Защита генератора – типы неисправностей и защитные устройства

Типы неисправностей генераторов и устройства защиты

Распространенные ошибки генератора

Ошибки генератора обычно подразделяются на внутренние и внешние ошибки; внутренние ошибки вызваны проблемами в компонентах генератора и внешние ошибки вызваны аномальными условиями работы и неисправностями во внешних сетях .

Ошибки на основном двигателе (Первичный двигатель – это компонент, который используется для приведения в действие генератора. и могут быть двигатели внутреннего сгорания (в случае дизель-генераторных установок), газовые турбины, паровые турбины, ветряные турбины и гидравлические турбины) и сопутствующие системы не будут обсуждаться, так как они обычно определяются на этапе механического проектирования оборудования.

Однако они должны быть интегрированы в защиту генератора для отключения.

Типы внутренних неисправностей генератора

Внутренние неисправности могут быть электрическими или механическими

1.Неисправности статора

• Перегрев обмоток
• Междуфазное замыкание обмоток
• Замыкание фазы на землю обмоток
• Межвитковая неисправность

2. Неисправности ротора

• Замыкание на землю
• Короткое замыкание обмотки (обмоточный ротор )
• Перегрев

3.Потеря поля/возбуждение (В поле в генераторе переменного тока состоит из катушек проводников внутри генератора, которые получают напряжение от источника (так называемое возбуждение). ) и создают магнитный поток).

4. Генератор выходит из строя

5. Работа двигателя

6. Перегрев подшипников и недостаточное давление смазочного масла

7. Вибрация

Перегрев статорных обмоток может быть вызвано постоянными перегрузками и межфазные замыкания и замыкания на землю из-за пробоя изоляции .

Короткое замыкание обмотки ротора приводит к увеличению тока возбуждения и уменьшению напряжения возбуждения .

Перегрев ротора является следствием несбалансированных токов в статоре , из-за:

• Однополюсное отключение
• Неисправность обмотки статора
• Отрицательная последовательность фаз

Отрицательная последовательность фаз и несбалансированные токи в токах статора и создает поток арматуры вращается в направлении, противоположном ротору , вызывая вихревые токи в массе ротора .

Эти вихревые потоки , которые в дважды системная частота (50 Гц или 60 Гц ), вызовет локальный перегрев на периферии ротора это может привести к ослаблению удерживающих клиньев и колец ротора .

Когда генератор теряет возбуждение (или поле ), реактивная мощность поступает из энергосистемы в генератор . Затем генератор теряет синхронность. и работает как асинхронный генератор со скоростью выше синхронной .

Выше синхронной скорости ротор начнет колебаться в попытке синхронизироваться , что приводит к перегреву и другим повреждениям . Пока система стабильна , реактивная мощность (МВар ) будет поступать в генератор, а машина будет продолжать вырабатывать активную мощность. (МВт ).

Работа двигателя генератора может произойти, когда подача пара или воды к турбине не удается и генераторы получает питание от электрической системы .

В паровых турбинах пар действует как хладагент , поддержание постоянной температуры лопастей . Сбой подачи пара может вызвать перегрев лезвий . На некоторых машинах подъем температуры очень низкий и автомобилестроение можно терпеть в течение значительного времени .

Гидравлическая турбина будет иметь кавитацию (образование, а затем немедленный взрыв полостей в жидкости – небольшие зоны без жидкости («пузыри “) – которые являются следствием сил, действующих на жидкость ).

Обычно это происходит, когда жидкость подвергается резким изменениям давления. которые вызывают образование полостей при относительно низком давлении .

Кавитация является серьезной причиной износа . При входе в зоны высокого давления , кавитационные пузырьки, взрывающиеся на металлической поверхности вызвать циклический стресс из-за многократного взрыва , что приводит к поверхностной усталости металла .

• Похожая статья: Все о системах электрозащиты, устройствах и узлах

Типы внешних неисправностей генератора

Неисправности внешней системы питания и ненормальные условия работы являются:

• Внешнее короткое замыкание
• Несинхронное подключение генератора
• Несовпадение (смещение полюсов или потеря синхронизации)
• Перегрузки
• Превышение скорости
• Небаланс фаз и обратная последовательность фаз
• Меньше и больше частоты
• Пониженное и повышенное напряжение

неустраненная или медленная ошибка очистки в сетевой системе может вызывать генераторы чтобы начать скользить по шестам или перейти не в ногу ” с остальной частью системы .

Такое условие нежелателен потому что на вал воздействуют вредные механические нагрузки , а также сильные перепады мощности оказывать возмущающее воздействие на напряжение в энергосистеме .

Нарушение синхронизма может быть вызвано внешним коротким замыканием, отключением важной индуктивной нагрузки или неисправностью в системе возбуждения .

Избыточная скорость является следствием внезапного отключения всей нагрузки или значительное снижение нагрузки .

Устройства защиты генератора

Генераторы — самое дорогое оборудование в энергосистемах. Для защиты генераторов переменного и постоянного тока от возникающих в них неисправностей используются следующие устройства.

• Защита статора от замыканий на землю (междуфазные обмотки статора и защита статора от замыканий на землю или замыканий на землю с помощью дифференциального реле)
• Защита ротора от замыкания на землю
• Защита от несбалансированной нагрузки статора (потеря защиты возбуждения и изменение потока реактивной мощности)
• Защита от перегрева статора (защита статорных обмоток и подшипников от перегрева и защита от обратной последовательности фаз)
• Защита от потери работы котла
• Защита от отказа первичного двигателя и турбины (защита от дисбаланса фаз статора)
• Защита от превышения скорости и перевозбуждения (насыщение ядра из-за перевозбуждения)
• Нарушение изоляции
• Защита от отказа смазочного масла
• Защита от низкого вакуума
• Защита от вибрации и защита от понижения и повышения частоты
• Резервная защита генератора
• Защита от искажения ротора и дополнительная защита от пуска фазы
• Защита от внешних коротких замыканий
• Защита от разностного расширения между неподвижной и вращающейся частями генератора
• Защита от обратной мощности и защита от отрицательного потока мощности

Надежные схемы релейной защиты необходимы для быстрого обнаружения и устранения неисправностей генератора. чтобы свести к минимуму ущерб и сократить время ремонта до минимума .

Защита от междуфазных замыканий обмоток статора осуществляется через дифференциальное реле , принцип которого ранее обсуждался в других разделах. Это защитное устройство не может обнаруживать межвитковые замыкания обмоток .

При таком типе ошибки происходит падение фазного напряжения и появляется напряжение нулевой последовательности; это напряжение определяется реле напряжения (код ANSI/IEEE/IEC 60 ) подключен к VT .

Замыкания статора на землю защита зависит заземления статора . Для резистивной системы заземления реле максимального тока подключен к кольцевому трансформатору тока внутри нейтрального соединения или реле напряжения на терминалах сопротивления можно использовать.

При нормальных здоровых условиях ток не протекает через сопротивление и напряжение на клеммах равно нулю .

Для заземления через трансформатор реле напряжения проверка напряжения на сопротивлении, подключенном к вторичной обмотке трансформатора используется.

При нормальных здоровых условиях заземляющий трансформатор отсутствует вторичное напряжение , и на реле не подается напряжение . При замыкании статора на землю , на клеммах вторичной обмотки заземляющего трансформатора возникает напряжение , и срабатывает реле напряжения .

На рис. 1 показано типичное подключение для дифференциальной защиты статора и защиты от замыканий на землю.

Короткое замыкание обмотки ротора защищены реле максимального тока .

Обмотки ротора могут быть повреждены замыканием на землю.

Ротор или обмотка возбуждения на больших тепловых генераторах не заземлен , поэтому одиночное замыкание на землю не приводит к возникновению тока замыкания .

одиночное замыкание на землю , однако, повышает потенциал всей системы поля и возбудителя , а также дополнительное напряжение, вызванное размыканием выключателя возбуждения или главного выключателя генератора. , особенно в условиях неисправности , может усилить стресс на землю в поле , когда статор переходные вызвать дополнительный напряжение в обмотках возбуждения . Это дополнительное напряжение может вызвать вторую неисправность обмотки возбуждения .

Еще вторая ошибка г может вызвать локальный нагрев утюга, который может деформировать ротора, вызывая опасный дисбаланс.

Защита ротора от замыканий на землю может быть обеспечен реле, которое управляет изоляцией ротора, подавая на ротор вспомогательное переменное напряжение или реле напряжения, соединенное последовательно с высоким сопротивлением (комбинация линейных и нелинейных резисторов является распространенным методом, используемым в настоящее время ) подключен через цепь ротора , центральная точка из которых соединен с землей через катушку чувствительного реле (код ANSI/IEEE/IEC 64).

Современная техника требует использования комбинирования линейные и нелинейные резисторы .

На рис. 2 показан пример ротора защита от замыкания на землю .

Потеря защиты поля использует реле который обнаруживает изменение потока реактивной мощности. Типичная защита от потери возбуждения схема использует Offset Mho (импеданс ) реле для измерения сопротивления нагрузки генератора .

Смещение Мхо реле импеданса является однофазным реле , и питается от генератора CT и ВТ . Потеря полевого ретранслятора будет работать, если значение импеданса нагрузки находится в пределах рабочей характеристики реле г.

реле времени включается, чтобы инициировать отключение машины, если состояние опережающей реактивной мощности сохраняется в течение 1 с (типичный ).

Чтобы предотвратить насыщение ядра из-за перевозбуждения во время запуска и выключения защита от перевозбуждения (код ANSI/IEEE/IEC 59) используется.

Перевозбуждение можно объяснить следующим уравнением:

B =V / f

Где B – плотность магнитного потока. или магнитная индукция или поток ядра (единица измерения:тесла – T ), В подаваемое напряжение (единица измерения:вольт – В ) и f частота (единица измерения:гец – Гц ).

Для основного потока оставаться ниже точки насыщения , напряжение генератора может увеличиваться только при увеличении частоты (или скорости) .

Если возбуждение увеличивается слишком быстро , то это состояние перевозбуждения должен быть обнаружен , и выключатель поля сработал .

Перевозбуждение схемы защиты используют Вольт на Герц реле .

Эти реле имеют линейную характеристику. , и сработает, если напряжение, деленное на частоту, превысит установленное значение .

Защита статорных обмоток и подшипников от перегрева обычно выполняется RTD и ттермистор следить за температурой .

Защита от асимметрии фаз статора обычно используется реле максимального тока с инверсией времени , который установлен в соответствии с максимальное время, в течение которого ротор может выдержать такой перегрев .

Функция генератора защита от обратной последовательности фаз заключается в защите машины от перегрева эффектов, а именно на роторе , которые возникают в результате несбалансированности фазных токов статора .

Эта защита использует реле который сравнивает ток двух фаз через ТТ , как показано на рис. 3.

Защита настроены в соответствии с максимальным временем выдержки ротора при таком перегреве и время определяется уравнением K =I ² т (на основе закона Джоуля ).

Обычные кривые для этого условия показано зависит от основного двигателя и указаны производителем .

Защита от обратного питания (код ANSI/IEEE/IEC 32) использует реле направления мощности. отслеживать нагрузка генератора; реле питается от генератора ТТ и ТН как показано на рис. 4, и будет работать когда обнаружен любой отрицательный поток мощности .

Защита от ошибок обнаруживает условие вызвано нарушениями в энергосистеме, а не неисправностями генератора . защита определяет состояние, когда генератор проскальзывает на своем первом полюсе , и вызывает отключение выключателей генератора .

турбина не отключен позволяя машине быть повторно синхронизированной после сбоя системы .

Эту защиту можно считать дополнительной к защите от потери возбуждения.

Несоответствие условие происходит с генератором в полном поле и потеря синхронизма из-за недовозбуждения происходит, когда генератор не имеет поля .

Защита от ошибок использует три реле измерения импеданса . Эти ретрансляторы питаются от генератора CT и VT и измерьте генератор сопротивление нагрузки , обнаруживая состояние скачков мощности если три реле работают в правильной последовательности и будет инициировать отключение высоковольтных автоматических выключателей .

Для внешних коротких замыканий реле максимального тока используются (50; 50Н; 51; 51Н ).

Защита от пониженной и повышенной частоты (Код ANSI/IEEE/IEC 81 ) также обнаруживает системные помехи, а не неисправности генератора. Крупный сбой энергосистемы может привести к избыточной или недостаточной генерирующей мощности для оставшейся подключенной нагрузки .

В первом случае , чрезмерная частота , с возможным перенапряжением результаты из-за снижения потребности в нагрузке . Работа в этом режиме не приведет к перегреву если не указана номинальная мощность и приблизительно 105 % номинальное напряжение превышены .

Управление генератором должно быть быстро отрегулировано, чтобы выходная мощность генератора соответствовала требованиям нагрузки .

С недостаточной генерацией для подключенной нагрузки , недостаточная частота является результатом высокой нагрузки .

падение напряжения вызывает регулятор напряжения чтобы увеличить возбуждение . В результате перегрев может происходить как в роторе, так и в статоре . Одновременно , требуется больше мощности , при этом генератор менее способен обеспечить его на затухающей частоте .

Сброс нагрузки системы автоматической или ручной трансмиссии должен в идеале регулировать нагрузку в соответствии с подключенной генерацией до того, как произойдет полный коллапс энергосистемы.

Реле максимального и минимального напряжения (коды ANSI/IEEE/IEC 59 и 27 ) используются для управления напряжением .

Фазовая дополнительная защита запуска предоставляется для обнаружения состояния где есть ошибка когда генератор разгоняется до предела . Генераторы, конечно же, не должны запускаться под нагрузкой или в условиях отказа.

Чтобы предотвратить это, схема защиты n используется, который переключает в сервисные реле максимального тока с низкой уставкой ТОЛЬКО если частота ниже 52 Гц на частоте 60 Гц энергетические системы и 42 Гц на 50 Гц системы .

Сегодня СВУ (см. Раздел 2.1), которые группируют все необходимые функции защиты обычно используются для защиты генератора .

Об авторе:Мануэль Болотинья

- Степень лиценциата в области электротехники – Энергетика и энергетические системы (1974 г. – Instituto Superior Técnico/Лиссабонский университет)
– Степень магистра электротехники и вычислительной техники (2017 г. – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
– Старший консультант по подстанциям и энергосистемам; Профессиональный инструктор