عملکرد ژنراتور با فرکانس غیرعادی (زیر/بیش از حد) – علت اصلی، ضربه، اقدامات حفاظتی و حالت‌های خاموش شدن آن

فرکانس ولتاژ خروجی ژنراتور در ترانسفورماتورهای پتانسیل ژنراتور نظارت می شود. فرکانس معمولا در کنترل پنل اصلی نمایش داده می شود. فرکانس بر حسب سیکل در ثانیه یا هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود. به فرکانس الکتریکی ژنراتور اشاره دارد. برای انحراف غیر طبیعی از فرکانس سیستم که بسته به موقعیت مکانی در جهان 60 و 50 هرتز است، نظارت می شود.

این مقاله موقعیت‌هایی را نشان می‌دهد که ممکن است منجر به عملکرد ژنراتور با فرکانس زیر (81U) یا بیش از (81O) شود، علل ریشه‌ای برای تولید فرکانس غیرعادی، ابزار معمولی برای تشخیص شرایط فرکانس غیرعادی و شیوه‌های حفاظتی در برابر این شرایط. در زیر محتوای مقاله آمده است:

1. مروری کوتاه بر عملکرد ژنراتور با فرکانس غیر طبیعی (زیر یا بیش از حد)

2. علت فرکانس های غیر طبیعی و اقدامات توصیه شده برای عادی سازی فرکانس

3. قابلیت های فرکانس غیرعادی ژنراتورهای توربین

4. اقدامات حفاظتی در برابر عملیات با فرکانس غیر طبیعی

1. مروری کوتاه بر عملکرد ژنراتور با فرکانس غیر طبیعی (زیر یا بیش از حد)

عملکرد U/F و O/F نشان می دهد که آیا دستگاه کمی کمتر از فرکانس نامی سیستم یا بیشتر از آن کار می کند. جالب توجه است که توربین به طور کلی نسبت به ژنراتور به این شرایط حساس تر است. در مورد ژنراتور، نگرانی اصلی این است که در حالی که تحت فرکانس و در بالاترین ولت ترمینال مجاز کار می کند، ممکن است دستگاه فراتر از ناحیه مجاز V/Hz حرکت کند. این شرایط باید توسط طرح حفاظتی مسلح شود تا اپراتور فرصتی برای اصلاح آن داشته باشد (کاهش ولتاژ ترمینال یا حذف واحد از کار).

با این حال، همانطور که در بالا گفته شد، این عنصر توربین است که به عملکرد U/F و O/F حساس تر است. مناطق اصلی نگرانی پره‌های توربین هستند که به یکی از فرکانس‌های طبیعی خود حرکت می‌کنند و در نتیجه خستگی فلز را تسریع می‌کنند. زمانی رایج بود که توربین‌های بخار حساس‌تر از توربین‌های احتراقی هستند. امروزه اینطور نیست. برای همگام شدن با حرکت مداوم برای بهبود راندمان توربین‌های احتراق، شیوه‌های طراحی مدرن امروزی برای این واحدها منجر به کاهش حاشیه‌ها می‌شود و باعث می‌شود تحمل کمتری نسبت به عملکرد O/F و U/F داشته باشند، اغلب بارها کمتر از توربین‌های بخار.

فرکانس بیشتر برای عملکرد تیغه توربین، آب بندی هیدروژنی و یاتاقان مورد توجه قرار می گیرد. بسیاری از حالت‌های ارتعاشی زیرهمگام با عملکرد فرکانس پایین مرتبط هستند که می‌توانند این اجزا را خراب کنند و باید از آنها اجتناب کرد.

عملکرد بیش از حد و کم فرکانس عموماً ناشی از رد بار کامل یا جزئی یا شرایط اضافه بار است. رد بار می تواند ناشی از نقص در سیستم یا ریزش بار باشد.

شرایط اضافه بار ممکن است از خاموش شدن یک ژنراتور بزرگ یا یک خط انتقال ایجاد شود. این که دستگاه پس از دفع بار یا اضافه بار به چه فرکانسی دست خواهد یافت، تابعی از میزان تغییر بار و ویژگی های افت گاورنر است. به عنوان مثال، یک گاورنر با مشخصه افت 5% باعث افزایش سرعت 1.5% برای رد بار 30% می شود.

فرکانس بیش از حد اغلب نتیجه کاهش بار آنی در زمانی که ژنراتور با سیستم هماهنگ می شود، یا ناشی از گشتاور بیش از حد توربین زمانی است که ژنراتور قبل از همگام سازی با شبکه در شرایط مدار باز قرار دارد.

در حین کار بر روی بار، کاهش سریع بار ممکن است باعث شود که جریان در سیم پیچ استاتور به سرعت کاهش یابد و ولتاژ پایانه نیز به سرعت به دلیل سطح بالای تحریک میدان که هنوز اعمال می شود، افزایش یابد. در این مورد، اقدام خودکار برای کاهش ورودی بخار به توربین، مطابقت با نیازهای بار و کاهش سریع جریان میدان برای حفظ ولتاژ پایانه در محدوده (یعنی تنظیم کننده ولتاژ خودکار) انجام می شود.

زیر فرکانس عموماً ناشی از یک رویداد سیستمی است نه در خود مولد. با این حال، تأثیر روی ژنراتور تقریباً همیشه تلاش سیستم برای استخراج جریان بیش از حد از استاتور و کاهش سرعت روتور است. این همچنین باعث کاهش ولتاژ ترمینال استاتور می شود.

برای جبران این، سیستم تحریک ژنراتور به طور کلی وارد “فید اجباری” می شود تا ولتاژ ترمینال نامی را حفظ کند. بنابراین امکان تداوم گرمای بیش از حد در هر دو سیم پیچ استاتور و روتور در این نوع رویداد وجود دارد. معمولاً محافظت در برابر اضافه بار در این قطعات ارائه می شود.

اگر دستگاه با کار یک رله فرکانس U/O قطع شود، واحد نباید به سرویس بازگردانده شود، تا زمانی که فرکانس سیستم در محدوده‌های قابل قبول تثبیت شود و مشخص شود که حفاظت به درستی کالیبره شده است.

2. علت فرکانس های غیر طبیعی و اقدامات توصیه شده برای عادی سازی فرکانس

عملکرد ژنراتورها در فرکانس‌های غیرعادی (فرکانس بیش‌ازحد یا زیر فرکانس) عموماً از رد بار کامل یا جزئی یا بارگذاری بیش از حد ژنراتور ناشی می‌شود.

رد بار کامل یا جزئی ممکن است در اثر رفع عیوب سیستم یا در اثر ریزش بار در طول یک اختلال عمده سیستم ایجاد شود. رد بار باعث می شود که ژنراتور بیش از حد سرعت داشته باشد و در فرکانس هایی بالاتر از حد معمول کار کند. فرکانس حالت پایدار نهایی تابعی از مقدار بار رد شده و مشخصه افتادگی گاورنر خواهد بود. به عنوان مثال، با فرض یک مشخصه افت گاورنر 5 درصد، کاهش بار 50 درصدی باعث افزایش 2½ درصدی فرکانس می شود.

به طور کلی، شرایط فرکانس بیش از حد مشکل جدی ایجاد نمی کند زیرا عملگر و/یا کنترل می تواند برای بازگرداندن سریع سرعت و فرکانس ژنراتور به حالت عادی بدون نیاز به خاموش کردن ژنراتور استفاده شود.

بارگذاری بیش از حد یک ژنراتور ممکن است به دلیل انواع اختلالات سیستم و/یا شرایط عملیاتی ایجاد شود. با این حال، نگرانی اولیه اختلال سیستم ناشی از از دست دادن عمده تولید است که باعث جدایی سیستم و اضافه بار شدید در ژنراتورهای سیستم باقی مانده می شود. تحت این شرایط، فرکانس سیستم کاهش می یابد و ژنراتورها ممکن است در معرض عملکرد طولانی مدت در فرکانس کاهش یافته قرار گیرند.

در حالی که طرح‌های کاهش بار برای جلوگیری از فروپاشی فرکانس و بازگرداندن فرکانس به حالت عادی در طول چنین اختلالاتی طراحی شده‌اند، ممکن است کاهش بار رخ دهد. این ممکن است باعث بازگشت بسیار آهسته فرکانس به حالت عادی یا پایین آمدن فرکانس سیستم در سطحی کمتر از نرمال شود. در هر صورت، امکان کار با فرکانس کاهش یافته برای زمان کافی برای آسیب رساندن به ژنراتورهای توربین بخار یا گاز وجود دارد.

به طور کلی، عملکرد زیرفرکانس یک ژنراتور توربین بسیار مهمتر از عملکرد بیش فرکانس است، زیرا اپراتور گزینه کنترل را ندارد. بنابراین، معمولاً توصیه می شود که نوعی حفاظت در فرکانس زیر برای ژنراتورهای توربین بخار و گاز ارائه شود.

3. قابلیت های فرکانس غیرعادی ژنراتورهای توربین

هم ژنراتور و هم توربین در درجه عملکرد فرکانس غیرعادی قابل تحمل محدود هستند. در فرکانس های کاهش یافته، کاهش توانایی خروجی یک ژنراتور وجود خواهد داشت. کاهش قابلیت عموماً به نسبت کاهش فرکانس است.

هیچ استانداردی وجود ندارد که توانایی ژنراتور را در فرکانس های کاهش یافته مشخص کند، اما این اطلاعات عموماً از سازنده ژنراتور در دسترس است. کاهش در قابلیت خروجی همراه با اضافه بار احتمالی ژنراتور در طول یک اختلال سیستم ممکن است منجر به آسیب حرارتی ژنراتور در صورت تجاوز از قابلیت حرارتی کوتاه مدت آن شود. این امکان باید شناسایی و حمایت شود.

توربین معمولاً محدودتر از ژنراتور در فرکانس های کاهش یافته به دلیل رزونانس های مکانیکی احتمالی در بسیاری از مراحل پره های توربین در نظر گرفته می شود. خروج از سرعت نامی فرکانس های محرک را به یک یا چند فرکانس طبیعی تیغه های مختلف نزدیک می کند و تنش های ارتعاشی افزایش می یابد. با افزایش تنش های ارتعاشی، آسیب انباشته می شود که ممکن است منجر به ترک خوردن برخی از قسمت های ساختار تیغه شود، به احتمال زیاد سیم های اتصال یا پوشش تیغه ها. ترک های سیم کشی و پوشش تیغه خرابی فاجعه آمیزی نیستند، اما رفتار ارتعاشی مجموعه تیغه را تغییر می دهند به طوری که احتمال دارد فرکانس های تشدید طبیعی نزدیک به سرعت نامی داشته باشد. این ممکن است باعث خستگی تیغه در شرایط عادی کار شود.

سازندگان توربین محدودیت های زمانی را برای عملکرد فرکانس غیرعادی در نظر می گیرند. این داده ها معمولاً در قالب زمان کار مجاز در یک باند فرکانسی مشخص ارائه می شوند. بسته به طراحی و سازنده، ممکن است از یک تا شش باند فرکانسی برای یک توربین تحت بار مشخص شده باشد. اثرات عملکرد فرکانس غیرعادی تجمعی هستند. بنابراین، اگر یک توربین برای 50٪ از زمان مجاز در یک باند فرکانسی مشخص کار کند، این تنها 50٪ از زمان مجاز باقی مانده در آن باند فرکانسی را برای باقیمانده عمر توربین باقی می گذارد.

این محدودیت‌های قابلیت توربین عموماً برای ژنراتورهای توربین بخار اعمال می‌شود. ژنراتورهای توربین احتراقی (CTG) به طور کلی دارای قابلیت بیشتری نسبت به واحدهای بخار برای عملیات زیر فرکانس هستند. با این حال، CTG ها اغلب به دلیل ناپایداری احتراق و/یا کاهش شدید خروجی توربین با افت فرکانس محدود می شوند. حد زیر فرکانس خاص باید برای هر CTG از سازنده گرفته شود. به طور کلی هیچ محدودیتی برای هیدروژنراتورها وجود ندارد.

4. اقدامات حفاظتی در برابر عملیات با فرکانس غیر طبیعی

در واقع، حفاظت زیرفرکانس اولیه برای ژنراتورهای توربین بخار و گاز با اجرای برنامه‌های کاهش بار خودکار در سیستم قدرت ارائه می‌شود. این برنامه های کاهش بار باید به گونه ای طراحی شوند که برای حداکثر شرایط اضافه بار ممکن، بار کافی برای بازگرداندن سریع فرکانس سیستم به نزدیک به نرمال تخلیه شود.

حفاظت پشتیبان برای شرایط زیر فرکانس باید با استفاده از یک یا چند رله و تایمر زیر فرکانس در هر ژنراتور ارائه شود.

IEEE Std C37.106-1987 باید برای بحث کاملتر در مورد حفاظت در برابر فرکانس توربین مشورت شود.

کامل ترین طرح ها مستلزم آن است که برای هر باند فرکانس مشخص از یک رله زیرفرکانس استفاده شود و رله زمانی تنظیم شود که فرکانس وارد باند شود. یک تایمر مرتبط با هر رله زیر فرکانس وجود دارد و تایمر به گونه ای تنظیم شده است که برای هر حادثه زیر فرکانس تنها بخشی از کل زمان مجاز در آن باند مصرف می شود. طرح‌های جامع‌تر از یک رله زیر فرکانس برای چندین باند استفاده می‌کنند. طرح‌های رله و تایمر چندگانه زیر فرکانس در CTG استفاده نمی‌شوند. سازندگان CTG عموماً محافظت در برابر فرکانس پایین را ارائه می دهند و این معمولاً شامل یک مرحله سفر زیر فرکانس است. سطح سفر باید از سازنده گرفته شود.

رله‌های زیرفرکانس و تایمرها معمولاً برای خاموش کردن ژنراتور وصل می‌شوند. با این حال، در مواردی که عواقب از دست دادن ماشین فاجعه آمیز است، یک شرکت برقی ممکن است فقط با حفاظت از فرکانس پایین هشدار دهد و احتمال آسیب رساندن به توربین را بپذیرد.

حفاظت از توربین به طور مستقیم توسط دستگاه های محافظ روی صفحه توربین سنجش سرعت و شرایط بار (که همیشه بر اساس مشخصات فروشنده تنظیم می شود) و به طور غیرمستقیم با نظارت بر حفاظت O/F و U/F ولتاژ خروجی انجام می شود.

برای جلوگیری از آسیب به توربین، ضروری است که این محافظ به درستی راه اندازی و نگهداری شود. سازندگان منحنی هایی را برای مناطق مجاز کار و حداکثر زمان انباشته شده برای طول عمر واحد و برای دوره های کار در مناطق محدود ارائه می دهند. حداکثر زمان انباشته شده در طول عمر دستگاه به طور کلی بر حسب دقیقه (معمولاً در عرض چند ثانیه تا چند ده دقیقه) داده می شود. شکل زیر یک تصویر را نشان می دهد.

در تمامی موارد اپراتورها باید برای کسب اطلاعات صحیح در مورد واحدهای خود به فروشنده تجهیزات مراجعه کنند. . یک بحث بسیار خوب. شکل زیر نمونه ای از محدوده عملیاتی فرکانس O/U و تنظیمات دستگاه محافظ را نشان می دهد.