הקדמה על הגנות גנרטורים
גנרטור הוא מכונה להמרת אנרגיה, המקבלת כ INPUT אנרגיה מכנית, וע"י ניצול של שדה אלקטרומגנטי מסתובב ותכונות מגנטיות של חומרים מתקבל כ OUTPUT אנרגיה חשמלית.
רוב ייצור האנרגיה המסיבי ע"י גנרטורים מתבצע בעזרת גנרטור סינכרוני.
בסטטור קיימים שלושה ליפופים אשר מייצרים שדה אלקטרומגנטי מסתובב, ברוטור קיים ליפוף יחד אשר מוזן ע"י מערכת DC ונוצר מגנט קבוע (אלקטרומגנט), בעקבות כך הרוטור מסונכרן עם הסטטור ומסתובב במהירות סינכרונית.
שליטה על העומס/הספק מתבצעת בעזרת המנוע/טורבינה, שינוי במומנט המכני.
גנרטור נמדד ביכולת הוצאת ההספק שלו הנמדד ביחידות kVA.
ההספק הוא תוצאה של זרם, מתח ותדר.
נתוני היצרן של הגנרטור בדרך כלל נתונים בטווח טמפרטורות של –20° C עד 50° C.
גנרטור יכול לעמוד בשינויי מתח של עד 5% מהמתח הנקוב כדי לעמוד בנתוני היצרן.
במצבי חירום, ניתן לחרוג מהזרם הנקוב לזמן קצר על פי תקן C50.13 של IEEE באופן הבא:
הגנות בגנרטורים
גנרטור סינכרוני כמכונה לייצור חשמל, הוא מרכיב קריטי ומשמעותי במערכת החשמל, אי לכך נדרש להגן עליו מפני תקלות והשבתה, ומאידך למנוע מצב של FALSE TRIP.
להלן ההגנות הנפוצות בגנרטורים: ** (בתמונה ממסר אלקטרו מכני להגנה)
רגישות: זיהוי מצבי תקלה.
- אמינות: פעולה ההגנה רק במקרה הנדרש.
- סלקטיביות: זיהוי תקלות שאינן נמצאות בתחום הנבדק.
- מהירות: נדרשת מהירות תגובה וניתוק לצמצום נזקים.
- פשטות: שימוש באמצעים פשוטים, זולים ונגישים בשוק.
טכניקות הארקה בגנרטור
מדוע נדרש להאריק?
- הגברת הבטיחות ע"י אפשרות זיהוי תקלות, לדוגמא זיהוי קצר חד פאזי לאדמה לפני שהתקלה מחמירה והופכת לקצר תלת פאזי.
- שליטה בזרם הקצר, ע"י עכבת הארקה.
- הארקת גוף הגנרטור ויצירת אפס מוחלט בסביבתו.
בעכבת הארקה ניתן להשתמש בכמה טכניקות כגון:
- הארקה קשיחה לאדמה.
- הארקה בהתנגדות נמוכה.
- הארקה בהתנגדות גבוהה ע"י נגד הארקה.
- הארקה היברידית המנצלת את יתרונות כל שיטה, מבוצעת ע"י ממסר הגנה.
לא נרחיב על נושא הארקות במאמר זה,
בתמונה: נזק ע"י תקלת קצר חד פאזי לאדמה
הגנה דיפרנציאלית 87 +G87
הגנה עובדת על עיקרון פשוט שמבוסס על: זרם שנכנס = זרם שיוצא.(קירכהוף)
על פי עיקרון זה כאשר זרם כניסה וזרם יציאה לא שווים מזוהה מצב של קצר/קצר לאדמה,
ולכן מתרחש זיהוי רמת הזרם הדיפרנציאלי וניתוק בהתאם.
בשיטה זו נשתמש בציוד הבא:
- משני זרם.
- מכשיר הגנה.
כפי שניתן לראות בשרטוט,
מופיע סליל ראשי שעליו נרצה להגן.
נקרא גם "בתוך התחום".
שני משני זרם בקצוות של ה"תחום".
בעבר בצורה הפשוטה ביותר
מחברים את המשני זרם בחיבור
הפוך וכאשר מופיע זרם דיפרנציאלי מופעל ממסר אלקטרומכני.
היום בעזרת מכשיר הגנה, ניתן לסכם את שני הזרמים הללו בעזרת שיטה "נומרית" לאפיין את זרם הדיפרנציאלי ולהגדיר עקומה/שיפוע לניתוק.
אתגרים ובעיות בשיטה זו:
- רוויה במשני זרם – גורמת לאי דיוקים במדידה, וניתוק לשווא.
- DC OFFSET – בעקבות הפרעה מסויימת ברשת נוסף מרכיב DC ויוצר שגיאה במדידה.
- הרמוניות, לדוגמא בזמן הפעלת שנאי גדול (לא רלוונטי ל 87G)
הגנה זה בשימוש בסלילי הגנרטור, על כל פאזה קיימים שני משני זרם ומגדירים את הסליל של הגנרטור כ"תחום" ובמידה ומתרחש קצר לגוף(לאדמה) באחד או יותר מסלילי הגנרטור, הגנה 87G תזהה זאת ותפסיק את פעולת הגנרטור.
בגרף מעלה ניתן לראות מהו הזרם הדיפ' המינימלי, שמעליו המערכת יודעת לתת פקודת TRIP.
כאמור הגנה 87 שימושית בעוד יישומים, כמו בהגנה על שנאים, קווי הולכה וזיהוי זליגה לאדמה.
כאשר השימוש ועקרון הפעולה הוא זהה לחלוטין, מה שמשתנה זהו רק ה"תחום" המיועד להגנה
הגנת סדרה שלילית (46) Unbalance
תופעה אשר נגרמת בד"כ ע"י מעגל פתוח במערכת, לדוגמא:
- מוליך תקול/פגוע אשר מהווה נתק.
- מפסקים/מנתקים אשר לא מוליכים במגעים.
ולכן כאשר זרמים לא מאוזנים בפאזות "הבריאות" נוצר זרם בסדרת אפס בסטטור, ומושרה בתדירות כפולה לרוטור.
זרם המושרה כ 100HZ ברוטור גורם להתחממות יתרה ברוטור.
כאשר כיום משתמשים בממסר הגנה דיגיטלי,
- ממסרים אלו מסוגלים מסוגלים לזהות ערכים שגם נמוכים מ 60%-I2-, לעומת ממסרים אלקטרומכניים.
- מסוגלים לזהות חוסר איזון בעומס.
- ומסוגלים לזהות מצב נתק במוליך.
הגנת אנרגיה הפוכה Reverse power (32)
בתקלה זו נוצר מצב שהגנרטור הסינכרוני נהפך למנוע סינכרוני,
לדוגמא במצב שבו המנוע/טורבינה נפסקים מכנית.
האנרגיה החשמלית הנצרכת מהרשת מניעה את היחידה הסובבת ובעקבות כך נגרם:
- צריכת חשמל מיותרת מהרשת.
- חימום יתר בטורבינה.
- חימום יתר בתמסורות למיניהן.
- דלק לא נשרף כראוי מגיע למערכת פליטה.
קיימות רמות שונות של אנרגיה הפוכה בהתאם לסוג היחידה הסובבת:
במנועי דיזל – 5-25%
טורבינות הידרו – 0.2-2%
טורבינת קיטור – 0.5-3%
הגנת מתח יתר - הגנה 59
תופעת מתח יתר עלולה להיווצר בגנרטור לאו דווקא מחריגה מיחס המתח לתדר (V/Hz) ולכן נדרשת הגנה נפרדת מפני מתח יתר.
באופן כללי, תופעה זו מתרחשת בדרך כלל בגנרטורים הפועלים בטכנולוגיית ההידרו כאשר עומס אחד מתנתק באופן פתאומי או שמתרחש כשל בווסת המתח של הגנרטור.
באופן כללי בעיה זו אינה מתרחשת עם גנרטורים המופעלים על ידי קיטור וגז בגלל התגובה המהירה של מערכת בקרת המהירות ווסתי המתח.
לצורך הגנת הגנרטור ממתח היתר, נדרש להתקין ממסר מתח יתר שלא מושפע מתנודות התדר.
לממסר זה צריכות להיות 2 תכונות.
תכונה אחת לניתוק מיידי כאשר המתח הינו בין 130% ל-150% מערכו הנקוב ותכונה לניתוק לא מיידי כאשר המתח עולה על 110% מערכו הנקוב.
את הממסר יש לחבר להפעלת המפסק הראשי של הגנרטור.
הגנת תת מתח - הגנה 27
גנרטורים מתוכננים בדרך כלל לפעול באופן רציף במתח מינימלי של 95% מהמתח הנקוב שלהם, תוך אספקת הספק נקוב בתדר נקוב. הפעלת גנרטור עם מתח נמוך מ- 95% מהמתח הנקוב, עלולה לגרום לתופעות לא רצויות כגון הפחתה במגבלת היציבות, ייבוא כוח תגובתי מוגזם מהרשת אליה הוא מחובר ותקלות בהתקנים ובציוד הרגישים למתח.
ניתן למנוע מצב זה ע"י הוספת ממסר המזהה ירידה של 5% מהמתח הנקוב של הגנרטור.
את הממסר בדרך כלל יש לחבר למערכת ההתראה כך שלא תפסיק את פעולת הגנרטור.
תקלה בממסר לחץ – גילוי תקלות בשנאי - הגנה 63
הגנה זו לא מתקשרת באופן ישיר בגנרטורים, אך בכל מערכת גנרציה גדולה מעורב שנאי ולכן אוסיף למאמר זה הגנה בסיסית בשנאי.
הגנות רגישות לשנאי עלולות לנתק את פעולת השנאי לפעמים שלא לצורך.
ישנם הגנות המבוססות על שינוי לחץ השמן במבודדי השנאי.
בזמן תקלה פנימית של השנאי, יכול להיווצר גל של לחץ שמן, אשר זה בתורו יפעיל את ממסר ההגנה וינתק את פעולת השנאי.
מצד שני, לפעמים לחץ שמן נוצר לאו דווקא מתקלה אלא בגלל שינוי העומסים המחוברים לשנאי או שינויים בתנאי הסביבה.
כדי להתגבר על בעיה זו נדרש להתקין ממסרים המגיבים לשינויי לחץ פתאומיים בגז מעל השמן או לשינויים בלחץ השמן עצמו, ממסרים הרגישים יותר מממסרים דיפרנציאליים.
האופיין של הממסרים האלה הינו תגובה מהירה לשינויים גדולים אך תגובה איטית לשינויים קטנים.
במצב זה גם כאשר יתרחשו שינויים בעומסים או בתנאי הסביבה, השנאי ימשיך לעבוד ללא ניתוקים.
