התיאוריה הבסיסית של מחולל

ישנם מצבים חריגים רבים שעלולים לגרום לנזק לגנרטור.חלק מהתנאים הללו הם תוצאה של תקלה בתוך הגנרטור או אחת מתתי המערכות שלו ואחרים מקורם במערכת החשמל עצמה.הטבלה הבאה מסכמת את סוגי התקלות שיכולות להתרחש ואת שיטות ההגנה הנלוות.

תקלות קרקע סטטור

הכשל הנפוץ ביותר בפיתול הסטטור הוא התמוטטות של הבידוד בין שלב בודד לאדמה.לא מזוהה, תקלה זו עלולה לפגוע במהירות בליבת הגנרטור.שריפות אפשריות גם במכונות מקוררות אוויר.היכולת של אלמנט הדיפרנציאל הסטטור לזהות תקלת הארקה היא פונקציה של זרם תקלת האדמה הזמין.ככזה, בדרך כלל נדרשת הגנת תקלות קרקע ייעודית עבור הסטטור.

גנרטורים מספקים את האנרגיה המשמשת את כל העומסים במערכת החשמל וחלק ניכר מהכוח התגובתי הדרוש לאספקת האלמנטים האינדוקטיביים ובכך שומרים על מתח המערכת בערכים נומינליים.למערכות חשמל יש קיבולת מועטה לאחסון אנרגיה.לפיכך, יש להחליף ייצור אבוד באופן מיידי או להשיל כמות שווה של עומס.ישנה חשיבות עיקרית לכך שמערכת ההגנה לגנרטור תהיה מאובטחת במיוחד בעת הפרעות חיצוניות.

הגנרטור הוא מרכיב אחד של מערכת מורכבת הכוללת מנוע ראשי, מעורר ומערכות עזר שונות.בנוסף לאיתור קצרים, ה-IED להגנת הגנרטור נדרש אפוא לזהות מערך של מצבים חריגים שעלולים לפגוע בגנרטור או באחת מתתי המערכות שלו.ניתן לסווג גנרטורים לשני סוגים עיקריים: אינדוקציה וסינכרוני.מכונות אינדוקציה הן בדרך כלל קטנות יותר בגודלן, ונעות עד למאה קילו-וואה, והן מונעות בדרך כלל ממנוע בו-זמנית.מכונות סינכרוניות נעות בגודלן בין כמה מאות קילוואט ל-1200 MVA.

גנרטורים סינכרוניים עשויים להיות מונעים על ידי מגוון גורמים ראשוניים, כולל מנועי הדדיות, טורבינות הידרו, טורבינות בעירה וטורבינות קיטור גדולות.סוג הטורבינה משפיע על עיצוב הגנרטור ולכן יכול להשפיע על דרישות ההגנה.גודל הגנרטור ושיטת ההארקה שלו משפיעים גם על דרישות ההגנה שלו.מכונות קטנות ובינוניות מחוברות לרוב ישירות לרשת הפצה (מחוברות ישירות).בתצורה זו ניתן לחבר מספר מכונות לאותו אוטובוס.מכונות גדולות מחוברות בדרך כלל באמצעות שנאי כוח ייעודי לרשת ההולכה (מחוברת יחידה).

שנאי כוח שני במסופי הגנרטור מספק כוח עזר ליחידה.גנרטורים מוארקים על מנת לשלוט על מעברי מתח מזיקים וכדי להקל על פעולת פונקציות ההגנה.גנרטורים המחוברים ישירות מוארקים לרוב באמצעות עכבה נמוכה המגבילה את זרם תקלת האדמה ל-200-400 אמפר.מכונות המחוברות ליחידה מוארקות בדרך כלל באמצעות עכבה גבוהה המגבילה את הזרם לפחות מ-20 אמפר.

עבור מכונות מוארקות עם עכבה נמוכה המחוברות ישירות, נעשה שימוש בשיטת זיהוי מבוססת זרם.הגנה זו צריכה להיות מהירה ורגישה לתקלות הארקה פנימיות ובו בזמן מאובטחת במהלך הפרעות חיצוניות.ניתן להשיג זאת באמצעות אלמנט תקלת קרקע מוגבל או אלמנט כיווני ניטרלי.אלמנט תקלות הקרקע המוגבלת המיושם ב-G30 וב-G60 משתמש במנגנון ריסון רכיב סימטרי המספק רמה גבוהה של אבטחה במהלך תקלות חיצוניות עם רוויה CT משמעותית.

עבור מכונות מוארקות ליחידה עם עכבה גבוהה, לרוב נעשה שימוש בשיטות מבוססות מתח כדי לספק זיהוי תקלות הארקה.באמצעות שילוב של רכיבי מתח הרמוני בסיסי ושלישי, ניתן להשיג כיסוי תקלות הארקה עבור 100% מפיתול הסטטור.ממסרי GE משתמשים באלמנט מתח הרמוני שלישי המגיב ליחס בין הערכים הנייטרליים והמסוף של ההרמונית השלישית.אלמנט זה פשוט להגדרה ואינו רגיש לווריאציות ברמות הרמוניות שלישיות בפעולה רגילה.

תקלות שלב סטטור

תקלות פאזה שאינן מערבות הארקה יכולות להתרחש בקצה המתפתל או בתוך חריץ במכונות שיש בהן סלילים מאותו פאזה באותו חריץ.למרות שתקלת פאזה היא פחות סבירה מאשר תקלת הארקה, הזרם הנובע מתקלה זו אינו מוגבל על ידי עכבת ההארקה.ככזה, חיוני שהתקלות הללו יתגלו במהירות על מנת להגביל את הנזק למכונה.מכיוון שיחס ה-XOR של המערכת גבוה במיוחד בגנרטור, אלמנט הדיפרנציאל הסטטור רגיש במיוחד לרווית CT עקב רכיב ה-DC של הזרם במהלך הפרעה חיצונית.אלגוריתם הסטטור ההפרשי G60 מוסיף אבטחה נוספת בפורמט של בדיקת כיוונים כאשר יש חשד לרווית CT עקב רכיבי ה-AC או DC של הזרם.