発電機保護–障害の種類と保護装置

発電機の故障と保護装置の種類

一般的なジェネレーターの障害

ジェネレーターの障害 通常、内部障害と外部障害に分類されます; 内部障害 ジェネレータコンポーネント内の問題が原因です および外部障害 外部ネットワークの異常な動作状態と障害が原因です 。

障害 原動機 （原動機は、発電機を駆動するために使用されるコンポーネントです。 内燃機関（ディーゼル発電機セットの場合）、ガスタービン、蒸気タービン、風力タービン、油圧タービンなど）および関連システム 通常、機械設計段階で定義されるため、ここでは説明しません。 機器の。

ただし、トリップのためにジェネレーター保護内に統合する必要があります。

発電機の内部障害の種類

内部障害は電気的または機械的のいずれかである可能性があります

1.固定子の故障

• 巻線の過熱
• 巻線の相間障害
• 巻線の位相からアースへの障害
• ターン間障害

2.ローター障害

• 地球障害
• 巻線短絡（巻線型ローター ）
• 過熱

3.フィールドの喪失/興奮 （フィールド ACジェネレーター 発電機内の導体のコイルで構成され、電源から電圧を受け取ります（励起と呼ばれます）。 ）そして磁束を生成します。

4.ジェネレーターのアウトオブステップ

5.モーター操作

6.ベアリングの過熱と潤滑油の圧力不足

7.振動

固定子巻線の過熱 永続的な過負荷が原因である可能性があります および相間および地絡 絶縁破壊によるものです 。

回転子巻線の短絡 励起電流の増加と励起電圧の減少につながります 。

ローターの過熱 これは、固定子の不平衡電流の結果です。 、原因：

• 単極トリップ
• 固定子巻線の故障
• 逆相シーケンス

固定子電流の逆相シーケンスと不平衡電流 アーマチュアフラックスを生成します ローターと反対方向に回転する 、ローター質量に渦電流を誘導 。

これらの渦電流 、2回 システム周波数 （50Hzまたは60Hz ）、ローターの周辺で局所的な過熱が発生します ローター保持ウェッジとリングの弱さを引き起こす可能性があります 。

ジェネレーターが励起（またはフィールド）を失ったとき ）、無効電力 電力システムから発電機に流れます 。その後、ジェネレータは同期を失います 同期速度を超える誘導発電機として動作します 。

同期速度を超える ローター 同期に固定しようとして振動し始めます 、過熱やその他の損傷が発生します 。 システムが安定している限り 、無効電力 （ MVAr ）は発電機に流れ込み、機械は引き続き有効電力を出力します （ MW 。

発電機のモーター操作 タービンへの蒸気または水の供給時に発生する可能性があります 失敗 およびジェネレータ 電気システムから電力を引き出します 。

蒸気タービン 蒸気は冷却剤として機能します 、ブレードを一定の温度に維持する 。 蒸気供給の失敗 ブレードの過熱を引き起こす可能性があります 。一部のマシンでは、温度上昇が非常に低い 、およびモーター かなりの時間耐えることができます 。

油圧タービン キャビテーションが発生します （液体中の空洞の形成とその後の即時の内破 –小さな液体のないゾーン （「バブル 「）–これは液体に作用する力の結果です 。

これは通常、液体が急激な圧力変化にさらされたときに発生します 圧力が比較的低い空洞の形成を引き起こします 。

キャビテーション 重要な摩耗の原因 。 高圧エリアに入るとき 、金属表面に内破するキャビテーション気泡 爆縮を繰り返すことで周期的なストレスを引き起こす 、結果として金属の表面疲労 。

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発電機の外部障害の種類

外部電源システムの障害と異常な動作状態 は：

• 外部短絡障害
• ジェネレーターの非同期接続
• 脱調（ポールのずれまたは同期の喪失）
• 過負荷
• 速度超過
• 位相の不均衡と逆相のシーケンス
• 周波数の過小および過大
• 低電圧と過電圧

未クリアまたは低速のクリアエラー ネットワークシステム ジェネレータを引き起こす可能性があります ポールを滑らせ始める 、または「アウトオブステップ 」とシステムの残りの部分 。

このような条件 望ましくない シャフトに有害な機械的応力がかかるため 、および激しいパワースイング 電力システムの電圧に悪影響を与える 。

同期が緩んでいる 外部短絡、重要な誘導負荷のスイッチオフ、または励起システムの障害が原因である可能性があります。 。

速度超過 これは、突然総負荷をオフにした結果です。 または負荷の大幅な削減 。

ジェネレータ保護デバイス

発電機は、電力システムで最も高価な機器です。次のデバイスは、ACおよびDC発電機で発生する障害に対する保護に使用されます。

• 固定子の地絡保護（固定子巻線の相間および固定子の地絡または差動リレーによる地絡保護）
• ローターアース障害保護
• 不平衡固定子負荷保護（フィールド保護の喪失と無効電力の流れの変化）
• 固定子の過熱に対する保護（固定子の巻線とベアリングの過熱保護と逆相シーケンス保護）
• ボイラー燃焼の損失に対する保護
• 原動機とタービンの故障に対する保護（固定子相の不均衡保護）
• 過速度および過励起保護（過励起によるコア飽和）
• 絶縁不良
• 潤滑油の故障に対する保護
• 低真空保護
• 振動に対する保護および周波数の過小および過大な保護
• 発電機の保護をバックアップする
• ローターの歪みに対する保護とフェーズの補足的な開始保護
• 外部短絡障害に対する保護
• 発電機の静止部分と回転部分の膨張差に対する保護
• 逆電力保護と負電力フロー保護

したがって、発電機の障害を迅速に検出してクリアするには、信頼性の高い保護リレー方式が必要です。 損傷を最小限に抑え、修理時間を最小限に抑える 。

固定子巻線の相間障害に対する保護 差動リレーを介して実行されます 、この原則は他のセクションで以前に説明されています。この保護装置 巻線のターン間障害を検出できません 。

このようなタイプの障害 発生相電圧低下 ゼロシーケンス電圧が表示されます;この電圧 電圧リレーによって検出されます （ ANSI / IEEE/IECコード60 ） VTに接続 。

固定子の地絡または地絡 保護 依存 固定子の接地 。 抵抗接地システムの場合 過電流リレー 「リングタイプ」CTに接続 ニュートラル接続内 または電圧リレー 抵抗端子で 使用できます。

通常の健康状態 抵抗に電流は流れません および端子の電圧 ゼロに等しい 。

変圧器を介した接地 電圧リレー 変圧器の2次側に接続された抵抗の電圧を確認します 使用されます。

通常の健康状態 接地変圧器 二次電圧なし 、およびリレーに電圧が印加されていない 。 固定子地絡が発生したとき 、接地変圧器の2次端子間に電圧が発生します 、および電圧リレーが動作します 。

図1は、固定子差動および地絡保護の一般的な接続を示しています。

巻線型ローター巻線の短絡障害 過電流リレーによって保護されています 。

地絡により回転子巻線が損傷する可能性があります。

ローターまたは界磁巻線 大型熱電発電機 接地されていない 、したがって、単一の地絡は故障電流を生成しません 。

単一の地絡 ただし、フィールド全体とエキサイターシステムの可能性を高めます 、およびフィールドブレーカーまたはメインジェネレーターブレーカーを開くことによって誘導される余分な電圧 、特に障害状態 、ストレスを増やす可能性があります フィールドの地面に 、ステーター 一時的 余分なを誘発する 電圧 界磁巻線 。この追加電圧 界磁巻線に2番目の障害が発生する可能性があります 。

うめき声の2番目の障害 dアイロンが局所的に加熱されて歪む可能性があります ローター、危険なアンバランスを引き起こします。

ローターの地絡に対する保護 ローターに補助AC電圧を印加することによってローターの絶縁を制御するリレーによって提供される場合があります。 または高抵抗と直列に接続された電圧リレー （線形抵抗器と非線形抵抗器の組み合わせは、現在使用されている一般的な方法です ）ローター回路に接続 、中心点 そのうちの敏感なリレーのコイルを介してアースに接続されています （ ANSI / IEEE / IECコード64）。

最近の技術では、組み合わせて使用​​する必要があります 線形および非線形抵抗 。

図2は、ローターの例を示しています。地絡保護 。

フィールド保護の喪失 リレーを使用します 無効電力の流れの変化を検出します。 典型的な励起保護の喪失 スキームはオフセットモーを使用します （インピーダンス ）リレー 発電機の負荷インピーダンスを測定する 。

オフセットモー インピーダンスリレー 単相リレーです 、ジェネレーターから供給されます CT およびVT 。 フィールドリレーの喪失 負荷インピーダンスの値が関連の動作特性の範囲内にある場合に動作します y。

タイミングリレー トリップを開始するために含まれています 主要な無効電力状態の場合のマシンの 1秒間持続します （典型的 。

コアの飽和を防ぐため 過度の興奮による 実行およびシャットダウン中 過興奮保護 （ ANSI / IEEE / IECコード59） 使用されます。

過度の興奮 次の方程式で説明できます：

B =V / f

ここで、Bは磁束密度です。 または磁気誘導 またはコアフラックス（単位：tesla – T ）、 V 印加電圧です （単位：ボルト– V ）および f 頻度 （単位：ヘツ– Hz 。

コアフラックスの場合 飽和点未満を維持する 、発電機電圧 頻度（または速度）が増加した場合にのみ増加する可能性があります 。

興奮の場合 急激に増加する 、次にこの過励起状態 検出する必要があります 、およびフィールドブレーカーが落ちた 。

過度の興奮 保護スキームはヘルツあたりのボルトを使用します リレー 。

これらのリレーには線形特性があります 、電圧を周波数で割った値が設定値を超えた場合に動作します 。

固定子巻線とベアリングの過熱保護 通常、 RTDによって実行されます およびthermistor 温度を監視する 。

固定子位相不平衡保護 通常、時間反転過電流リレーを使用します 、設定 に従って ローターがこの過熱に耐えることができる最大時間 。

ジェネレータの機能逆相シーケンス保護 過熱からマシンを保護することです エフェクト、つまりローターで 、固定子相電流の不均衡の結果として発生します 。

この保護 リレーを使用します CTを介して2相の電流を比較します 、図3に示すように。

保護 設定 ローターがこの過熱に耐えることができる最大時間に従って および時間 方程式K=I ² で定義されます t （ジュール法則に基づく 。

一般的な曲線 この状態の場合、原動機によって異なりますが表示されます および製造元によって示されます 。

逆電力保護 （ANSI / IEEE / IECコード32）は電力指向性リレーを使用します 監視 ジェネレーターの負荷; リレー ジェネレータCTおよびVTから供給されます 図4に示すように、動作します 負のパワーフローが検出された場合 。

アウトオブステップ保護 状態を検出します 発電機の故障ではなく、電力システムの障害によって引き起こされた 。 保護 ジェネレータが最初のポールを滑らせたときに状態を検出します 、およびジェネレータブレーカーがトリップする 。

タービン つまずかない マシンを再同期できるようにする システム障害が解消された後 。

この保護は、LossofExcitation保護を補完するものと見なすことができます。

アウトオブステップ 状態 ジェネレーターで発生します フルフィールドで および過小励起による同期の喪失 ジェネレータが発生したときに発生します フィールドがありません 。

アウトオブステップ保護 3つのインピーダンス測定リレーを使用 。これらのリレー ジェネレータCTおよびVTによって供給されます ジェネレーターを測定します 負荷インピーダンス 、パワースイング状態を検出します 3つのリレーが正しい順序で動作する場合 HV回路ブレーカーのトリップを開始します 。

外部短絡障害の場合 過電流リレー 使用されます（ 50; 50N; 51; 51N 。

周波数保護の過小および過大 （ ANSI / IEEE/IECコード81 ）発電機の故障ではなく、システム障害も検出します。 主要な電力システムの崩壊 発電電力が過剰または不十分になる可能性があります 残りの接続負荷の場合 。

最初のケースの場合 、過周波数 、過電圧の可能性がある 負荷需要の削減による結果 。 このモードでの操作 過熱は発生しません 定格電力とおおよその場合を除く 105％ 定格電圧 超過 。

発電機の制御は、発電機の出力を負荷需要に一致させるように迅速に調整する必要があります 。

生成が不十分の場合 接続された負荷の場合 、低頻度 重い負荷の需要の結果です 。

電圧降下 電圧レギュレータを引き起こします 興奮を高める 。その結果、過熱 ローターとステーターの両方で発生する可能性があります 。 同時に 、より多くの電力が要求されています 、ジェネレータは減衰周波数でそれを供給することができません 。

自動または手動のトランスミッションシステムの負荷制限は、理想的には、電力システム全体が崩壊する前に、接続された世代に一致するように負荷を調整する必要があります。

過電圧リレーと低電圧リレー （ ANSI / IEEE/IECコード59および27 ）は電圧を制御するために使用されます 。

フェーズ補足開始保護 状態を検出するために提供されています 障害が存在する場所 ■ジェネレータが速度を上げている場合 。 もちろん、発電機は、負荷または障害状態で起動してはなりません。

これを防ぐために、保護のスキーム nは、サービスローセット過電流リレーに切り替えるために使用されます。 のみ 頻度の場合 60Hzで52Hz未満 電力システム および50Hzで42Hz システム 。

現在 IED （セクション2.1を参照）必要なすべての保護機能をグループ化する 発電機保護に一般的に使用されます 。

作者について：Manuel Bolotinha

-電気工学のライセンス学位–エネルギーおよび電力システム（1974 –InstitutoSuperiorTécnico/リスボン大学）
–電気およびコンピューター工学の修士号（2017 –FaculdadedeCiênciaseTecnologia/リスボン大学）
–変電所および電力システムのシニアコンサルタント。プロのインストラクター