Protection du générateur - Types de défauts et dispositifs de protection

Types de défauts de générateur et dispositifs de protection

Défauts courants du générateur

Défauts du générateur sont généralement classés en défauts internes et externes; défauts internes sont dus à des problèmes au sein des composants du générateur et pannes externes sont dus à des conditions de fonctionnement anormales et des pannes sur les réseaux externes .

Défauts sur moteur principal (Le moteur principal est le composant utilisé pour entraîner le générateur et peuvent être des moteurs à combustion (cas des groupes électrogènes diesel), des turbines à gaz, des turbines à vapeur, des éoliennes et des turbines hydrauliques) et des systèmes associés ne seront pas abordés, car ils sont généralement définis au phase de conception mécanique de l'équipement.

Cependant, ils doivent être intégrés dans les protections du générateur à des fins de déclenchement.

Types de défauts internes dans un générateur

Les défauts internes peuvent être électriques ou mécaniques

1. Défauts de stator

• Surchauffe des bobinages
• Défaut entre phases des enroulements
• Défaut phase-terre des enroulements
• Défaut inter-tours

2. Défauts du rotor

• Défaut à la terre
• Court-circuit de bobinage (rotor bobiné )
• Surchauffe

3. Perte de champ / Excitation (Le champ dans un générateur de courant alternatif se compose de bobines de conducteurs à l'intérieur du générateur qui reçoivent une tension d'une source (appelée excitation ) et produire un flux magnétique).

4. Générateur décalé

5. Fonctionnement du moteur

6. Surchauffe des roulements et manque de pression d'huile de lubrification

7. Vibrations

Surchauffe des enroulements du stator peut être causé par des surcharges permanentes et défauts entre phases et à la terre sont dus à une panne d'isolation .

Court-circuit de l'enroulement du rotor entraîne une augmentation du courant d'excitation et une diminution de la tension d'excitation .

Surchauffe du rotor est une conséquence de courants déséquilibrés au stator , en raison de :

• Déclenchement unipolaire
• Défaut d'enroulement du stator
• Séquence de phase négative

Séquence de phase négative et courants déséquilibrés dans les courants du stator et produit un flux d'induit tournant dans le sens opposé au rotor , induisant des courants de Foucault dans la masse du rotor .

Ces courants de Foucault , qui sont à deux fois la fréquence du système (50 Hz ou 60 Hz ), produira une surchauffe locale à la périphérie du rotor cela peut entraîner une faiblesse dans les cales et les anneaux de retenue du rotor .

Lorsqu'un générateur perd l'excitation (ou le champ ), puissance réactive s'écoule du système d'alimentation vers le générateur . Le générateur perd alors le synchronisme et fonctionne comme un générateur à induction, au-dessus de la vitesse synchrone .

Au-dessus de la vitesse synchrone le rotor commencera à osciller pour tenter de se verrouiller dans le synchronisme , entraînant une surchauffe et d'autres dommages . Tant que le système est stable , puissance réactive (MVAr ) s'écoulera dans le générateur et la machine continuera à produire de la puissance active (MW ).

Fonctionnement du moteur des générateurs peut se produire lorsque l'alimentation en vapeur ou en eau de la turbine échoue et générateurs puise l'énergie du système électrique .

Dans les turbines à vapeur la vapeur agit comme un liquide de refroidissement , maintenir les lames à température constante . Échec de l'alimentation en vapeur peut provoquer une surchauffe des lames . Sur certaines machines, la montée en température est très faible , et automobile peut être toléré pendant un temps considérable .

Turbine hydraulique aura une cavitation (formation puis implosion immédiate de cavités dans le liquide – petites zones sans liquide ("bulles ") - qui sont la conséquence de forces agissant sur le liquide ).

Cela se produit généralement lorsqu'un liquide est soumis à des changements rapides de pression qui provoquent la formation de cavités où la pression est relativement faible .

Cavitation est une cause importante d'usure . En entrant dans les zones à haute pression , bulles de cavitation qui implosent sur une surface métallique provoquer un stress cyclique par implosion répétée , entraînant une fatigue superficielle du métal .

• Article connexe :  Tout sur les systèmes, appareils et unités de protection électrique

Types de défauts externes dans un générateur

Défaillances du système d'alimentation externe et conditions de fonctionnement anormales sont :

• Défauts de court-circuit externe
• Connexion non synchronisée du générateur
• Décalage (glissement de pôle ou perte de synchronisation)
• Surcharges
• Survitesse
• Déséquilibre de phase et ordre de phase négatif
• Sous et surfréquence
• Sous et surtensions

Un défaut de suppression non résolu ou lent sur le système réseau peut causer des générateurs pour commencer à glisser des poteaux , ou aller "décalé ” avec le reste du système .

Une telle condition est indésirable car des contraintes mécaniques néfastes sont exercées sur l'arbre , et les fortes variations de puissance avoir un effet perturbateur sur les tensions du système électrique .

Manque de synchronisme peut être causé par un court-circuit externe, la coupure d'une charge inductive importante ou par un défaut au niveau du système d'excitation .

Excès de vitesse est la conséquence d'un coupure brutale de la charge totale ou une réduction importante de la charge .

Dispositifs de protection de générateur

Les génératrices sont les pièces d'équipement les plus chères des systèmes électriques. Les dispositifs suivants sont utilisés pour la protection des générateurs AC et DC contre les défauts qui s'y produisent.

• Protection contre les défauts à la terre du stator (enroulements du stator entre phases et protection contre les défauts à la terre ou à la terre du stator par relais différentiel)
• Protection contre les défauts à la terre du rotor
• Protection de charge de stator déséquilibrée (perte de protection de champ et modification du flux de puissance réactive)
• Protection contre la surchauffe du stator (protection contre la surchauffe des enroulements et des roulements du stator et protection contre la séquence de phase négative)
• Protection contre la perte d'allumage de la chaudière
• Protection contre la panne du moteur principal et de la turbine (protection contre le déséquilibre de phase du stator)
• Protection contre la survitesse et la surexcitation (saturation du noyau due à la surexcitation)
• Échec de l'isolation
• Protection contre les pannes d'huile de lubrification
• Protection contre le vide faible
• Protection contre les vibrations et protection contre les sur et sous-fréquences
• Protection de sauvegarde du générateur
• Protection contre la distorsion du rotor et protection de démarrage supplémentaire de phase
• Protection contre les défauts de court-circuit externes 
• Protection contre la dilatation différentielle entre les pièces fixes et rotatives du générateur
• Protection contre les retours de puissance et protection contre les flux de puissance négatifs

Des schémas de relais de protection fiables sont donc nécessaires pour détecter et éliminer rapidement les défauts du générateur pour minimiser les dommages et réduire le temps de réparation au minimum .

Protection contre les défauts entre phases des enroulements du stator s'effectue via un relais différentiel , dont le principe a déjà été discuté dans d'autres sections. Ce dispositif de protection n'est pas capable de détecter les défauts inter-tours d'enroulement .

Lorsqu'un tel type de faute se produit la tension de phase diminue et une tension homopolaire apparaît; cette tension est détecté par un relais de tension (Code ANSI/IEEE/CEI 60 ) connecté au VT .

Défauts à la terre ou à la terre du stator protection ça dépend de mise à la terre du stator . Pour système de mise à la terre par résistance un relais de surintensité connecté à un TC "type anneau" au sein de la connexion neutre ou un relais de tension aux bornes de résistance peut être utilisé.

Dans des conditions de santé normales aucun courant ne traverse la résistance et la tension aux bornes est égal à zéro .

Pour mise à la terre via un transformateur un relais de tension vérification de la tension à la résistance connectée au secondaire du transformateur est utilisé.

Dans des conditions de santé normales le transformateur de mise à la terre ne développe pas de tension secondaire , et aucune tension n'est appliquée au relais . Lorsqu'un défaut à la terre du stator se produit , une tension est développée aux bornes secondaires du transformateur de mise à la terre , et le relais de tension fonctionne .

La figure 1 montre une connexion typique pour la protection différentielle du stator et la protection contre les défauts à la terre.

Défauts de court-circuit de l'enroulement du rotor bobiné sont protégés par des relais de surintensité .

Les enroulements du rotor peuvent être endommagés par des défauts à la terre.

Le rotor ou enroulement de champ sur les gros générateurs thermiques est non fondé , donc un défaut à la terre unique ne produit aucun courant de défaut .

Un défaut à la terre unique , cependant, augmente le potentiel de l'ensemble du système de champ et d'excitation , et les tensions supplémentaires induites par l'ouverture du disjoncteur de champ ou du disjoncteur du générateur principal , en particulier dans des conditions de panne , peut augmenter le stress au sol dans le champ , lorsque le stator transitoires induire un supplément tension dans les enroulements de champ . Cette tension supplémentaire peut provoquer un deuxième défaut sur l'enroulement de champ .

Une deuxième faute à corriger d peut provoquer un échauffement local du fer qui pourrait le déformer le rotor, provoquant un déséquilibre dangereux.

La protection contre les défauts à la terre du rotor peut être fourni par un relais qui contrôle l'isolation du rotor en appliquant une tension alternative auxiliaire au rotor ou un relais de tension en série avec une haute résistance (la combinaison de résistances linéaires et non linéaires est la méthode couramment utilisée de nos jours ) connecté à travers le circuit du rotor , le point central dont est relié à la terre par l'intermédiaire de la bobine d'un relais sensible (code ANSI/IEEE/CEI 64).

De nos jours, la technique moderne appelle à l'utilisation combinant résistances linéaires et non linéaires .

La figure 2 montre un exemple de rotor protection contre les défauts à la terre .

Perte de protection de champ utilise un relais qui détecte le changement de flux de puissance réactive. Une protection contre la perte d'excitation typique schéma utilise un Offset Mho (impédance ) relais pour mesurer l'impédance de charge du générateur .

Le Offset Mho relais d'impédance est un relais monophasé , et est alimenté par le générateur CT et VT . La perte de relais de terrain fonctionnera si la valeur de l'impédance de charge tombe dans la caractéristique de fonctionnement du relais y.

Un relais temporisé est inclus pour initier le déclenchement de la machine si la condition de puissance réactive principale persiste pendant 1 s (typique ).

Pour éviter la saturation du cœur en raison de la surexcitation pendant le démarrage et l'arrêt une protection contre la surexcitation (Code ANSI/IEEE/CEI 59) est utilisé.

Surexcitation peut être expliqué par l'équation suivante :

B =V / f

Où B est la densité de flux magnétique ou induction magnétique ou core flux (unité :tesla – T ), V est la tension appliquée (unité :volt – V ) et f la fréquence (unité :hetz – Hz ).

Pour le flux principal rester en dessous du point de saturation , la tension du générateur ne peut augmenter que lorsque la fréquence (ou la vitesse) augmente .

Si l'excitation est augmenté trop rapidement , alors cette condition de surexcitation doit être détecté , et le disjoncteur de champ s'est déclenché .

Surexcitation les schémas de protection utilisent Volts par Hertz relais .

Ces relais ont une caractéristique linéaire , et fonctionnera si la tension divisée par la fréquence dépasse la valeur définie .

Protection contre la surchauffe des enroulements et des roulements du stator est généralement effectué par RTD et thermistor pour surveiller la température .

Protection contre le déséquilibre de phase du stator utilise couramment un relais de surintensité inverse du temps , qui est défini conformément à le temps maximum de rotor peut supporter cette surchauffe .

La fonction de générateur protection de séquence de phase négative est de protéger la machine contre la surchauffe effets, notamment au niveau du rotor , qui se produisent à la suite d'un déséquilibre des courants de phase du stator .

Cette protection utilise un relais qui compare le courant à deux phases à travers CT , comme le montre la figure 3.

Protections sont définis conformément à la durée maximale que le rotor peut supporter cette surchauffe et temps est défini par l'équation K =I ² t (basé sur la loi de Joule ).

Courbes typiques car cette condition est indiquée dépend du moteur principal et sont indiqués par le fabricant .

Protection contre l'inversion de courant (code ANSI/IEEE/IEC 32) utilise un relais directionnel de puissance pour surveiller la charge du générateur; le relais est alimenté par le générateur CT et TT comme illustré à la Figure 4 et fonctionneront lorsque un flux de puissance négatif est détecté .

Protection hors étape détecte une condition causé par des perturbations du système électrique, plutôt que par des pannes de générateur . La protection détecte la condition lorsque le générateur glisse son premier pôle , et provoque le déclenchement des disjoncteurs du générateur .

La turbine n'est pas déclenché permettant à la machine d'être re-synchronisée après la dissolution du système .

Cette protection peut être considérée comme complémentaire à la protection contre la perte d'excitation.

Le décalage état se produit avec le générateur en plein champ et la perte de synchronisme due à la sous-excitation se produit lorsque le générateur n'a pas de champ .

Protection hors étape utilise trois relais de mesure d'impédance . Ces relais sont alimentés par le TC générateur et TT et mesurer le générateur impédance de charge , détectant une condition d'oscillation de puissance si les trois relais fonctionnent dans le bon ordre et initiera le déclenchement des disjoncteurs HT .

Pour les défauts de court-circuit externes relais de surintensité sont utilisés (50 ; 50N ; 51 ; 51N ).

Protection sous et surfréquence (Code ANSI/IEEE/CEI 81 ) détecte également les perturbations du système, plutôt que les défauts du générateur. Une panne majeure du système électrique peut entraîner une puissance de production excessive ou insuffisante pour la charge connectée restante .

Dans le premier cas , surfréquence , avec possible surtension résultats en raison de la demande de charge réduite . Fonctionnement dans ce mode ne produira pas de surchauffe sauf si puissance nominale et environ 105 % tension nominale sont dépassés .

Les commandes du générateur doivent être rapidement ajustées pour faire correspondre la sortie du générateur à la demande de charge .

Avec génération insuffisante pour la charge connectée , sous-fréquence est le résultat d'une forte demande de charge .

La chute de tension provoque le régulateur de tension pour augmenter l'excitation . Le résultat est qu'une surchauffe peut se produire à la fois dans le rotor et le stator . En même temps , plus de puissance est demandée , avec le générateur moins capable de le fournir à la fréquence décroissante .

Le délestage du système de transmission automatique ou manuel devrait idéalement ajuster la charge pour correspondre à la génération connectée avant qu'un effondrement total du système électrique ne se produise.

Relais de surtension et de sous-tension (Codes ANSI/IEEE/CEI 59 et 27 ) sont utilisés pour contrôler la tension .

Protection de démarrage supplémentaire de phase est fourni pour détecter une condition où un défaut existe s lorsque le générateur est en train d'atteindre sa vitesse . Les générateurs ne doivent bien sûr pas être démarrés dans une charge ou dans une condition de panne.

Pour éviter cela, un schéma de protection n est utilisé pour passer en service les relais de surintensité à seuil bas UNIQUEMENT si la fréquence est inférieur à 52 Hz sur 60 Hz systèmes d'alimentation et 42 Hz sur 50 Hz systèmes .

Aujourd'hui IED (voir section 2.1) qui regroupent toutes les fonctions de protection requises sont couramment utilisés pour la protection du générateur .

À propos de l'auteur :Manuel Bolotinha

-Licence en Génie Électrique – Systèmes énergétiques et électriques (1974 – Instituto Superior Técnico/Université de Lisbonne)
– Master en Génie Électrique et Informatique (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
/> – Consultant senior en sous-stations et systèmes électriques ; Formateur professionnel