدر و ترانسفورماتور در سیستم‌های شینه محدود استفاده شود.  جریان ممکن است به سطحی کاهش یابد که برای قطع رله اضافه جریان کافی نباشد. در این شرایط لازم است رله ای تهیه شود که نه تنها به جریان، بلکه به سطح ولتاژ نیز پاسخ دهد. در این حالت، رله IDMT با تنظیمی بسیار کمتر از جریان بار کامل ژنراتور، دارای یک ویژگی اضافه شده‌است که در صورت وجود ولتاژ کامل سیستم، تنظیمات را به بالاتر از جریان بار کامل افزایش می‌دهد. به این معنی که جریان بار کامل می‌تواند بدون عملیات رله، در شرایط عادی که ولتاژ وجود دارد، گردش یابد. در حالی که خطا، ولتاژ را حذف می‌کند تا رله بتواند تنظیمات کمتری را در نظر بگیرد.

——————————

اضافه بار

حفاظت اضافه بار عموماً برای ماشین‌های تحت نظارت مداوم ارائه نمی‌شود، اما در ماشین‌های بزرگ، دماسنج‌های مقاومتی یا ترموکوپل‌هایی در سیم‌پیچ استاتور تعبیه می‌شوند. اگرچه گاورنرها MW را محدود می‌کنند، اما احتمال اضافه بار از نظر MVA وجود دارد، و ممکن است  AVR باعث شود دستگاه سهم نامتناسبی از MVAr را تحویل دهد. در مواردی که قرار است حفاظت اضافه بار ارائه شود، احتمالاً از نوع حرارتی با ویژگی‌هایی مطابق با ظرفیت حرارتی ژنراتور استفاده‌می‌شود. رله‌های اضافه بار و اضافه جریان نباید اشتباه گرفته‌شوند، زیرا عملکردهای کاملا متفاوتی را انجام می‌دهند. یک رله اضافه بار در محدوده صدها تا هزاران ثانیه کار می‌کند در حالی که یک رله اضافه جریان در محدوده یک تا ده ثانیه کار می‌کند.

——————————

خرابی محرک اولیه

در صورت خرابی محرک اولیه، ژنراتور به عنوان یک موتور سنکرون، همچنان به کار خود ادامه می‌دهد و این می‌تواند شرایط خطرناکی را در محرک اصلی ایجاد کند. در یک توربین بخار، تلاطم بخار در توربین باعث افزایش دما می‌شود که می‌تواند به سرعت در مجموعه‌های خروجی به نسبت‌های جدی برسد. درمجموعه‌های متراکم، افزایش دما به این سرعت نیست و بنابراین اقدامات فوری کمتری مورد نیاز است. در مجموعه‌های موتوری، از دست‌دادن نیروی محرکه احتمالاً به دلیل خرابی مکانیکی است و ادامه کار با این شرایط احتمالاً باعث آسیب می‌شود. توربین‌های گازی معمولاً ژنراتور را از طریق گیربکس به حرکت در می‌آورند و بنابراین اگر گیربکس از سمت ژنراتور حرکت کند، سایش شیار و گرم شدن بیش از حد بوجود می‌آید.

ماشین، به عنوان یک موتور سنکرون، از سیستم برق می‌گیرد و از آنجاییکه این توان معکوس است، توسط محافظ تشخیص داده‌می‌شود. توان مورد نیاز معمولاً کم است و ضریب توان می‌تواند بسیار کم، پیشرو و یا پسرو باشد. این بدان معنی است که رله توان معکوس باید به مقدار کم توان، زمانی که MVAr بالا است، پاسخ دهد. در نتیجه باید حساس باشد و فقط یک خطای زاویه فاز کوچک داشته باشد. برای متعادل کردن توان در سه فاز از رله تک عنصری استفاده می‌شود. این رله به همراه یک رله تأخیر زمانی برای جلوگیری از عملکرد در هنگام نوسانات برق و همگام سازی استفاده می‌شود.

——————————

از دست دادن میدان

خرابی سیستم میدان منجر به شتاب روتور به بیش از سرعت سنکرون می‌شود که در آن به تولید برق به عنوان یک ژنراتور القایی ادامه می‌دهد و شار توسط یک جزء بزرگ مغناطیسی که از سیستم گرفته‌می‌شود، فراهم می‌شود. این شرایط را می‌توان برای مدت کوتاهی تحمل کرد، اما به وضوح به دلیل جریان‌های فرکانس لغزشی که گردش دارند، گرمایش روتور افزایش می‌یابد. از دست دادن میدان را می‌توان با یک رله تحت جریان ساده در مدار میدان تشخیص داد. در صورت استفاده از نیروی میدان، باید تنظیماتی کمتر از حداقل جریان میدان، و تاخیر زمانی داشته باشد. از این رو، رله تأخیر زمانی نیز مورد نیاز است؛ زیرا رله تحت جریان ممکن است به مدار فرکانس – لغزش در مدار میدان پاسخ دهد. این رله دارای یک برداشت آنی و یک افت با تأخیر زمانی برای حفظ مدار است.

روش به روزتر تشخیص از دست‌دادن میدان در a.c سمت ژنراتور با مقایسه ولتاژ و جریان استاتور انجام‌می‌شود. همچنین، می‌توان از یک رله اندازه گیری توان راکتیو (MVAr) و یا یک رله امپدانس که مشخصات آن در شکل نشان داده‌شده‌است، استفاده کرد. همانطور که در عملکرد عادی مشاهده می‌شود، امپدانس ظاهری که توسط ولتاژ و جریان استاتور اندازه‌گیری می‌شود، به خوبی از ناحیه قطع فاصله دارد. هنگام از دست‌دادن میدان، بردار امپدانس به منطقه عملیاتی حرکت می‌کند.

——————————

سرعت بیش از حد

سرعت، توسط گاورنر کنترل می‌شود و ثابت است؛ زیرا ژنراتور بصورت موازی با سایر تجهیزات در یک سیستم یکپارچه قرار دارد. اگر مدارشکن قطع شود، مجموعه شروع به شتاب می‌کند. اگرچه، گاورنر برای جلوگیری از افزایش سرعت طراحی شده‌است، اما یک کلید گریز از مرکز برای بستن شیر بخار ترتیب داده‌شده‌است.

با این حال، هنوز این خطر وجود دارد که دریچه بخار به طور کامل بسته‌نشود، که در این حالت یک شکاف کوچک می‌تواند باعث افزایش سرعت شود. بنابراین، در مواردی که نیاز به خاموش شدن فوری نیست، معمولاً قبل از خاموش کردن مدارشکن، خروجی برق را تا حدود 1% کاهش می‌دهند. در این حالت، از یک رله حساس کم توان برای تشخیص اینکه چه زمانی به این مقدار رسیده‌است، استفاده‌می‌شود.

——————————

اضافه ولتاژ

ولتاژ به طور کلی توسط یک تنظیم کننده ولتاژ با سرعت بالا کنترل می‌شود و از این رو، اضافه ولتاژ نباید رخ دهد. حفاظت از اضافه ولتاژ به طور کلی برای ماشین‌های تحت نظارت مداوم ارائه نمی‌شود. در ماشین‌های بدون مراقبت، یک رله لحظه‌ای با تنظیمات مثلاً 150%، برای رفع نقص عملکرد رگولاتور ولتاژ استفاده‌می‌شود.

——————————

حفاظت از واحدهای ژنراتور/ترانسفورماتور

هنگامی که یک ژنراتور با استفاده از ترانسفورماتور ژنراتور به سیستم قدرت متصل می‌شود، معمولاً ژنراتور و ترانسفورماتور به عنوان یک واحد با استفاده از حفاظت دیفرانسیل بایاس، محافظت می‌شوند. تعادل ترانسفورماتور جریان بر حسب فاز و بزرگی تولید می‌شود. در آرایش نشان داده‌شده در شکل، یک تغییر فاز کلی 30 درجه وجود دارد که با اتصال مجموعه‌ای از ترانسفورماتورهای جریان کمکی در مثلث، اصلاح می‌شود. به دلیل تفاوت در نسبت ترانسفورماتور جریان، تنظیمات حفاظت ترانسفورماتور ژنراتور باید تا حدودی بالاتر از تنظیمات حفاظت ژنراتور باشد. به همین دلیل گاهی ژنراتور به طور جداگانه محافظت می‌شود، اما همچنین به عنوان یک بیمه اضافی در محدوده حفاظت ژنراتور-ترانسفورماتور قرار می‌گیرد.

ترانسفورماتور مستقیماً به ژنراتور متصل می‌شود و بنابراین هیچ مدار مهار هارمونیک در حفاظت مورد نیاز نیست، زیرا ممکن نیست سوئیچینگی رخ دهد. هنگام بازگرداندن ولتاژ از افت فشار، سطح جریان هجومی مغناطیسی پایینی به دنبال یک خطا وجود دارد، اما این مسئله معمولاً برای عدم تعادل حفاظت کافی نیست. شکل زیر یک سیستم حفاظتی کامل برای یک ژنراتور را نشان می‌دهد.

 

مرجع

  Book- Protection of Industrial Power Systems

مطالب مرتبط

حفاظت ژنراتور – بخش اول

نکات مهم در انتخاب دیزل ژنراتور

رله‌های حفاظتی در سیستم قدرت