Generatorschutz – Arten von Fehlern und Schutzvorrichtungen

Arten von Generatorfehlern und Schutzvorrichtungen

Häufige Generatorfehler

Generatorfehler werden üblicherweise in innere und äußere Fehler eingeteilt; interne Fehler sind auf Probleme innerhalb der Generatorkomponenten zurückzuführen und externe Fehler sind auf anormale Betriebsbedingungen und Fehler in externen Netzwerken zurückzuführen .

Fehler auf Prime Mover (Die Antriebsmaschine ist die Komponente, die verwendet wird, um den Generator anzutreiben und können Verbrennungsmotoren (im Fall von Dieselgeneratorsätzen), Gasturbinen, Dampfturbinen, Windturbinen und Wasserturbinen) und zugehörige Systeme sein werden nicht diskutiert, da sie normalerweise in der mechanischen Konstruktionsphase definiert werden der Ausrüstung.

Sie müssen jedoch für Auslösezwecke in den Generatorschutz integriert werden.

Arten von internen Fehlern in einem Generator

Interne Fehler können entweder elektrisch oder mechanisch sein

1.Statorfehler

• Überhitzung der Wicklungen
• Phase-zu-Phase-Fehler der Wicklungen
• Phase-Erde-Fehler der Wicklungen
• Fehler zwischen den Windungen

2. Rotorfehler

• Erdschluss
• Wicklungskurzschluss (gewickelter Rotor )
• Überhitzung

3.Feldverlust/Erregung (Das Feld in einem AC-Generator besteht aus Leiterspulen innerhalb des Generators, die eine Spannung von einer Quelle erhalten (genannt Erregung). ) und erzeugen einen magnetischen Fluss).

4. Generator außer Tritt

5. Motorbetrieb

6. Überhitzung der Lager und fehlender Schmieröldruck

7. Vibration

Überhitzung der Statorwicklungen kann durch permanente Überlastung verursacht werden und Leiter-zu-Leiter- und Erdfehler sind auf einen Isolationsschaden zurückzuführen .

Rotorwicklungskurzschluss führt zu einer Erhöhung des Erregerstroms und einer Verringerung der Erregerspannung .

Rotorüberhitzung ist eine Folge von unsymmetrischen Strömen am Stator , wegen:

• Einpolige Auslösung
• Statorwicklungsfehler
• Gegensystem

Negative Phasenfolge und unsymmetrische Ströme in den Statorströmen und erzeugt einen Ankerfluss dreht sich in entgegengesetzter Richtung zum Rotor , wodurch Wirbelströme in der Rotormasse induziert werden .

Diese Wirbelströme , die zweimal sind die Systemfrequenz (50 Hz oder 60 Hz ), führt zu lokaler Überhitzung am Umfang des Rotors das kann zu Schwächen in den Rotorhaltekeilen und -ringen führen .

Wenn ein Generator Erregung (oder Feld) verliert ), Blindleistung fließt vom Stromnetz in den Generator . Der Generator verliert dann den Gleichlauf und läuft als Induktionsgenerator, über Synchrondrehzahl .

Über synchroner Geschwindigkeit der Rotor beginnt zu oszillieren, um zu versuchen, den Synchronismus einzurasten , was zu Überhitzung und anderen Schäden führt . Solange das System stabil ist , Blindleistung (MVAr ) fließt in den Generator und die Maschine gibt weiterhin Wirkleistung ab (MW ).

Motorbetrieb des Generators kann bei der Dampf- oder Wasserversorgung der Turbine auftreten fehlschlägt und Generatoren zieht Strom aus dem Bordnetz .

In Dampfturbinen der Dampf wirkt als Kühlmittel , Halten der Klingen auf einer konstanten Temperatur . Ausfall der Dampfversorgung kann zur Überhitzung der Klingen führen . Bei manchen Maschinen ist der Temperaturanstieg sehr gering , und Autofahren kann für eine beträchtliche Zeit toleriert werden .

Hydraulische Turbine wird Kavitation haben (Bildung und dann sofortige Implosion von Hohlräumen in Flüssigkeit – kleine flüssigkeitsfreie Zonen („Blasen “) – die die Folge von Kräften sind, die auf die Flüssigkeit einwirken ).

Er tritt normalerweise auf, wenn eine Flüssigkeit schnellen Druckänderungen ausgesetzt wird die zur Bildung von Hohlräumen führen, wo der Druck relativ niedrig ist .

Kavitation ist eine wesentliche Verschleißursache . Beim Betreten von Hochdruckgebieten , Kavitationsblasen, die auf einer Metalloberfläche implodieren verursachen zyklischen Stress durch wiederholte Implosion , was zu einer Oberflächenermüdung des Metalls führt .

• Verwandter Beitrag: Alles über elektrische Schutzsysteme, -geräte und -einheiten

Arten von externen Fehlern in einem Generator

Fehler des externen Stromversorgungssystems und anormale Betriebsbedingungen sind:

• Externe Kurzschlussfehler
• Nicht synchronisierter Anschluss des Generators
• Außer Tritt (Rutschen der Pole oder Synchronisationsverlust)
• Überlastungen
• Übergeschwindigkeit
• Phasenunsymmetrie und negative Phasenfolge
• Unter- und Überfrequenz
• Unter- und Überspannungen

Ein nicht gelöschter oder langsam löschender Fehler auf dem Netzwerksystem kann Generatoren verursachen um Stöcke zu rutschen , oder gehen Sie „außer Tritt ” mit dem Rest des Systems .

Eine solche Bedingung ist unerwünscht weil schädliche mechanische Belastungen auf die Welle ausgeübt werden , und die starken Leistungsschwankungen störend auf die Netzspannungen wirken .

Synchronität verloren kann durch einen externen Kurzschluss, das Abschalten einer wichtigen induktiven Last oder durch einen Fehler am Erregersystem verursacht werden .

Übergeschwindigkeit ist die Folge eines plötzlichen Abschaltens der Gesamtlast oder eine wichtige Verringerung der Belastung .

Generatorschutzgeräte

Generatoren sind die teuersten Ausrüstungsteile von Stromversorgungssystemen. Die folgenden Geräte werden zum Schutz von AC- und DC-Generatoren gegen die darin auftretenden Fehler verwendet.

• Statorerdschlussschutz (Statorwicklungen Phase-zu-Phase &Statorerdungs- oder Erdschlussschutz durch Differentialrelais)
• Rotor-Erdschlussschutz
• Schutz vor unausgeglichener Statorbelastung (Verlust des Feldschutzes und Änderung des Blindleistungsflusses)
• Schutz gegen Überhitzung des Stators (Überhitzungsschutz der Statorwicklungen und -lager und Schutz gegen negative Phasenfolge)
• Schutz vor Feuerungsausfall des Kessels
• Schutz gegen Antriebsmaschinen- und Turbinenausfall (Statorphasenunsymmetrieschutz)
• Überdrehzahl- und Übererregungsschutz (Kernsättigung durch Übererregung)
• Isolationsfehler
• Schutz vor Schmierölausfall
• Niedrigvakuumschutz
• Schutz gegen Vibration &Unter- und Überfrequenzschutz
• Sicherungsschutz des Generators
• Schutz gegen Rotorverzerrung &Phasenzusatzstartschutz
• Schutz vor externen Kurzschlussfehlern 
• Schutz gegen die Differenzdehnung zwischen feststehenden und rotierenden Teilen des Generators
• Rückleistungsschutz und Schutz vor negativem Leistungsfluss

Zuverlässige Schutzrelaissysteme sind daher erforderlich, um Generatorfehler schnell zu erkennen und zu beheben um Schäden zu minimieren und die Reparaturzeit auf ein Minimum zu reduzieren .

Schutz gegen Phase-zu-Phase-Fehler der Statorwicklungen erfolgt über ein Differentialrelais , welches Prinzip bereits in anderen Abschnitten diskutiert wurde. Dieses Schutzgerät ist nicht in der Lage, Wicklungsfehler zu erkennen .

Bei einer solchen Art von Fehler Phasenspannung sinkt und eine Nullspannung erscheint; diese Spannung wird von einem Spannungsrelais erkannt (ANSI/IEEE/IEC-Code 60 ) verbunden mit VT .

Statorerdung oder Erdschluss Schutz hängt ab der Statorerdung . Für Widerstandserdungssystem ein Überstromrelais an einen „Ringtyp“-CT angeschlossen innerhalb der neutralen Verbindung oder ein Spannungsrelais an Widerstandsklemmen verwendet werden.

Unter normalen, gesunden Bedingungen durch den Widerstand fließt kein Strom und die Spannung an den Klemmen gleich Null ist .

Zur Erdung über einen Transformator ein Spannungsrelais Überprüfung der Spannung am Widerstand, der mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist verwendet wird.

Unter normalen, gesunden Bedingungen der Erdungstransformator entwickelt keine Sekundärspannung , und es liegt keine Spannung am Relais an . Wenn ein Statorerdschluss auftritt , wird eine Spannung über den Sekundäranschlüssen des Erdungstransformators entwickelt , und das Spannungsrelais zieht an .

Abbildung 1 zeigt einen typischen Anschluss für Statordifferential- und Erdschlussschutz.

Kurzschlussfehler der gewickelten Rotorwicklung sind durch Überstromrelais geschützt .

Die Rotorwicklungen können durch Erdschlüsse beschädigt werden.

Die Rotor- oder Feldwicklung auf großen thermischen Generatoren ist nicht geerdet , somit erzeugt ein einfacher Erdschluss keinen Fehlerstrom .

Ein einzelner Erdschluss hebt jedoch das Potenzial des gesamten Feld- und Erregersystems , und die zusätzlichen Spannungen, die durch das Öffnen des Feldschalters oder des Hauptgeneratorschalters induziert werden , insbesondere unter Fehlerbedingungen , kann Stress erhöhen auf den Boden im Feld , wenn der Stator Transienten ein Extra herbeiführen Spannung in den Feldwicklungen . Diese zusätzliche Spannung kann einen zweiten Fehler in der Feldwicklung verursachen .

Ein zweiter Fehler zu Masse d kann eine lokale Erwärmung des Bügeleisens verursachen, die sich verformen könnte des Rotors, was zu einer gefährlichen Unwucht führt.

Der Schutz gegen Rotorerdschluss kann durch ein Relais bereitgestellt werden, das die Isolierung des Rotors durch Anlegen einer Hilfswechselspannung an den Rotor steuert oder ein Spannungsrelais in Reihenschaltung mit einem hohen Widerstand (Die Kombination von linearen und nichtlinearen Widerständen ist die heutzutage übliche Methode ) über den Rotorkreis verbunden , der Mittelpunkt davon ist über die Spule eines empfindlichen Relais mit Masse verbunden (ANSI/IEEE/IEC-Code 64).

Heutzutage erfordert die moderne Technik die Verwendung von Kombinationen lineare und nichtlineare Widerstände .

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel eines Rotors Erdschlussschutz .

Verlust des Feldschutzes verwendet ein Relais der die Änderung des Blindleistungsflusses erkennt Ein typischer Erregungsschutzverlust Schema verwendet ein Offset Mho (Impedanz ) Relais um die Lastimpedanz des Generators zu messen .

Der Offset Mho Impedanzrelais ist ein Einphasenrelais , und wird vom Generator CT geliefert und VT . Der Verlust des Feldrelais arbeitet, wenn der Wert der Lastimpedanz innerhalb der Betriebskennlinie des Relais liegt ja.

Ein Zeitrelais ist enthalten, um Auslösung einzuleiten der Maschine im führenden Blindleistungszustand bleibt 1 s bestehen (typisch ).

Um eine Kernsättigung zu verhindern wegen Übererregung beim Hochfahren und Herunterfahren einen Übererregungsschutz (ANSI/IEEE/IEC-Code 59) verwendet wird.

Übererregung kann durch die folgende Gleichung erklärt werden:

B =V / f

Wobei B die magnetische Flussdichte ist oder magnetische Induktion oder Kernfluss (Einheit:Tesla – T ), V ist die angelegte Spannung (Einheit:Volt – V ) und f die Häufigkeit (Einheit:hetz – Hz ).

Für den Kernfluss um unter dem Sättigungspunkt zu bleiben , die Generatorspannung darf nur erhöht werden, wenn die Frequenz (oder Geschwindigkeit) erhöht wird .

Wenn die Erregung wird zu schnell erhöht , dann dieser Übererregungszustand muss erkannt werden , und der Feldschalter hat ausgelöst .

Übererregung Schutzsysteme verwenden Volt pro Hertz Relais .

Diese Relais haben eine lineare Kennlinie , und wird aktiviert, wenn die Spannung dividiert durch die Frequenz den eingestellten Wert überschreitet .

Überhitzungsschutz für Statorwicklungen und Lager wird normalerweise von RTD durchgeführt und der Hermistor um die Temperatur zu überwachen .

Statorphasenunsymmetrieschutz verwendet üblicherweise ein zeitinverses Überstromrelais , die festgelegt ist gemäß der Rotor kann dieser Überhitzung maximal standhalten .

Die Funktion des Gegensystemschutzes des Generators soll die Maschine vor Überhitzung schützen Effekte, nämlich am Rotor , die durch Unsymmetrie der Statorphasenströme entstehen .

Dieser Schutz verwendet ein Relais das den Strom in zwei Phasen durch CT vergleicht , wie in Abbildung 3 gezeigt.

Schutzmaßnahmen eingestellt sind gemäß der maximalen Zeit, in der der Rotor dieser Überhitzung standhalten kann und Zeit ist durch die Gleichung K =I ² definiert t (basierend auf dem Joule-Gesetz ).

Typische Kurven für diesen Zustand wird abhängig von der Antriebsmaschine angezeigt und sind vom Hersteller angegeben .

Rückleistungsschutz (ANSI/IEEE/IEC Code 32) verwendet ein Leistungsrichtungsrelais zu überwachen die Generatorlast; das Relais wird vom Generator CT und VT geliefert wie in Abbildung 4 gezeigt und wird funktionieren wenn ein negativer Stromfluss erkannt wird .

Out-of-Step-Schutz erkennt eine Bedingung verursacht durch Störungen im Stromnetz und nicht durch Generatorfehler . Der Schutz erkennt den Zustand, wenn der Generator seinen ersten Pol durchrutscht , und bewirkt, dass die Generatortrennschalter auslösen .

Die Turbine nicht ausgelöst damit die Maschine neu synchronisiert werden kann nachdem die Systemstörung behoben wurde .

Dieser Schutz kann als Ergänzung zum Schutz vor Erregungsverlust betrachtet werden.

Der Außer Tritt Zustand geschieht mit dem Generator bei vollem Feld und der Synchronverlust durch Untererregung tritt auf, wenn der Generator hat kein Feld .

Out-of-Step-Schutz verwendet drei Impedanzmessrelais . Diese Relais werden vom Generator CT und VT geliefert und den Generator messen Lastimpedanz , Erkennung einer Power-Swing-Bedingung wenn die drei Relais in der richtigen Reihenfolge arbeiten und wird das Auslösen von HV-Leistungsschaltern einleiten .

Für externe Kurzschlussfehler Überstromrelais verwendet werden (50; 50N; 51; 51N ).

Unter- und Überfrequenzschutz (ANSI/IEEE/IEC-Code 81 ) erkennt auch Systemstörungen statt Generatorfehler. Ein größer Zusammenbruch des Energiesystems kann zu entweder zu viel oder zu wenig Stromerzeugung führen für die verbleibende Anschlussleistung .

Im ersten Fall , Überfrequenz , mit möglicher Überspannung Ergebnisse aufgrund der reduzierten Lastanforderung . Betrieb in diesem Modus erzeugt keine Überhitzung außer Nennleistung und ungefähr 105 % Nennspannung übertroffen sind .

Die Generatorsteuerung sollte zeitnah angepasst werden, um die Generatorleistung an die Lastanforderung anzupassen .

Mit unzureichender Generierung für die Anschlussleistung , Unterfrequenz ist das Ergebnis hoher Lastnachfrage .

Der Spannungsabfall bewirkt den Spannungsregler um die Erregung zu steigern . Die Folge ist diese Überhitzung können sowohl im Rotor als auch im Stator auftreten . Gleichzeitig , wird mehr Leistung gefordert , wobei der Generator weniger in der Lage ist, es bei der abklingenden Frequenz zu liefern .

Automatischer oder manueller Lastabwurf des Übertragungssystems sollte idealerweise die Last an die angeschlossene Stromerzeugung anpassen, bevor es zu einem totalen Zusammenbruch des Stromsystems kommt.

Über- und Unterspannungsrelais (ANSI/IEEE/IEC-Codes 59 und 27 ) werden verwendet, um die Spannung zu steuern .

Phasenzusatzstartschutz wird bereitgestellt, um eine Bedingung zu erkennen wo ein Fehler vorliegt s wenn der Generator hochgefahren wird . Generatoren dürfen natürlich nicht in einen Last- oder Fehlerzustand gestartet werden.

Um dies zu verhindern, ein Schutzschema n wird verwendet, das niedrig eingestellte Überstromrelais in Betrieb schaltet NUR wenn die Häufigkeit liegt unter 52 Hz bei 60 Hz Energiesysteme und 42 Hz auf 50 Hz Systeme .

Heutzutage IED (siehe Abschnitt 2.1), die alle erforderlichen Schutzfunktionen zusammenfassen werden üblicherweise zum Generatorschutz verwendet .

Über den Autor:Manuel Bolotinha

-Lizenziat in Elektrotechnik – Energie- und Stromversorgungssysteme (1974 – Instituto Superior Técnico/Universität Lissabon)
– Master in Elektrotechnik und Computertechnik (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– Leitender Berater für Umspannwerke und Energiesysteme; Professioneller Ausbilder