発電機の基礎理論

発電機に損傷を与える可能性のある多くの異常状態があります。これらの状態の一部は、発電機またはそのサブシステムの 1 つの故障の結果であり、その他は電力システム自体に起因します。次の表は、発生する可能性のある障害の種類と、関連する保護方法をまとめたものです。

固定子の地絡

固定子巻線で最も一般的に発生する障害は、単相とアース間の絶縁破壊です。この障害が検出されないと、発電機のコアがすぐに損傷する可能性があります。空冷式の機械でも火災が発生する可能性があります。地絡を検出する固定子差動要素の能力は、利用可能な地絡電流の関数です。そのため、一般に固定子には専用の地絡保護が必要です。

発電機は、電力システム内のすべての負荷によって使用されるエネルギーと、誘導要素に供給するために必要な無効電力の多くを提供し、それによってシステム電圧を公称値に維持します。電力システムには、エネルギー貯蔵の容量がほとんどありません。そのため、失われた世代をすぐに交換するか、同等の量の負荷を削減する必要があります。発電機の保護システムは、外乱時に非常に安全であることが最も重要です。

発電機は、原動機、励磁機、およびさまざまな補助システムを含む複雑なシステムの 1 つのコンポーネントです。したがって、短絡の検出に加えて、発電機保護 IED は、発電機またはそのサブシステムの 1 つに損傷を与える可能性のある一連の異常状態を検出する必要があります。発電機は、誘導型と同期型の 2 つの主要なタイプに分類できます。誘導機は通常、サイズが小さく、100 kVA 程度まで小さく、通常はレシプロ エンジンで駆動されます。同期機のサイズは、数百 kVA から 1200 MVA までさまざまです。

同期発電機は、レシプロ エンジン、水力タービン、燃焼タービン、大型蒸気タービンなど、さまざまな原動機によって駆動されます。タービンのタイプは発電機の設計に影響を与えるため、保護要件に影響を与える可能性があります。発電機のサイズとその接地方法も、保護要件に影響します。中小規模のマシンは、多くの場合、配電網に直接接続されています (直結)。この構成では、複数のマシンを同じバスに接続できます。大型機械は通常、専用の電源トランスを介して伝送ネットワークに接続されます (ユニット接続)。

発電機端子にある 2 つ目の電源トランスは、ユニットに補助電源を提供します。発電機は、過渡電圧による損傷を防止し、保護機能の動作を容易にするために接地されています。直接接続された発電機は、多くの場合、地絡電流を 200 ～ 400 アンペアに制限する低インピーダンスを介して接地されます。ユニットに接続されたマシンは、通常、電流を 20 アンペア未満に制限する高インピーダンスを介して接地されます。

直接接続され、低インピーダンスで接地されたマシンの場合、電流ベースの検出方法が使用されます。この保護は、内部の地絡に対して迅速かつ敏感であると同時に、外部からの妨害に対しても安全である必要があります。これは、制限付き地絡要素またはニュートラル方向要素を使用して実現できます。G30 および G60 に実装されている制限付き地絡要素は、CT 飽和が著しい外部障害時に高度なセキュリティを提供する対称コンポーネント拘束メカニズムを採用しています。

ユニットが接続され、高インピーダンスで接地されたマシンの場合、電圧ベースの方法を使用して地絡を検出することがよくあります。基本波と 3 次高調波電圧要素の組み合わせを使用して、固定子巻線の 100% の地絡カバレッジを実現できます。GE リレーは、3 次高調波のニュートラル値とターミナル値の比率に応答する 3 次高調波電圧要素を採用しています。この要素は設定が簡単で、通常の動作では第 3 高調波レベルの変動に影響されません。

固定子の位相障害

接地を伴わない位相障害は、巻線の端または同じスロットに同じ位相のコイルを持つマシンのスロット内で発生する可能性があります。相故障は地絡よりも発生しにくいですが、この故障から生じる電流は接地インピーダンスによって制限されません。そのため、機械への損傷を制限するために、これらの障害を迅速に検出することが重要です。システムの XOR 比は発電機で特に高いため、固定子の微分要素は、外乱時の電流の DC 成分による CT 飽和の影響を特に受けやすくなります。G60 固定子差動アルゴリズムは、電流の AC または DC 成分のいずれかが原因で CT 飽和が疑われる場合、方向チェックの形式で追加のセキュリティを追加します。