خطاهای داخلی، کلیدهای اتوماتیک و خرابی‌های رایج سیستم‌های حفاظتی ژنراتور (روش‌های مختلف حفاظت از ژنراتور)

در طراحی سیستم‌های کنترل ژنراتور، اجزای حفاظتی معمولاً برای عملیات تأسیسات کوچک تا متوسط در یک کابینت واحد قرار می‌گیرند. دستگاه‌های حفاظتی ژنراتور و سیم‌کشی مربوط به آن‌ها از مدار کنترل و سیم‌کشی‌های دیگر جدا هستند، اما می‌توانند با سیستم کنترل برای خاموش کردن ژنراتور و امکانات هشدار و نظارت ارتباط برقرار کنند. حفاظت از ژنراتور را می‌توان به دسته‌های زیر تقسیم کرد:

• عیب های داخلی – خطاهای فازی و یا اتصال به زمین در استاتور و یا سیم پیچ میدان (روتور)
• شرایط غیرطبیعی کارکرد – مسائلی مانند: از دست رفتن میدان مغناطیسی، اضافه بار، ولتاژ بیش از حد، فرکانس کم/زیاد، از دست رفتن همگام‌سازی و …

ژنراتور از طریق روش‌های زمین کردن، در برابر خطاهای داخلی در روتور و استاتور محافظت می‌شود. روش‌های مختلفی برای زمین کردن ژنراتور وجود دارد که بسته به اندازه و پیچیدگی تأسیسات، مناسب هستند (طرح‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر به مدار زمین کردن پیشرفته‌تری نیاز دارند).

در صورتی که ژنراتور زمین‌گیری مناسبی نداشته باشد، ممکن است در صورت وقوع خطای زمین، روتور یا استاتور آسیب‌های غیرقابل تعمیر ببیند. سیستم حفاظت، نقش کلیدی در محافظت از ژنراتور شما در برابر شرایط غیرعادی عملیاتی ایفا می‌کند. یک سیستم برق اضطراری که تنها برق مورد نیاز برای روشنایی و مدارهای اضطراری را تأمین می‌کند، نیازی به محافظت از همگام‌سازی ندارد.

این مقاله اطلاعاتی درباره تحریک میدان، فرکانس، توان معکوس، اتصال کوتاه قطب مدار شکن و خطاهای از دست دادن همگام‌سازی ارائه می‌دهد.

خرابی‌های مدار شکن

کلیدهای اتوماتیک از روتور و استاتور ژنراتور در برابر خرابی ناشی از قطعاتی که در سمت بار مدار قرار دارند، محافظت می‌کنند. یک کلید اتوماتیک خط یا منبع، برق را به کلیدهای اتوماتیک سیستم می‌رساند. سیستم‌های که نیاز به برق بدون وقفه دارند، ممکن است برای عبور سریع از مدار خراب، قابلیت‌های اضافی یا پشتیبان داشته باشند. این عملکرد می‌تواند به صورت خودکار، دستی یا ترکیبی از هر دو باشد، که بستگی به نوع خرابی دارد.

فیوزها به دو صورت خراب می شوند:

• مدار باز شد – کلید محافظ مدار بعد از تعمیر مدار، در وضعیت بسته باقی نمی ماند.
• کلید در حالت باز، بسته و قطع شده جریان برق را هدایت می کند. این می تواند باعث برق دار شدن اتفاقی مدار شود.

جرقه‌زدگی یا قوس الکتریکی، نوری و گرمایی است که در نتیجه خطای قوس الکتریکی تولید می‌شود و به عنوان نوعی انفجار الکتریکی شناخته می‌شود. این انفجار به دلیل ایجاد اتصال کم‌مقاومت از طریق هوا به زمین یا فاز دیگر ولتاژ اتفاق می‌افتد. انفجار قوس، موج شوک فوق‌صوتی را به وجود می‌آورد که ناشی از بخار شدن غیرقابل کنترل تماس‌های فلزی است.

جرقه‌زدگی می‌تواند در حین همگام‌سازی بین پایانه‌های کلید در حالی که کلید باز است، به دلیل آلودگی داخلی یا خارجی، فشار دی‌الکتریک پایین و رطوبت رخ دهد. طرح‌های حفاظتی به منظور برآورده کردن نیازهای تأسیسات طراحی شده‌اند.

نارسایی تحریک

ژنراتور از یک روتور تشکیل شده است که در میدان مغناطیسی می‌چرخد. ژنراتورهایی که از سیم‌پیچ‌های میدان استفاده می‌کنند، برای تولید میدان مغناطیسی نیاز به جریان الکتریکی دارند. فرآیند تولید میدان مغناطیسی با استفاده از جریان الکتریکی، تحریک نامیده می‌شود.

• قطع کننده مدار
• از دست رفتن منبع تغذیه مدار تحریک

زمانی که چند ژنراتور به‌طور موازی کار می‌کنند، اگر یکی از ژنراتورها میدان مغناطیسی خود را از دست بدهد، با سرعت بیشتری عمل کرده و به‌عنوان یک ژنراتور القایی عمل می‌کند که از شبکه برق تحریک دریافت می‌کند. گرم شدن بیش از حد اجزای ژنراتور، یک مشکل رایج است.

مدارهای حفاظتی برای جلوگیری از عملکرد ناایمن و آسیب‌زا به ژنراتور در زمان از دست دادن میدان طراحی شده‌اند. اگر ژنراتور ولتاژ تحریک بیشتری از حد نیاز دریافت کند، اثر آن توسط شار مغناطیسی ایجاد شده توسط منبع جریان متناوب در جهت مخالف خنثی می‌شود و به‌عنوان یک بار خازنی با ضریب توان پیشرو عمل می‌کند.

در صورتی که میدان تحریک به‌درستی تنظیم نشده باشد، ژنراتور به‌عنوان یک بار القایی یا خازنی برای شبکه برق عمل خواهد کرد. سیستم‌های پیشرفته برق، ژنراتورهایی که دچار نقص تحریک می‌شوند را از شبکه خارج کرده تا عیب‌یابی انجام شود.

فرکانس و توان

تعداد قطب‌های مغناطیسی و دور موتور ژنراتور در محاسبه فرکانس آن نقش دارند. فرمول محاسبه فرکانس به این صورت است: دور موتور ضربدر تعداد قطب‌ها تقسیم بر 120. به عنوان مثال، یک ژنراتور با 4 قطب که با سرعت 1800 دور در دقیقه می‌چرخد، 60 هرتز تولید می‌کند. اگر سرعت موتور به دلیل مشکلات مکانیکی یا دیگر مسائل از حد تنظیم شده بالاتر یا پایین‌تر برود، فرکانس به‌طور متناسب تغییر می‌کند. افزایش سرعت منجر به افزایش فرکانس و کاهش سرعت منجر به کاهش فرکانس می‌شود. سیستم‌های پیشرفته می‌توانند ژنراتور آسیب‌دیده را ایمن کرده و یک ژنراتور پشتیبان به سیستم اضافه کنند. ژنراتورهایی که فرکانس غیرعادی دارند باید قبل از بارگیری تعمیر شوند.

زمانی که چند ژنراتور به‌صورت موازی کار می‌کنند و یکی از آن‌ها خراب می‌شود، شرایطی به نام “بازگشت توان” ایجاد می‌شود. ژنراتور خراب می‌تواند مانند یک موتور عمل کرده و جریان را از ژنراتورهای دیگر در شبکه دریافت کند. به دلیل عدم تأمین توان توسط ژنراتور خراب، توان شبکه کاهش می‌یابد و این ژنراتور برای کار به‌عنوان موتور، توان شبکه را مصرف می‌کند. سیستم‌های پیشرفته‌تر از سیستم‌های انتقال و موازی‌سازی خودکار استفاده می‌کنند که رله‌های بازگشت توان را به کار می‌گیرند.

همگام‌سازی زمانی رخ می‌دهد که چندین ژنراتور به‌صورت موازی برای تأمین توان شبکه کار می‌کنند. در این حالت، سرعت و فرکانس آن‌ها با یکدیگر تطبیق داده می‌شود و توان شبکه به‌طور متناسب افزایش می‌یابد. یک خطای جدی می‌تواند منجر به از بین رفتن همگام‌سازی شود که این موضوع می‌تواند چندین ژنراتور را از مدار خارج کرده و منجر به افت جزئی یا کامل توان شود. مدارهایی طراحی شده‌اند تا ژنراتور را قبل از از بین رفتن همگام‌سازی و قبل از صفر شدن ولتاژ از مدار خارج کنند.