حفاظت ژنراتور

ژنراتور گرانترین و مهمترین دستگاه در شبکه قدرت است. به دلیل وجود تجهیزاتی چون گرداننده اصلی (توربین)، تنظیم کننده ولتاژ، سیستم خنک کن و نظایر آن، حفاظت الکتریکی کار پیچیده و دشواری خواهد بود. معمولا واحدهای تولیدی مجهز به سیستم های حفاظتی زیر هستند:

الف) حفاظت استاتور:

1- رله دیفرانسیلی درصدی
2- حفاظت در مقابل خطای بین حلقه های سیم پیچی یک فاز
3- حفاظت در مقابل گرم شدن استاتور

ب) حفاظت روتور

1- حفاظت در برابر اتصال زمین میدان
2- حفاظت در برابر قطع تحریک
2- حفاظت در مقابل گرم شدن روتور بر اثر جریان های نامتعادل سه فاز استاتور

ج) حفاظت های جانبی

1- حفاظت در برابر ولتاژ زیاد
2-حفاظت در برابر سرعت زیاد
3-حفاظت در برابر موتوری شدن
4-حفاظت در برابر لرزش

الف) حفاظت استاتور:

رله دیفرانسیلی درصدی

مثال : یک ژنراتور 100MVA و 11KV توسط یک مقاومت 5 اهمی زمین شده است. نسبت تبدیل CT برابر 1000/5 است. رله طوری تنظیم شده است که اگر عدم تعادل جریان از 1A بیشتر باشد رله عمل می کند. چند درصد سیم پیچی ژنراتور به وسیله رله دیفرانسیل محافظت خواهد شد. فرض کنید P% سیم پیچی از نقطه صفر بدون حفاظت باشد.

%15.75 سیم پیچی از انتها به وسیله رله دیفرانسیل محافظت نخواهد شد.

مثال : یک ژنراتور 100MVA و 11KV به وسیله رله دیفرانسیل حفاظت می شود. 85% سیم پیچی در مقابل خطای فاز به زمین توسط این رله محافظت خواهد شد. رله طوری تنظیم شده است که در مقابل 20% عدم تعادل جریان فعال می گردد. مقدار مقاومتی را که باید در نقطه صفر با زمین قرار داد بدست آورد.

حفاظت در مقابل اتصال حلقه (inter turn)

علت قرار دادن فیلترها هارمونیک سوم آن است که در صورتی که در هر یک از فازهای ژنراتوراتصال فاز با زمین پیش آید و ولتاژ در ترانس ها القا شود فیلتر مانع عملکرد رله شود.

حفاظت در مقابل گرم شدن استاتور

گرم شدن استاتور می تواند ناشی از نقص سیستم خنک کن، بار زیاد یا خطاهای هسته بر اثر اتصال کوتاه شدن لایه ها و یا نقص عایق سیم پیچ های هسته باشد.

یک روش نظارت بر درجه حرارت ورودی و خروجی ماده خنک کننده می باشد. در روش دیگر حسگرهای درجه حرارت در کف شیارهای استاتور قرار داده می شود.

ب)حفاظت روتور

حفاظت در برابر اتصال زمین میدان

چون سیم پیچ میدان مستقل از زمین است بنابراین اگر یک نقطه آن زمین شود عملکرد ژنراتور از آن متاثر نخواهد بود و صدمه ای به وجود نمی آید ولی اگر نقطه دیگری از سیم پیچی بعنوان دومین نقطه زمین شود بخشی از سیم پیچی میدان اتصال کوتاه شده و لذا جریان عبوری از مابقی سیم پیچی افزایش می یابد. این موضوع سبب عدم تعادل در شارهای فاصله هوایی گردیده و لذا یک عدم تعادل در نیروهای مغناطیسی دو سر روتور ایجاد می شود. عدم تعادل در نیروهای مغناطیسی سبب می شود که محور روتور خارج از مرکز قرار گیرد و سبب لرزش شدید شود. و در اینجا از رله زیر استفاده می شود:

حفاظت قطع تحریک

وقتی تحریک ژنراتور قطع می شود سرعت آن اندکی افزایش یافته و ژنراتور بصورت القایی کار می کند.ژنراتورهای قطب صاف به دلیل عدم داشتن سیم پیچی میرائی برای چنین کارکردی مناسب نیست. روتور سریعا داغ می شود و جریان های شدیدی در آهن آن القا می شود. روتور ژنراتورهای قطب برجسته به دلیل وجود سیم پیچ های میرائی که جریان های القایی را عبور می دهند گرم نخواهد شد. ولی استاتور ژنراتورهای قطب صاف و برجسته به دلیل کشیدن جریان راکتیو شدید از شبکه گرم می شوند. گرم شدن استاتور به سرعت گرم شدن روتور نیست. طرح حفاظتی قطع تحریک مبنی بر استفاده از رله MHO-OFFSET و یا امپدانسی جهت دار  می باشد: وقتی تحریک ژنراتور قطع می شود، مکان امپدانس معادل ژنراتور از ربع اول تغییر مکان می دهد. چنین مسیری در شرایط دیگر طی نمی شود.

حفاظت روتور در مقابل گرم شدن ناشی از جریان های نا متعادل استاتور 

مولفه ترتیب منفی جریان های نامتعادل استاتور سبب القا جریانی با دوبرابر فرکانس نامی در آهن روتور می گردد. اگر این مولفه زیاد شود آنگاه گرمایش شدید روتور را در پی خواهد داشت. عدم تعادل جریان های استاتور می تواند در اثر عوامل زیر باشد:

الف) رخداد خطای نامتقارن در استاتور
ب) رخداد خطای نامتقارن خارجی در شبکه که سریعا پاک نشود
ج) پارگی یک فاز
د) نقص یکی از کنتاکت های کلید قدرت

زمانی که روتور قادر است این شرایط را تحمل کند از رابطه زیر بدست می آید:

برای ژنراتورهای قطب برجسته K=60 برای ژنراتورهای قطب صاف K=7

ج) حفاظت های جانبی:

1 ) حفاظت ولتاژ زیاد

ولتاژ زیاد می تواند ناشی از نقص تنظیم کننده ولتاژ یا برداشت ناگهانی بار ژنراتور باشد. هنگامی که بار برداشته شود، سرعت ماشین افزایش می یابد و لذا ولتاژ نیز افزایش می یابد. در واحدهای بخاری می توان بخار را از قبل رسیدن سرعت به مرزی که ولتاژ زیاد خطرناک تولید شود میان بر (BY-PASS) نمود. در واحد های بخاری تنظیم کننده خودکار ولتاژ قادر است ولتاژ زیاد متناسب با سرعت زیاد را کنترل نماید. در واحدهای آبی نمی توان جریان آب را سریعا متوقف و یا منحرف نمود و لذا سرعت زیاد رخ خواهد داد. بنابراین در واحدهای آبی از رله های ولتاژ زیاد استفاده می گردد.  در واحدهای توربین گاز نیز استفاده از رله ولتاژی متداول می باشد.
 

2 )حفاظت در مقابل موتوری شدن

وقتی که تغذیه بخار توربین قطع می شود، ژنراتور به صورت موتور در می آید. توربین بخار به دلیل عدم عبور بخار کافی از لا به لای پره های آن گرم می شود. بنابراین از یک رله حفاظتی برای محافظت از توربین در چنین شرایطی استفاده می شود. معمولا رله در هنگامی که توان خروجی کمتر از 3% می گردد عمل می کند. در واحدهای آبی نیز رله حفاظتی توان معکوس را روی 2% تنظیم می کند. در واحدهای دیزلی و توربین های گازی تنظیم رله به ترتیب 25% و 50% می باشد.

3 )حفاظت پشتیبان

معمولا از رله های جریان زیاد به عنوان پشتیبان استفاده می شود ولی در ژنراتورهای واحدهای بخاری امپدانس سنکرون بیشتر از 100 درصد بوده و لذا جریان خطا کمتر از جریان نامی بار می شود. بنابراین، رله های استاندارد جریان زیاد نمی توانند به عنوان پشتیبان بکار روند. رله جریان زیاد با کنترل ولتاژ برای چنین مقصودی مناسب است. گزینه بهتر استفاده از رله های دیستانس راکتانسی یا امپدانسی می باشد. حفاظت پشتیبان دیگری که استفاده می شود استفاده از یک رله اتصال زمین با زمان عملکرد زیاد است. چون خطا در داخل ژنراتور و چه بیرون باشد عمل می کند:

منبع : کتاب حفاظت سیستم های قدرت / دکتر مجتبی خدرزاده