5- 4 حفاظت ژنراتور

هنگامی‌که ژنراتور اضطراري كار می‌کند، درواقع اين دستگاه نيروي برق بارهاي بحراني و مهم را تأمین می‌نماید. بنابراين، با تـوجه به نقش آن، می‌توان ژنراتور را اساسيتريـن عنصر در سيستم تغذيه بـرق محسوب

شكل 6-5: سيستم برق اضطراري با فيوزها

  شكل 7-5: نمودار هماهنگي فيوزهاي سيستم برق اضطراري

كرد. سازندگان هميشه تمام الزامات اصلي حفاظت ژنراتورها را پیش‌بینی و تأمین نكرده و برخي انتخاب واختيار را به عهده مصرف كننده باقي ميگذارند. در هر كاربردي، مصرفكننده يا كاربر، قبل از تصمیم‌گیری در مورد بهترين طرح حفاظت، بايد نيازمندي هاي خويش و ماهيت بحراني و وخيم بار را ارزيابي نمايد. طرح حفاظت انتخابي بايد قابليت اعتماد اين منبع نيروي برق را تضمين نمايد. علاوه بر رعايت و اعمال اصول استاندارد در حفاظت ژنراتور، كاربر بايد به تجربه كاري و قضاوت دقيق در تعيين این‌که طرح‌های حفاظت استاندارد، قابليت اعتماد مورد لزوم سيستم نيروي برق اضطراري را تأمین می‌کنند يا نه، توجه كند. براي مثال، نصب و كار ژنراتور در يك مكان دور دست يا در محل نزديك، می‌تواند تعيين كند كه هشدار ديداري يا شنيداري در شرايطي كه ازکارافتادن خودكار دستگاه استفاده می‌شود، كافي خواهد بود يا نه. در شرايطي كه نيروي برق فوق‌العاده بحراني و حياتي است، ارزيابي تبعات اتلاف توان در رسيدن به بارهاي بحراني برحسب صدمه به منبع برق اضطراري كاري عاقلانه خواهد بود.

5- 1-4 حفاظت سیم‌پیچي آرميچر

 مهمترين عامل ازنظر حفاظت سيمپيچي، اضافه جريان است كه اصولاً از اضافه‌بارها و اتصال كوتاه ناشي می‌شود. عمدهترين وسايل حفاظتي كه در اين رابطه به كار می‌روند كليدهاي خودكار يا فيوزها هستند.

معذالك اندازه دستگاه ژنراتور می‌تواند بر روش به كار گرفتن و سطوح لغزش این‌گونه وسايل به شدت اثرگذار باشد. همچنين نيازمنديهاي حفاظت در برابر اضافه ولتاژ بين ماشينهاي كوچك و بزرگ (يعني نرخ‌های ولتاژ زياد و ولتاژ پايين) تفاوت دارد.

5 -1-1-4 حفاظت اضافه جريان

نياز به حفاظت در برابر اضافه جريان در ماشينهاي بزرگ امري بديهي است. در رابطه با اهداف اين فصل، ماشین‌های مذكور از انرژي ذخیره‌شده الكتريكي و مكانيكي كافي و درنتیجه جريان اتصال كوتاه در دسترس مكفي برخوردار بوده و هماهنگي بين ژنراتور و ساير وسايل حفاظتي اضافه جريان طرف بار امري آسان خواهد بود. ازآنجاکه انتخاب پذيري وسيله اضافه جريان تا حد منطقي آسان است، حفاظت س يم پيچيهاي ژنراتور به‌طور جدي قابل مصالحه با قابليت اعتماد منبع نيروي برق، كه بارهاي بحراني را تغذيه می‌کند، نبوده وبدين دليل و نيز به علت هزينه سرمایه‌گذاری، حفاظت اضافه جريان سیم‌پیچي هاي ژنراتور اهميت می‌یابد. به‌عنوآن‌یک قاعده، طراحي يك طرح حفاظت بايد بر اساس ضوابط استاندارد باشد. ضوابط و اصول استاندارد می‌تواند از يك كليد خودكار منفرد، ساده و با قالب ريخته شده تا يك كليد خودكار باتوان بالاتر و با ويژگي توانايي قفل با انتخاب ناحيه (Zone –selective interlocking) متناوب باشند. استاندارد IEEE Std. 242 دستورالعمل‌های مفيدي در موردحفاظت ژنراتور توصيه می‌نماید.

ازنظر جريان اتصال كوتاه در دسترس، دستگاه‌های ژنراتور کوچک‌تر، مسأله پیچیده‌تري را مطرح می‌کنند. ايندستگاه ها ماشينهايي با انرژي ذخيره مكانيكي و الكتريكي نسبتاً كم و نسبتهاي XR  سيستم نوعاً پايين بوده و در شرايط خرابي ناگهاني سرعت آن‌ها سريعا افت كرده و در تأمین جريان خرابي مداوم مشكل دارند.

بسياري از مصرف كنندگان ژنراتور و افرادي كه مشخصات آن‌ها را تعيين می‌کند اغلب بر لزوم متوقف ساختن ژنراتور به‌منظور حفاظت سیم‌پیچي ها در شرايط اتصال كوتاه تأکید دارند. تحت برخي شرايط، جريان اتصال كوتاه تنظيم نشده قادر به ايجاد صدمه در ژنراتور كوچك است. به‌هرحال امكان دارد خروجي ژنراتور با سيستم تحريك معيني، قبل از وقوع هرگونه صدمه جدي، به صفر تنزل يابد. حتي با تحريك جداگانه، خروجي را می‌توان بنحوي مشخص كرد كه به نرخ بار كامل يا كمتر كاهش يابد. اين موضوع در شكل 1-5 نشان داده‌شده است. در اين رابطه، ژنراتور ذاتا محافظت شده و نقش وسيله اضافه جريان ازنظر حفاظت سيمپيچي در مقابل جريان اتصال كوتاه كم رنگ و جزئی است. خطرات فرض وجود حفاظت ذاتي درواقع شرايط نامطمئن خرابيهاي غير متعادل است. براي مثال، تحريك می‌تواند از یک‌فاز بدون خطا تأمین شده و جريان خرابي مداوم ناخواسته به وجود آيد. اگر حفاظت ذاتي لازم باشد، كاربر بايد اين ويژگي را مشخص كند.

جريان خرابي به ازاء هر واحد اوليه ژنراتور x˝d1 است كه در آن xd راكتانس گذراي فرعي ژنراتور بوده و توسط آزمون اتصال كوتاه ژنراتور تعيين می‌شود. جريان اتصال كوتاه اوليه، جریان‌های بسيار بالايي در ميدان القاء كرده و سیم‌پیچي هاي روتور را تعديل می‌کند (معمولاً 8 تا 10 بر ابر مقدار بدون بار) بنابراين، تلفات ژنراتور تحت شرايط خرابي، نه‌تنها شامل تلفات سيم پي چيهاي استاتور می‌باشد بلكه تلفات ميدان و تعديل و نيز تلفات بار سرگردان اضافي در هر دو فولاد روتور و استاتور را در برمی‌گیرد. امكان دارد در حالتي كه ژنراتور به‌طور ايمن نصب نشده، اين تلفات كوپلينگها را منهدم و استقرار سست ژنراتور را در هم شكند. در زمان حاضر، پارامترهاي قابل‌اعتمادي در صنعت جهت تعيين دقيق تلفات وجود ندارد ولي محاسبات مبتني بر راكتانس ها و مقاومت هاي متوالي مثبت، منفي و صفر، مقادير تقر يبي را به ما ارائه می‌دهد. براي تحليل دقیق‌تر، اين تلفات را می‌توان با انرژي جنبشي ذخیره‌شده و انرژي شافت مكانيكي مقايسه و اثرات خرابي را بر سرعت ژنراتور تعيين كرد.

در بحث فوق در مورد دستگاه‌های ژنراتور كوچك و بزرگ تبعات و اثرات بديهي صدمه به ژنراتور مدنظر قرار داشت. در عمل، تعيين اثرات صدمه حاصل از جريان اتصال كوتاه بر ژنراتور امري مشكل است. حتي براي سازنده، مشخص كردن حدود واقعي جريان اتصال كوتاه و مدت‌زمان آن كاري دشوار است، چون صدمه قابل‌تحمل می‌تواند از كاهش جزئی در عمر عايق تا صدمه واقعي به سيمپيچي فيزيكي كه ماشين را از كار می‌اندازد، تغيير كند. از نقطه نظر شدت مكانيكي ژنراتور استاندارد ANSI / NEMA MG - 1 مقرر می‌کند كه ژنراتور بايد قابليت ايستادگي بدون صدمه در برابر خرابي سه فاز در ترمينالهايش به مدت 30 ثانيه در زمانكار در KVA وضريب توان اسمي با تحريك ثابت به ازاء 5٪ اضافه ولتاژ را دارا باشد.

همان طور كه در شکل‌های 1-5 (الف) و (ب) قابل‌ملاحظه است، جريان مداوم در اين حالت معمولاً كمتر از جريان اسمي است و درنتیجه سیم‌پیچيها را ازنظر صدمه حرارتي مورد آزمون قرار نمی‌دهند. همچنين الزامات براي شرايط خرابي غير متعادل داده‌شده است.

فرض این‌که هر ژنراتور منحني صدمه دقيقي دارد كه به‌آسانی در دسترس و قابل‌استفاده در هماهنگي وسايل اضافه جريان می‌باشد امري اشتباه است. هدف ديگر مجاز دانستن افزايشºC25 اضافي در دماي

 سيمپيچي براي كاربرد اضطراري يا پشتيبآن‌یک ژنراتور مطابق ضوابط استاندارد ANSI / NEMA MG 1 می‌باشد. بعضي مواقع سيستم تنظيم كننده / تحريك كننده عامل محدودکننده در منحني صدمه است. براي مثال، يك مشخصه متداول براي دستگاه ژنراتور عبارت است از این‌که ژنراتور جريان خرابي PU 3 را براي 10 ثانيه (90 =  ) نگاه داشته باشد. اين امر درواقع می‌تواند محدوديتي براي تنظيم كننده كه در آن سیم‌پیچيهاي استاتور قابليت بيشتري دارند باشد. بررسي بيشتر نشان می‌دهد كه در طول خرابيهاي غير متعادل، گرم شدن روتور يك ويژگي محدودکننده خواهد بود. گرم شدن روتور به‌واسطه جريان متوالي منفي به وجود می‌آید. استاندارد ANSI / NEMA MG 1 ژنراتورها را ملزم ميسازد كه در مقابل جريان متوالي منفي فقط تا مقدار   برابر با 40 ايستادگي كند. در مدت خطاي خط ـ به ـ خط، كه بزرگ‌ترین محتواي جريان متوالي منفي را به وجود می‌آورد، اين جريان مرتبط با   كل 120 می‌باشد. به‌هرحال اگر مي خواهيم حفاظت در 120 =   برقرار شود، وسيله جداگانه اي جهت حفاظت سيستم تحريك موردنیاز است، مشروط بر آن‌که سيستم تحريك عامل محدودکننده در محاسبه 90 =   باشد. بنابراين، با افزايش مقدار اضافه جريان به بالاي حد كل سيستم، پيشرفت ناچيزي در قابليت هاي هماهنگي حاصل می‌شود. با فرض این‌که تمام شرايط تفيهم شده، از طريق مشاوره با سازنده، می‌توان حد زمان ـ جريان دقيقي را تخمين زد.

به‌منظور پرهيز از ابهام و سوء تعبير در مورد منحني هاي حد صدمه، توصيف بهتر، حد قابليت است. در مواردي كه تعيين حدود متفاوت با استانداردها مانند ANSI / NEMA MG 1 دشوار باشد اين پارامتر منطقي و قابل‌قبول است. در تعيين قابليت يك ژنراتور بايد با سازنده مشورت شود چون اين پارامتر بايد تمام اقلام در مشخص كردن ضعيف ترين بخش را در نظر بگيرد. اين اقلام شامل استاتور، روتور، تعديل كننده و سیم‌پیچي هاي تحريك كننده می‌باشد. نيمه هادي ها و نيز اجزاء تنظيم كننده جزء اقلام مذكور می‌باشند.

بنابراين، اگر اجازه داده شود شرايط خرابي به مدت طولاني برقرار باقي بماند، با قابليت حفظ خرابي وارد شدن صدمه به سیم‌پیچي ژنراتور (و احيانا به محرك اوليه) امکان‌پذیر است شكل 5- 8 به نمايش اين نكته مي پردازد.

منحني قابليت ژنراتور مفروضي مبتني بر حد حرارتي 90 =  در رابطه آن با منحنيهاي كاهش جريانخرابي مربوط به ژنراتوري با و بدون سيستم تحريك كه جهت برقراري جريان خرابي طراحی‌شده، در اين شكل نشان داده می‌شود. اين شكل بيانگر مورد واقعي نيست ولي به‌سادگی، سطح حداكثري را كه در آن وسيله حفاظتي ژنراتور بايد عمل كرده و حداقل حفاظت براي ژنراتور را تأمین كند، نمايش می‌دهد. جريان خرابي موجود در هر نقطه ديگر سيستم بايد موردمحاسبه قرار گيرد چون سازنده ماشين ـ ژنراتور فقط می‌تواند اطلاعاتي در مورد جريان خرابي موجود در ترمینال‌های ژنراتور را ارائه دهد. نكته ديگر كه معمولاً بدون استفاده از منح نيهاي كاهش جريان خرابي مشهود نيست عبارت است از این‌که مقدار جریان‌های خرابي مداوم در خرابيهاي خط ـ به ـ خط و خط ـ به ـ زمين نوعاً بيشتر از مقدار سه فاز هستند. هنگامی‌که فقط منحني كاهش جريان خرابي سه فاز در دسترس است، كاربر بايد توجه داشته باشد كه وسايل اضافي جريان بايستي در خرابی‌های خط ـ به ـ خط و خط ـ به ـ زمين سریع‌تر لغزش (trip) كنند.

شكل 8-5: منحني هاي كاهش خرابي متعادل و نا متعادل ژنراتور، نسبت به منحني قابليت ژنراتور

هنگامی‌که كليد خودكار اصلي به کار می‌رود، كليد با بدنه عايق شده يا كليد توان هماهنگي سهل تري با مشخصه هاي لغزش قابل تنظيم خويش در گسترههاي تأخیر زماني طولاني، تأخیر زماني كوتاه و لحظه‌ای از خود بروز می‌دهد. به‌هرحال كليدهايي با بدنه ريختهگري شده به ازاء مقدار اسمي مفروض اندازه كوچكتري دارند. معذالك بدون مشخصه هاي لغزش قابل تنظيم، هماهنگي آن‌ها با ساير وسايل اضافه جريان ها با حدود قابليت ژنراتور، كاري دشوارتر خواهد بود. برخي وسايل لغزش الكترونيكي مشخصههاي   ثابتي دارند كه براي حفاظت ژنراتور مناسب می‌باشند. رله هاي منحني هاي   ثابت يا منحني فوق العاده معكوس كه تقريب نزديكي است را دارند. آشكارسازهاي دماي سيمپيچي استاندارد در تأمین اين حفاظت حرارتي کوتاه‌مدت، به اندازه كافي سريع پاسخ نميدهند. اغلب فيوزها مشخصه   ثابت در نواحي جريان ژنراتور را نداشته و درنتیجه، به ازاء جریان‌های خرابي ژنراتور متغير حاصل از انواع مختلف خرابي ها، با كليدهاي فروسو هماهنگي يكساني را از خود نشان نمی‌دهند.

انتخاب و كاربرد صحيح وسيله حفاظتي اضافه جريان به‌دقت حد قابليت ژنراتور، جريان خرابي در دسترس و تنظيم انتخاب وسيله اضافه جريان، بستگي دارد. شكل 9-5 نشان می‌دهد چگونه می‌توان در كاربرد يك وسيله حفاظتي اشتباهي را مرتكب شد. ژنراتور در مثال مقادير اسمي KW100 و A151 در بار كامل را داراست. يك كليد خودكار نوعي با قالب ريخته شده در 125٪ نرخ (مقدار اسمي) ژنراتور، با اين فرض كه مقدار اسمي بار با ژنراتور برابر است، به كار برده می‌شود. در اين مثال، كليد A200 انتخاب می‌گردد. بخش نقطه چين منحني كاهش نشان می‌دهد كه اگر كليد در ناحيه لحظه‌ای لغزش نكند، حداقل 80 ثانيه زمان مي خواهد تا لغزشي را بهازاء PU3 جريان مداوم آغاز نمايد. بنابراين ژنراتور بايستي I²tPU اسمي بيش از 720 را داشته باشد تا به‌اندازه كافي مورد محافظت قرار گيرد. و البته، ناحيه لغزش درازمدت كليد بسيار بالاتر از مقدار اسمي   برابر با 90 می‌باشد كه در اين مورد، حد حفاظت مفروض ژنراتور است. منحني كاهش خرابي بدون پشتيباني اتصال كوتاه (خط پر) نشان می‌دهد كه تنها شانس لغزش كليد درناحيه لحظه‌ای است. در مورد نشان داده‌شده در شكل 9-5، اگر جريان خرابي PU3 توسط ژنراتور تأمین شود. كاربرد بهتر همان نوع كليد خودكار فقط هنگامي امكان دارد كه كمتر از مقدار اسمي بار كامل ژنراتور اعمال‌شده و اجازه تنظيم پایین‌تر لغزش كليد در هر دو نواحي درازمدت و لحظه‌ای را بدهد. اين امر مستلزم برآورد ژنراتوري براي باري بيش از بار مجاز خواهد بود. در غير اين صورت، كليد خودكار با تنظيمهاي لغزش بهتر و گستردهتر يا فيوزي با مقدار اسمي مناسب، بايستي مورداستفاده قرار گيرد.

هم انطور كه قبلا اشاره شد، صدمه به ژنراتور به علت عدم وجود وسيله حفاظتي اضافه جريان در خروجي ژنراتور، می‌تواند به دسترس پذيري ژنراتور جهت ارائه سرويس با اهداف موردنظر اثرگذار باشد. مشكلي كه طراحان اکثراً با آن روبرو هستند آن است كه وسيله حفاظتي سبب افزايش يا كاهش قابليت اعتبار می‌شود؟ البته اين تحليل هميشه به اين سادگي نيست. به‌هرحال، هنگامی‌که وسيله حفاظتي اضافه جريان جهت حفاظت ژنراتور موردنیاز بوده و به طرز صحيحي استفاده شود، اين وسيله عمل نخواهد كرد مگر آن‌که صدمهبه ژنراتور قريب الوقوع باشد.

شكل 9-5: كاربرد اشتباه كليد خودكار نوعي با قالب ريخته شده و با جريان اتصال کوتاه‌مدت محدود

در هنگام كار دو ژنراتور به‌صورت موازي، بايد رله نمودن تفاضلي جهت مشخص كردن خرابيهاي داخلي در نظر گرفته شود. اين امر سبب می‌شود با رله نمودن، ماشين دچار خرابي تشخيص داده‌شده و كليد صحيح عمل كند. وسايل اضافه جريان در خروجي ژنراتور به‌تنهایی جریان‌های خرابي يكسان را حس كرده و در صورت وقوع خرابي در فقط يك ژنراتور، می‌توان هر دو ژنراتور را از مدار خارج كرد. هنگامی‌که بيش از دوژنراتور به شكل موازي مورداستفاده قرار می‌گیرند، وسايل اضافه جريان در خروجي ژنراتورها می‌توانند براي خرابی‌های داخلي به‌طور انتخابي عمل كنند چون هرکدام جريان خرابي بيشتري از ديگري حس خواهد كرد.

در سیستم‌های موردنیاز ازنظر قانوني يا سیستم‌های ديگري كه در آن‌ها زمان شروع اهميت خاصي دارد، معمولاً سنكرون کننده‌های خودكار به كار گرفته می‌شود. وسيله وارسي مذكور بايد از چنان كيفيتي برخوردار باشد كه ازنظر مواد و مصالح، قابليت سيستم را كاهش ندهد. علاوه بر اين، سنكرونسازي دستي به همراه يك وسيله وارسي كننده سنكرون، به‌عنوان پشتيبان بايد پیش‌بینی و موجود باشد.

هنگامی‌که سيستم نيروي برق اتصال زمين می‌شود، طرح موردنظر نياز به توجه خاص دارد. اگر مسيرهاي جريان زمين به‌دقت طراحي نشوند اتصالات زمين با چند هادي خنثي (neutral) می‌تواند سبب بروز مشكلاتي شود. در سیستم‌های بزرگ كه از حسگرهاي خطاي زمين به‌منظور حفاظت ژنراتور استفاده می‌کنند، اگر جريان خطاي زمين از مسير قابل پیش‌بینی عبور نكند حسگري ناقص يا عمل لغزش اشتباه می‌تواند رخ دهد. تا آنجا كه به حفاظت ژنراتور مربوط می‌شود، اين مسأله در سیستم‌های كوچك كه به يك وسيله اضافه جريان فاز جهت مقابله با خطاي زمين وابسته هستند، زياد جدي نيست. مشابها در يك سيستم زمين نشده، تازماني كه از آشكارسازي صحيح استفاده‌شده و تا حد امكان شرايط خط ـ به ـ زمين حذف شوند ازنظر حفاظت اضافه جريان ژنراتور، جریان‌های زمين اهميت چنداني ندارند. در فصل 6، جنبه هاي مختلف اتصال زمين و برقراري سيستم خنثي به‌طور مشروح بررسي خواهد شد.