1.   Струјни трансформатори

 

- Они трансформишу струју од вриједности која тече кроз вод, генератор или трансформатор на вриједности које омогућавају употребу релеја и мјерних инструмената назначене струје или .

- У Европи се, углавном, користе индуктивни струјни трансформатори.

- При празном ходу СТ (отворен секундарни намотај), струја магнећења је једнака струји која протиче кроз примарни намотај, што неминовно доводи до повећања индукције у језгру. То изазива повећање губитака у језгру, као и повишење напона на стезаљкама СТ. То доводи до недозвољеног загријавања језгра, па би се могло десити да изолација изгори или да се промијене магнетна својства језгра СТ. Због тога, секундарне стране струјних трансформатора морају бити у кратком споју! При томе се струја која протиче кроз секундарни намотај врло мало разликује од вриједности када би била прикључена нека импеданса коначно мале вриједности.

- Карактеристични подаци СТ:

§          Назначени напон

§          Назначена примарна струја

§          Назначена секундарна струја

§          Назначени однос трансформације

§          Назначена трајна термичка струја (једнака примарној струји СТ)

§          Назначена краткотрајна термичка струја (струја која може протећи кроз примарни намотај за једну секунду без оштећења)

§          Намјена (за мјерне или за заштитне уређаје)

§          Грешке (струјна, фазна и сложена)

§          Класа тачности СТ

§          Назначена импеданса оптерећења (импеданса кола прикљученог на секундарни намота која обезбјеђује декларисану тачност СТ при назначеном оптерећењу)

§          Назначена снага СТ

§          Фактор сигурности

§          Фактор тачности

 

-         Фазна грешка је позитивна ако секундарна струја фазно предњачи примарној струји.

-         Струјна грешка је грешка коју трансформатор уноси у мјерење струје, услед чега однос трансформације није једнак назначеном односу.

-         Класа тачности СТ за мјерење је једнака дозвољеној вриједности апсолутне струјне грешке, при назначеној снази и 120% назначене примарне струје. Стандардне класе тачности СТ за мјерење су 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1 – 3 – 5

-         Прекострујни број је мултипл примарне струје при којој струјна грешка СТ износи 10%, ако је секундарни намотај СТ оптерећен назначеним оптерећењем. Он се користио донедавно за карактерисано понашање СТ.

-         Фактор сигурности је количник назначене граничне примарне струје и и назначене примарне струје.

-         Фактор тачности је мултипл примарне струје при којој сложена грешка СТ не прелази дозвољену сложену грешку. Стандардне вриједности фактора тачности су: 5 – 10 – 15 – 20 – 30

-         Класа тачности СТ за заштиту (XPY) означава да сложена грешка СТ за заштиту није већа од X% при примарној струји Y пута већој од назначене вриједности. Стандардне класе тачности СТ за заштиту су: 5Р и 10Р.

- На језгро за заштиту не смију бити прикључени уређаји за мјерење, због прецизности али и због заштите самих уређаја. На језгро за мјерење, у принципу, могу бити прикључени заштитни уређаји, али се то не практикује због могућности да језгро прије реаговања заштите уђе у засићење.

 

2.   Напонски трансформатори

 

-         Трансформишу примарне напоне елемената ЕЕС на вриједности које су у складу са назначеним вриједностима напона мјерних и заштитних уређаја, и те уређаје поуздано одвајају од примарних напона.

-         За напоне до 110kV употребљавају се индуктивни напонски трансформатори, а за више напоне, ради економичности, капацитивни НТ, као комбинација капацитивног раздјелника напона и индуктивног напонског трансформатора.

-         Карактеристичне величине:

§          Назначени примарни напон

§          Назначени секундарни напон

§          Назначени однос трансформације

§          Напонска грешка (%)

§          Фазна грешка

§          Класа тачности

§          Назначено оптерећење

§          Назначена снага

§          Назначени фактор напона

§          Намјена НТ

-         Назначене вриједности секундарних напона за једнофазне НТ су стандардизоване на вриједности од 100 V и 200 V. За намотаје намјењене за спајање у отворени троугао, стандардизоване вриједности секундарних напона су реда 100/3 V и 200/3 V.

-         Напонска грешка је грешка коју трансформатор уноси у мјерење ефективних вриједности напона.

-         Фазна грешка је разлика између фазора примарног и секундарног напона. Сматра се да је фазна грешка позитивна ако фазор секундарног напона иде испред фазора примарног напона

-         Класа тачности је податак који се даје за НТ чија грешка остаје унутар одређених граница под утврђеним условима експлоатације.

§         за мјерење: број који је једнак апсолутној вриједности највеће дозвољене напонске грешке. Стандардне класе тачности НТ за мјерење: 0,1 – 0,2 – 0,5 – 1,0 – 3,0

§         за заштиту: додаје се слово Р: 3Р – 6Р

-         Назначено оптерећење је вриједност оптерећења на којој се заснива тачност.

-         Назначена снага НТ представља вриједност примарне снаге коју трансформатор даје секундарном колу, при назначеном секундарном напону и оптерећењу.

-         Постоје два типа НТ: једнополно изоловани и двополно изоловани. Код једнополно изолованих НТ, један крај примарног намотаја НТ је предвиђен за директно уземљење. Код двополно изолованих НТ, сви дијелови примарног намотаја, укључујући и прикључке, изоловани су од земље на ниво који одговара назначеном степену изолације.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.   Земљоспојеви

 

 

-         Земљоспој је пробој изолације према уземљеним дијеловима постројења.

-         Код система са изолованим звјездиштем, појаву споја једног проводника са земљом називамо земљоспој.

-         Код мрежа са директно уземљеним звјездиштем или звјездиштем уземљеним преко малих вриједности отпора, земљоспој представља једнополни кратки спој.

-         Ако је звјездиште мреже изоловано, струје оптерећења се занемарују јер не утичу битно на појаву земљоспоја. Најважније је објаснити капацитете према земљи, док су омски и индуктивни отпори мање важни. У нормалном режиму рада, звјездиште капацитета фаза према земљи има исти потенцијал као земља па је напон између звјездишта и земље једнак нули. Услед фазних напона, који су међусобно једнаки, у сваком капацитету према земљи ће тећи једнака капацитивна струја која предњачи свом напону за 90 степени.

-         Када неки од проводника фаза добије спој са земљом, тада напон ове фазе према земљи пада на нулу. Напон звјездишта је у том случају једнак по износу а супротан по предзнаку фазе у квару. Кроз капацитет оштећене фазе неће више тећи струја према земљи јер је напон једнак нули, док су струје остале двије фазе 3 пута повећане.

-         Када додамо Петерсенку, при појави квара, кроз њу тече струја индуктивног карактера која заостаје за напоном фазе која има земљоспој приближно за 90 степени. То значи да се ова струја и капацитивна струја земљоспоја практично поништавају, а остаје само мала струја која је у фази са напоном. Ово се примјењује у мрежама средњих напона.

-         Сигнализација појаве земљоспоја се врши прикључком наднапонског релеја на филтер нулте компоненте напона (напон отвореног троугла)

-         Утврђивање вода на коме је земљоспој се врши мјерењем струја нулте компоненте водова.

-         Струја нулте компоненте се постиже сумарним спојем три струјна трансформатора или помоћу кабловског обухватног трансформатора.

-         Секундарни намотаји сва три струјна трансформатора су спојени паралелно и прикључени на струјни релеј.

-         Секундарни намотаји су спојени у звијезду и кроз заједнички повратни вод тече збирна секундарна струја струјних трансформатора, која је у нормалном погону једнака нули.

-         Кабловски обухватни трансформатор је алтернатива за добијање струје нулте компоненте. У нормалном погону, флукс кроз језгро обухватног трансформатора и струја кроз релеј прикључен на секундар су једнаки нули. Овакав трансформатор је погодан за врло осјетљиво подешавање релеја заштите.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.   Заштитни релејни уређаји

 

-         Основни елемент заштитних релејних уређаја је релеј. Релеј је уређај који има: мјерни систем који је прикључен на котролисану величину, систем за упоређивање који упоређује измјерену величину са подешеном и извршни члан који изазива тренутну или одгођену промјену у командним и сигналним круговима.

-         Према принципу дјеловања релеји могу да буду:

Ø       Електромагнетски

Ø       Индукциони

Ø       Електродинамички

Ø       Термички

Ø       Статички

Ø       Микропроцесорски

-         Према врсти контролисане величине релеји могу да буду:

Ø       Струјни

Ø       Напонски

Ø       Релеји снаге

Ø       Отпорни

Ø       Фреквентни

Ø       Термички

Ø       Механички

-         Према начину прикључка на контролисану величину релеји могу да буду:

Ø       Примарни

Ø       Секундарни

-         Основна својства која релејна заштита мора да има су:

Ø       Селективност

Ø       Брзина дјеловања

Ø       Осјетљивост (довољна али не да заштита непотребно дјелује)

Ø       Сигурност и поузданост (системи „два од два“ или „два од три“)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.   Подјела рејеја

 

-         Примарни прекострујни окидачи – дјелују механичким путем на искључење прекидача када примарна струја, која протиче кроз њихов намотај, пређе подешену вриједност. Постављају се на мјестима гдје се не постављају оштри захтјеви у погледу прецизности и осјетљивости дјеловања.

-         Прекострујни секундарни релеји – најчешће се примјењују у заштити електро-енергетских постројења гдје се захтијевају тачни, осјетљиви и сигурни релеји. Прикључују се на секундарну страну струјних трансформатора, а приликом дјеловања затварају контакте и на тај начин извршавају потребне радње. Према временској карактеристици, дијеле се на тренутне, релеје са струјно независном и са струјно зависном карактеристиком.

v      Прекострујни релеји са струјно независном карактеристиком. Када струја премаши подешену вриједност, ови релеји дјелују након подешеног времена дјеловања, без обзира на вриједност струје која протиче кроз релеј. Изводе се као комбинација тренутних прекострујних релеја у двије или све три фазе и заједничког члана за временско затезање дјеловања.

v      Прекострујни релеји са струјно зависном карактеристиком. Код ових релеја, када струја премаши подешену вриједност, релеји дјелују након одређеног временског затезања, чија величина је у зависности од вриједности струје која тече кроз релеј.

v      Термички прекострујни релеји. Изводе се помоћу термичког система са биметалима. Често се прикључују преко трансформатора, који код већих струја прелзе у засићење. На тај начин се добија струјно независни дио карактеристике и спречава се прегријавање биметала због великих струја кратког споја.

-         Диференцијални струјни релеји – дјелују на разлику струја које излазе из штићеног објекта. Код нормалних оптерећења, једнаке су примарне струје које улазе штићени објекат и које излазе из њега. Уз једнаке преносне односе струјних трансформатора, једнаке су и секундарне струје. Ако су струје једнаке по износу и фазном положају, разлика им је једнака нули у нормалном погону. У случају квара, ова диференцијална струја више није једнака нули и релеј затвара контакте и дјелује на искључење прекидача.

Ако је штићени објекат енергетски трансформатор, прилике су сложеније, јер су номиналне примарне и секундарне струје различите, било по износу или по фазном положају. Због тога су у овом случају потребни струјни међутрансформатори који прилагођавају секундарне струје по износу и фазном положају.

-         Напонски релеји – дјелују када напон на који су прикључени одступи од подешене вриједности. У зависности од тога да ли дјелују код повишења или снижења напона дијеле се на наднапонске и поднапонске релеје.

-         Дистантни релеји – дјелују брже код кварова који су ближе мјесту уградње релеја. Они имају степенасту карактеристику. Као контролисана величина се најчешће користи импеданса, али се може користити и адмитанса, резистанса, реактанса, сусцептанса или кондуктанса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.   Заштита мрежа

 

-         Прекострујна заштита – један од најстаријих облика заштита. Дијели се на брзу прекострујну заштиту, која дјелује без временског кашњења, прекострујну заштиту са дефинисаним временским кашњењем и са инверзном карактеристиком реаговања.

-         Диференцијална заштита – веома брза и селективна заштита. Диференцијална заштита водова може бити подужна и попречна. За реализацију подужне диференцијалне заштите морају се повезати секундари струјних трансформатора, што се остварује помоћу пилотских водова.

-         Дистантна заштита водова – Пошто је примјена подужне диференцијалне заштите могућа само на кратким водовима, селективну заштиту водова у петљастим мрежама могуће је постићи примјеном дистантних релеја, који као критеријум користе удаљеност квара од релеја. Да би дистантна заштита била селективна, дистантни релеји морају бити усмјерени, морају имати вријеме реаговања у зависности од отпора (импедансе, реактансе) који мјере и штићеног вода. То вријеме реаговања мора да задовољи принцип: већа импеданса – веће вријеме реаговања.

-         Заштита водова од преоптерећења – Реализује се као прекострујна заштита водова од преоптерећења. Поставља се само на водове на којима се може очекивати струјно преоптерећење.

-         АПУ (Аутоматско Поновно Укључење) – Највећи број кварова у мрежи је пролазног карактера, што захтијева брзо поновно укључење водова. Од укупног броја кварова, 70 до 90 процената су неметални кратки спојеви изазвани пренапонима, крупним птицама или растињем у околини вода. Након дјеловања заштите, вод се искључује, а електрични лук на мјесту квара нестаје. Након поновног укључења под напон, лук се више не пали. Неуспјешан АПУ – Заштита истовремено дјелује на прекидач и на АПУ уређај. Прекидач искључује вод у квару, а послије одређене безнапонске паузе АПУ дјелује на прекидач и укључењем прекидача ставља вод под напон. Прекидач при укључењу дјелује на уређај за АПУ тако што га блокира за наредни период. Ако је квар непролазан, заштита ће поново дјеловати, искључити прекидач и тиме дефинитивно искључити вод у квару. Уређај за АПУ се аутоматски деблокира по истеку одређеног времена. Постоје трофазни и једнофазни АПУ. Трофазни АПУ се више примјењује код средњенапонских мрежама, код којих проблеми стабилности ЕЕС нису толико изражени као код мрежа високог напона, гдје се користи једнофазни АПУ, како би се смањили проблеми везани за стабилност, пошто се преосталим фазама, које нису у квару, може пренијети значајна активна снага.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.   Заштита енергетских трансформатора

 

-         Најважнија заштита енергетских трансформатора је диференцијална заштита. Она штити трансформатор од међуфазних кратких спојева, фазних кратких спојева, и једнофазних кратких спојева, ако је звјездиште трансформатора директно уземљено

-         Примарне струје кроз СТ-е, који су постављени на обје стране штићеног трансформатора, обрнуто су пропорционалне преносном односу трансформатора.

-         Спој диференцијалне заштите треба одабрати тако да се елиминише фазни помак међу струјама кроз примарне намоте СТ-а, да не би дошло до погрешног дјеловања у нормалном погону, или при кратким спојевима изван штићеног подручја. Изведба зависи од споја трансформатора.

-         Да би струје које се доводе диференцијалном релеју у нормалним режимима рада биле по модулу једнаке, требало би да однос нормалних струја главних струјних трансформатора буде једнак скаларном преносном односу трансформатора.

-         Ако је спрега енергетског трансформатора различита од Yy0, струје примара и секундара нису у фази.

-         Прилагођавање секундарних струја главних струјних трансформатора прије њиховог увођења у диференцијални релеј врши се помоћу струјних међутрансформатора.

-         Услед несавршености струјних трансформатора, може да се појави нека струја дебаланса. На ове струје диференцијална заштита не смије да реагује па се поставља праг осјетљивости и струјни стабилизациони релеји.

-         Осим диференцијалне заштите, за трансформатор су карактеристичне плинска (Бухолц) заштита, земљоспојна заштита, тренутна прекострујна заштита, дистантна заштита.

-         Опасна погонска стања су преоптерећење трансформатора, струје кратког споја и прекомјерно загријавање.

-         За заштиту од недозвољених струја преоптерећења користе се термичке заштите.

-         За заштиту од струја вањских кратких спојева користе се прекострујне заштите са струјно независном временском карактеристиком или дистантне заштите.

-         За заштиту од прекомјерног загријавања служе термометри и термичке заштите.

-         БУХОЛЦ заштита штити унутрашње кварове у трансформатору као што су јака локална загријавања и појава електричног лука. Под утицајем електричног лука долази до расплињавања уља и других изолационих материјала и стварања плинова.

-         Плинови се дижу према горњем дијелу трансформатора и конзерватору.

-         Код тежих кварова развијање плина је врло бурно и долази до наглог струјања уља из котла према конзерватору.

-         Ово је искориштено као критеријум за Бухолцов релеј. Он се састоји од два пловка у кућишту у спојном цјевоводу између котла и конзерватора. Горњи пловак дјелује на сигнализацију кад количина плинова достигне одређену мјеру. Доњи пловак дјелује код интензивног струјања уља од котла према конзерватору, које се појављује код тежих кварова. Он дјелује брзо на искључење прекидача и сигнализацију.

-         Поклопац трансформатора треба бити под углом 1-2 степена, а спојна цијев између котла и конзерватора 8-12 степени.

-         Предност је осјетљивост заштите, а недостатак је осјетљивост на потресе и динамичке силе код блиских кратких спојева.

-         Заштита од пробоја изолације према уземљеним дијеловима је потребна због тога што диференцијална заштита штити само дио намотаја од пробоја према маси трансформатора. Упоређивањем струје нулте компоненте постиже се овакав ефекат, па заштита реагује на унутрашње кратке спојеве, и кроз релеј тече сума струја коју даје трансформатор и која долази из мреже.

-         Котловска заштита је поједностављена заштита трансформатора од унутрашњих кварова. У случају пробоја изолације према земљи, струја се затвара преко мјеста квара, котла и СТ-а и релеј тренутно дјелује на искључење. Недостаци су потребне мјере око изолације трансформатора од земље, као и јако ослањање на плинску заштиту.

-         Заштита од преоптерећења. Могућност преоптерећења трансформатора је ограничена загријавањем намота трансформатора. За заштиту од преоптерећења се могу искористити термички прекострујни релеји, али они имају недостатак јер се температура намотаја одређује само на основу струје. Други начин је контрола температуре уља, али и ово има недостатак, пошто се код већих преоптерећења намотај може прегријати, иако се уље још није загријало.

-         Термичка слика (термослика) се користи да се обухвате горе наведени фактори. Термички релеј је смјештен испод поклопца трансформатора, а мјерни члан се додатно загријава гријачем, кроз који тече струја пропорционална струји оптерећења трансформатора. Кад температура достигне граничну подешену вриједност, биметал прорађује и дјелује на сигнал, односно искључење. Умјесто биметала се могу користити и сонде са великим темпертурним коефицијентом отпора, којима се може мјерити и температура.

-         Предност термичких заштита је то што омогућавају искориштење топлинског капацитета. Предност и недостатак је то што, након прораде, термичком рлеју треба релативно дуго вријеме да се охлади и омогући поновно укључење трансформатора.

-         Заштита од вањских кратких спојева ријешена је примјеном прекострујне заштите, која се изводи трофазно, независно од начина уземљења звјездишта. Ако постоји паралелно напајање трансформатора, потребна је прекострујна заштита са обје стране, а код тронамотног на све три стране трансформатора.

-         Недостатак је релативно дуго потребно временско затезање дјеловања са циљем постизања селективности са ДВ заштитама.

-         Дистантна заштита се користи код великих ТС као резервна заштита, и прикључује се са једне или са обје стране штићеног трансформатора.

ponedjeljak, 17. prosinca 2007.

RELEJNA ZASTITA

1. UVODNI DIO

1.1 ULOGA RELEJNE ZAŠTITE

Automatski zaštitni uređaji elektroenergetskih postrojenja obuhvataju uređaje u postrojenjima za proizvodnju, prenos i distribuciju električne energije koji imaju zadatak da upozore na nenormalne režime rada pojedinih elemenata elektroenergetskih sistema, a u slučaju pojave neizbježnih kvarova svojim djelovanjem brzo isključe oštećeni elemenat i na taj način smanje razaranje i negativan uticaj kvara na rad elektroenergetskog sistema.
Električna energija predstavlja osnovni vid energije i preduslov razvoja privrede svake zemlje. S ciljem da se obezbjede dovoljne količine kvalitetne električne energije potrošačima svih kategorija, potrebno je izgraditi mnoge hidro, termo ili nuklearne elektrane, povezati ih hiljadama kilometara visokonaponskih dalekovoda s potrošačkim područjima i putem transformatorskih stanica i distributivne mreže srednjeg i niskog napona dovesti energiju svakom potrošaču. S ciljem da se obezbjedi neprekinutost u napajanju i proizvodnji električne energije uz što je moguće manje troškove, elektrane, prenosna mreža i transformatorske stanice povezuju se u jedinstven elektroenergetski sistem, kako unutar manjih regija tako i unutar država pa i između više država. Savremen razvoj društva, indusrije i privrede uopšte baziran je na električnoj energiji. Osnovni zahtjev, pored dovoljnih količina raspoložive energije i kvalitetnog napona, je neprekinutost u napajanju. U savremenoj industriji i kratkotrajni prekidi u napajanju mogu izazvati dugotrajne zastoje u proizvodnji i velike materijalne štete.
Uprkos ispravnom projektovanju i dimenzionisanju izolacije i ostalih parametara elektroenergeskog sistema, kao i pažljive izgradnje i redovnog održavanja, u pogonu se mora računati sa mogućnošću pojave kvara na praktično svakom elementu sistema. Izolacija uređaja u postrojenjima ne može se iz ekonomskih razloga dimenzionisati tako da izdrži ogromna električna naprezanja koja mogu da se ponekad pojave, npr. prilikom atmosferskih pražnjenja i direktnog udarca groma. Zbog mehaničkih, termičkih i hemijskih uticaja izolacija je izložena starenju, tako da vremenom gubi svoja svojstva i može da se probije kod naprezanja koja su neznatno veća od normalnih.
Osim navedenog, postoji niz uticaja koji mogu da dovedu do kvara, kao što su, na primer, greške u materijalima od kojih su građeni uređaji, premoštenje izolacije dalekovoda granjem ili drugim predmetima koja prilikom oluja nanese vjetar, prljanje površine izolacije zbog jakih aerozagađenja, pucanje užadi dalekovoda ili konzolnih nosača kod stubova zbog pretjerano velikih dodatih tereta snijega ili leda, rušenje stubova dalekovoda prilikom velikih oluja, klizanje terena ili poplave, oštećenje kablova prilikom zemljanih radova, premoštenje izolacije zbog ulaska ptica ili životinja u postrojenje, pogrešne manipulacije u postrojenjima itd.
Pojave kvarova na izolaciji u većini slučajeva izazivaju kratki spoj koji predstavlja najčešći i najopasniji oblik kvara, sa svim njegovim neugodnim posljedicama:
- jako razaranje na mjestu kvara zbog djelovanja električnog luka s velikim strujama kratkog spoja (i do 50 KA);
- izraziti padovi napona na velikom području koji ometaju normalan rad potrošača ili izazivaju njihovo ispadanje iz pogona;
- mehaničko i termičko naprezanje neoštećenog dijela sistema kroz koji teku velike struje kratkog spoja;
- negativan uticaj na stabilnost rada povezanog elektroenergetsog sistema.

Osim kvarova u pogonu se javljaju i opasna stanja za rad pojedinih elemenata sistema koja bi dovela do kvara ukoliko se pravovremeno ne bi preduzele potrebne mjere. Takva opasna pogonska stanja npr.
- nenormalno visoki naponi koji naprežu i ugrožavaju izolaciju uređaja;
- preniski naponi koji otežavaju ili potpuno onemogućavaju normalan rad potrošača;
- prevelike struje zbog preopterećenja ili kvarova u sistemu hlađenja i u vezi s tim previsoke temperature elemenata elektroenergetskog sistema;
- nesimetrična opterećenja generatora, prevelik broj obrtaja itd.

Prema tome zadatak relejne zaštite elektroenergetskih postrojenja je da trajno nadzire karakteristične električne ili druge veličine (npr. struju, napon, temperaturu i sl.) štićenog objekta i da u slučaju kvara ili opasnog pogonskog stanja automatski preduzme sve potrebne mjere da se kvar izbjegne ili da se svedu na minimum njegove posljedice ako se već pojavio, kao i da o tome obavijesti pogonsko osoblje.
S obzirom na veliku vrijednost štićenih objekata, kao i na značaj normalnog snabdjevanja potrošača električnom energijom, relejna zaštita ima vrlo važnu ulogu u pogonu elektroenergetskih sistema kao dio automatike elektroenergetskih postrojenja za proizvodnju, prenos i distribuciju električne energije.

1.2. ZAŠTITNI RELEJNI UREĐAJI

Osnovni element zaštitnih relejnih uređaja je relej. To je uređaj koji trajno kontroliše određenu električnu ili mehaničku veličinu, te kod unaprijed određene vrijednosti izaziva naglu promjenu u jednom ili više signalnih ili komandnih strujnih krugova. Prema svom sastavu, relej se može prikazati kao uređaj koji ima:

- mjerni (pogonski ili motorni) sistem, koji je priključen na kontrolisanu veličinu i njene promjene u odgovarajućem obliku prenosi na sistem za poređenje. Kod elektromehaničkih releja električne veličine se transformišu u mehaničku silu ili zakretni momenat, dok se kod statičkih releja pretvaraju u odgovarajući električni oblik ( npr. ispravljena struja ili napon određenog nivoa) koji se prenosi na član za poređenje;
- sistem za poređenje poredi prilagođenu kontrolisanu veličinu sa podešenom. Kad kontrolisana veličina premaši podešenu, dolazi do aktiviranja izvršnog člana;
- izvršni član svojim aktiviranjem izaziva trenutnu ili, nakon izvjesnog vremenskog zatezanja, naglu promjenu u komandnim i signalnim krugovima ( davaje naloga za isključenje prekidača, zaustavljanje turbine, aktiviranje alarma i sl. ).

Postoji više načina klasifikacije zaštitnih releja. Prema principu djelovanja ( izvedbi mjernog člana ), releji se djele na:

- elektromagnetski releji: djeluju na principu djelovanja magnetskog toka kalema, kroz koji protiče struja, na feromagnetski dio ( pomičnu kotvu );
- indukcioni releji: djeluju na osnovu međusobnog djelovanja naizmjeničnih magnetskih tokova kalemova kroz koje protiče struja i struja indukovanih od ovih tokova u obrtnom aluminijskom ili bakrenom bubnjiću;
- elektrodinamički releji: djeluju na osnovu uzajamnog djelovanja magnetskih tokova pomičnog i nepomčnog kalema kroz koji protiče struja;
- magnetnoelektrični (galvanometarski) releji: djeluju na osnovu uzajamnog djelovanja magnetskog toka kalema kroz koji protiče struja i toka permanentnog magneta;
- termički releji: djeluju na osnovu savijanja bimetalne trake, istezanja materijala ili drugih pojava vezanih uz promjenu temperature;
- statički releji sa poluprovodnicima ili beskontaktnim elementima: djeluju na osnovu komparacije ili druge vrste obrade električnih signala;
- mikroprocesorski bazirani zaštitni releji.

Prema vrsti kontrolisane veličine, razlikuju se:
- strujni releji: djeluju kad struja premaši podešenu vrijednost (prekostrujni) ili opadne ispod podešene vrijednosti (podstrujni);
- naponski releji: djeluju kad napon premaši (nadnaponski) ili padne ispod podešene vrijednosti (podnaponski);
- učinski releji: djeluju na smjer snage (usmjereni relej) ili na iznos (releji snage);
- otporni releji: djeluju kad otpor štićenog objekta padne ispod podešene vrijednosti;
- frekventni releji: djeluju na porast frekvencije iznad podešene (nadfrekventni) ili na opadanje frekvencije (podfrekventni);
- termički releji: djeluju kad temperatura štićenog objekta poraste iznad podešene vrijednosti;
- mehanički releji: djeluju kad mehanička kontrolisana veličina (pritisak, broj obrtaja, brzina strujanja, promjena zazora i sl.) premaši ili padne ispod podešene vrijednosti.

Prema načinu priključivanja releja na kontrolisanu veličinu, releji se djele na primarne i sekundarne.

- primarni releji se priključuju direktno na puni iznos kontrolisane veličine;
- sekundarni releji se priključuju na redukovane sekundarne struje i napone preko mjernih transformatora ili odgovarajućih pretvarača.

Posebnu grupu čine vremenski i pomoćni releji. Oni ne djeluju na pojedine električne ili mehaničke veličine koje se javljaju kod kvarova, nego služe u pomoćne svrhe:

- vremenski releji imaju zadatak da uspore djelovanje trenutnog zaštitnog releja kad je to potrebno zbog postizanja selektivnosti ili izbjegavanja nepotrebnog djelovanja kod kratkotrajnih i neopasnih porasta kontrolisane veličine;
- pomoćni releji upotrebljavaju se za pojačanje slabih impulsa koje daju precizni zaštitni releji, koji su u stanju da direktno djeluju na izvršenje potrebnih naloga, za istovremeno komandovanje sa više nezavisnih električnih krugova, za potrebe signalizacije i za druge pomoćne svrhe.
Pod sistemom zaštite podrazumjevaju se zaštitni relejni uređaji i svi ostali prateći uređaji od kojih zavisi ispravno djelovanje i izvršenje svih potrebnih radnji u slučaju pojave kvara ili opasnog pogonskog stanja. Takav sisten prikazan je na slici 1.1.
Brzina djelovanja zaštite je vrlo važna prilikom izdvajanja iz sistema objekata na kojima su se pojavili kratki spojevi. Vrlo brzim isključenjem kratkog spoja smanjuje se ili se potpuno izbjegava razaranje na mjestu kvara.
Osjetljivost je vrlo važna karakteristika zaštitnih uređaja. Oni treba da budu dovoljno osjetljivi da bi sa sigurnošću djelovali prilikom pojave kvara u osnovnoj i rezervnoj zoni štićenja, i to i kod najnepovoljnijih uslova.
Osjetljivost zaštite se obično izražava koeficijentom osjetljivosti definisanim npr. kod prekostrujne zaštite, kao:



Da bi se postiglo sigurno djelovanje zaštite i u najnepovoljnijem slučaju, koeficijent osjetljivosti treba da je veći od 1,4-1,8.
Potrebna osjetljivost zaštite postiže se:
- odgovarajućim podešavanjem zaštitnih uređaja kako bi mogli djelovati i kod minimalnih vrijednosti kontrolisane veličine;
- primjenom specijalnih zaštita osjetljivih na određenu vrstu kvara (zaštite priključene na nultu ili inverznu komponentu struje ili napona);
- primjenom osjetljivih zaštita sa strogo ograničenom zonom djelovanja na štićeni objekat (npr. diferencijalne zaštite);
- primjenom mjernih metoda koje obuhvataju karakteristične parametre koji se razlikuju u normalnom pogonu i kod kvarova (npr. korištenje faznog položaja kontrolisane veličine umjesto njene amplitude).


Sigurnost u radu i pouzdanost djelovanja

Zatajenje zaštite u slučaju kvara na štićenom objektu može imati katastrofalne posljedice za objekat (npr. potpuno uništenje) i velike investicione štete. Sekundarne štete (nemogućnost proizvodnje energije ili nemogućnost snabdjevanja većih potrošačkih centara) mogu da budu još veće.
Nepotrebno djelovanje zaštite je takođe vrlo neugodno jer izaziva ispade iz pogona elemenata sistema i može izazvati djelimične ili potpune raspade sistema i s tim povezane posljedice za rad potrošača.
Postizanje sigurnog rada zaštitnih uređaja zavisi od kvaliteta releja i ostalih elemenata zaštitnog sistema, kao i učestanost i kvalitet održavanja. Karakterističan pokazatelj je intezitet ispada iz normalnog pogona λ kao srednji broj otkaza u jedinici vremena (obično 1 godina):

gdje je:
n - broj releja koji rade pod sličnim uslovima;
T - ukupan broj godina rada releja;
x - broj ispada odnosno zakazivanja.

Srednje vrijeme između dvije greške Tr pokazuje kvalitet releja, odnosno vremenski period koji se može očekivati između dvije greške. Možemo ga definisati i kao vrijeme raspoloživosti releja:
ili
Koeficijent raspoloživosti pokazuje odnos vremena raspoloživosti prema ukupnom vremenu:

gdje je: To - vrijeme otkaza uređaja, tj. vrijeme kroz koje uređaj nije u ispravnom stanju.

Vrijeme To jednako je vremenu do pronolaženja kvara na uređaju i vremenu potrebnom za njegovo otklanjanje.
Koeficijent raspoloživosti može se, prema tome, definisati kao:

a koeficijent neraspoloživosti (otkaza) kao:

Na slici 1.3 je prikazan karakterističan dijagram λ=f(t) za relejne uređaje. Karakterističan je relativno velik λ na samom početku eksploatacije zbog povećane mogućnosti skrivenih grešaka u elementima releja. Ovaj period može se izbjeći umjetnim starenjem kod proizvođača ili korisnika opreme. Period normalne eksploatacije karakterističan je zbog relativno malog λ. Na kraju dolazi do povećanja λ zbog starosti i istrošenosti uređaja.



2. ZAŠTITNI RELEJI

Prema mjermoj veličini na koju reaguju, zaštitni releji se djele na:
strujne, naponske, učinske, otporne, frekventne, termičke i mehaničke. Posebnu grupu čine pomoćni i vremenski releji.

2.1 STRUJNI RELEJI

Zaštitni uređaji koji djeluju na povećanje struje najrasprostranjeniji su, jer je većina kvarova u elektroenergetskim postrojenjima praćena porastom struje. To su:
- primarni prekostrujni okidači;
- prekostrujni sekundarni releji (nadstrujni, maksimalni strujni releji);
- diferencijalni strujni releji;
- releji simetričnih komponentistruje (nulte i inverzne komponente).

Primarni okidači djeluju mehaničkim putem na isključenje prekidača kad primarna struja koja protiče kroz njihov namotaj, pređe podešenu vrijednost. Prednost upotrebe primarnih okidača je u jednostavnom rješenju zaštite. Pošto je okidač urađen direktno na prekidaču, nisu potrebni dodatni uređaji ni izvori pomoćnog napona. Zaštita je sigurna i pogodnim izborom podešavanjem mogu se postići željene karekteristike djelovanja.
Nedostatak rješenja sa primarnim okidačima je u tome što se primarni okidač nalazi na prekidaču i pod punim je naponom za vrijeme pogona. Zbog toga je podešavanje, ispitivanje ili zamjena okidača moguća samo kad se prekidač isključi i dovede u beznaponsko stanje. S druge strane, okidači moraju biti vrlo robusne izvedbe da bi izdržali velika mehanička naprezanja kod kratkih spojeva i da bi bili u stanju da isključe mehanizam prekidača. To ima za posljedicu malu tačnost djelovanja. Dalji nedostatak je što je za ispitivanje potrebna glomazna aparatura, koja je u stanju da proizvede struje reda nekoliko hiljada ampera.
Zbog navedenih prednosti i nedostataka, primarni okidači nailaze na primjenu kao zaštita od preopterećenja i kratkih spojeva na transformatorima i dalekovodima srednjih napona i u industrijskim postrojenjima, i to na mjestima gdje se ne postavljaju veliki zahtjevi u pogledu preciznosti i osjetljivosti djelovanja i gdje zbog ostalih potreba ne postoji pomoćni izvor za napajanje zaštite (aku-baterija). Izvode se obično kao primarni okidači sa dodatnim vremenskim mehanizmima za postizanje strujno nezavisne karakteristeke, odnosno termičkim ili indukcionim sistemima za postizanje strujno zavisne karakteristike. Pored toga, postoji i član za trenutno djelovanje kod bliskih kratkih spojeva kad se pojavljuju i vrlo velike struje kvara.
Prekostrujni sekundarni releji su našli mnogo širu primjenu u zaštiti elektroenergetskih postrojenja gdje se zahtjevaju tačni, osjetljivi i sigurni releji. Za razliku od primarnih, priključuju se na sekundarnu stranu strujnih transformatora, a prilikom djelovanja zatvaraju svoje kontakte i na taj način električnim putem izvršavaju potrebne radnje (isključenje prekidača, signalizacija kvara i sl.). Pošto su priključeni na redukovane vrijednosti struje, nisu izloženi velikim termičkim ili mehaničkim naprezanjima, što omogućava preciznu izvedbu koja zadovoljava zahtjeve u pogledu tačnosti, osjetljivosti i brzine djelovanja. Osim toga, sekundarni releji mogu se ispitivati, podešavati ili zamjenjivati i kod normalnog pogona štićenog objekta, jer su postavljeni odvojeno od prekidača i ne nalaze se pod naponom. Kao nedostatak mogla bi se navesti potreba za pomoćnim izvorom napona i instalacijom za priključak releja na mjerne transformatore i izvršavanje naloga koje daju zaštitni uređaji.

Prekostrujni releji su najčešće primjenjivani releji u zaštitnoj tehnici. Upotrebljavaju se za zaštitu generatora, transformatora, motora, i vodova od nedozvoljeno visokih struja preopterećenja i kratkih spojeva. Prema vremenskoj karakteristici, djele se na: trenutne prekostrujne releje, releje sa strujno nezavisnom vremenskom karakteristikom i na releje sa strujno zavisnom karakteristikom.
Trenutni prekostrujni releji djeluju bez vremenskog zatezanja djelovanja čim struja premaši na skali podešenu vrijednost. U elektromehaničkoj izvedbi izvode se najčešće kao elektromagnetni releji sa zakretnom kotvom
Važna karakteristika prekostrujnih releja je tzv. omjer otpuštanja definisan kao:


gdje je: Ipr - minimalna vrijednost struje kod koje relej privuče kotvu i zatvori kontakte;
Ipov - maksimalna struja kod koje otpusti kotva pobuđenog releja pri smanjivanju struje.

Kvalitetni prekostrujni releji treba da imaju omjer otpuštanja što bliži jedinici.
Trenutni prekostrujni releji rijetko se primjenjuju kao samostalna zaštita. Mogu da služe kao brza zaštita u slučaju bliskih kratkih spojeva, kad su struje vrlo velike. Uglavnom se koriste kao elementi ostalih zaštitnih uređaja.
Prekostrujni releji sa strujno nezavisnom karakteristikom (maksimalni strujno nezavisni releji) prorađuju kad struja premaši podešenu vrijednost, a na isključenje djeluju tek nakon isteka podešenog vremenskog zatezanja djelovanja. Vrijeme djelovanja ne zavisi od iznosa struje koja teče kroz relej. Prekostrujni releji sa strujno nezavisnom karakteristikom izvode se kao kombinacija trenutnih prekostrujnih releja u dvije ili sve tri faze i zajedničkog člana za vremensko zatezanje djelovanja.
Prekostrujni releji sa strujno zavisnom karakteristikom se pobuđuju kad struja premaši podešenu vrijednost, a djeluju na isključenje i (ili) signalizaciju nakon vremenskog zatezanja koje je zavisno od struje koja prolazi kroz namotaje releja. Vrijeme djelovanja releja sa strujno zavisnom karakteristikom definisano je kao:

gdje je:
tdj - vrijeme djelovanja releja kod vrijednosti G kontrolisane veličine;
Gb - bazna (nominalna) vrijednost kontrolisane veličine;
K, α - koeficijenti.

U zavisnosti da li vrijeme djelovanja više ili manje zavisi od struje, ovi releji se djele na:
- releji sa normalno zavisnom vremenskom karakteristikom
- releji sa vrlo zavisnom vremenskom karakteristikom
- releji sa ekstremno zavisnom vremenskom karakteristikom
- releji sa kombinovanom karakteristikom.
Releji sa normalno zavisno karakteristikom se upotrebljavaju mnogo u angloameričkim zamljama za zaštitu radijalnih vodova sa mnogo podstanica.
Releji sa vrlo zavisnom vremenskom karakteristikom se upotrebljavaju za zaštitu vodova na kojima struja kvara naglo opada sa udaljavanjem mjesta kvara od izvora napajanja. Releji sa ekstremno zavisnom vremenskom karakteristikom se koriste za zaštitu distributivnih odvoda izvrgnutih jakim strujama uključenja pojedinih grupa potrošača (frižideri, bojleri, pumpe i sl.), jer omogućavaju relativno dugo vrijeme djelovanja prilikom udaraca, a vrlo brzo djelovanje prilikom velikih struja kratkog spoja.
Naročito efikasna zaštita se može postići sa kombinovanom karakteristikom. Kod struja nešto većih od podešene relej ima izrazito zavisnu karakteristiku. Kod nešto većih struja karakteristika prelazi u strujno nezavisnu, tj. relej djeluje sa podešenim vremenom t2. U slučaju bliskih kratkih spojeva relej djeluje trenutno. Ovakvim relejima mogu se uspješno štititi vodovi, transformatori i potrošači od preopterećenja i struja kratkih spojeva.
Termički prekostrujni releji se izvode najčešće pomoću termičkog sistema s bimetalima. To su trake različitog oblika sastavljene od dva metala sa različitim temperaturnim koeficijentom rastezanja. Prilikom porasta temperature takva traka se savija na stranu sa manjim koeficijentom.

Diferencijalni strujni releji

Diferencijalni strujni releji djeluju na razliku struja koje ulaze i izlaze iz štićenog objekta. Princip djelovanja prikazan je na slici 2.14. Kod normalnih opterećenja ili vanjskih kratkih spojeva jednake su primarne struje I1 i I2 koje ulaze u štićeni objekat i izlaze iz njega. Uz jednake strujne odnose strujnih transformatora i zanemarene greške jednake su i sekundarne struje i1 i i2. Kroz relej 3 teče razlika struja. Ako su struje jednake po iznosu i po faznom položaju, razlika im je jednaka nuli i kroz relej i kod vanjskih kratkih spojeva ne teče struja. U slučaju kvara na štićenom objektu struje teku sa obje strane ili samo sa jedne, prema mjestu kvara, razlika struja nije više jednaka nuli, relej 3 zatvara kontakt i djeluje na isključenje prekidača.



Prilikom zaštite transformatora prilike su komplikovanije jer su nominalne struje ispred i iza štićenog transformatora različite. S druge strane, standardizovane su nominalne struje strujnih transformatora tako da je u većini slučajeva nemoguće prilagođavanje strujnih transformatora prenosnom odnosu učinskog transformatora. Zbog toga su potrebni međutransformatori za prilagođavanje sekundarnih struja transformatora i po iznosu i po faznom položaju. Ovi međutransformatori unose pogrešku tako da se i u normalnom pogonu mogu javiti izvjesne diferencijalne struje. Struje neravnoteže izazvane gornjim razlozima mogle bi dovesti do nepotrebnog djelovanja zaštite kod kratkih spojeva van štićenog objekta kad kroz njega teku struje mnogostruko veće od nominalne.
Podešavanje proradne struje releja iznad struja neravnoteže dovelo bi do grube zaštite, nedovoljno osjetljive na mininalne struje kvara.
Zbog toga se u diferencijalnoj grani primjenjuju umjesto običnih prekostrujnih releja tzv. procentni releji ili ravnotežni releji. Proradna struja takvog releja zavisi od struje koja teče kroz štićeni objekat.
Diferencijalni releji služe kao brza, selektivna i vrlo osjetljiva zaštita generatora, transformatora, visokonaponskih motora, kratkih vodova i kablova, te kao zaštita sabirnica postrojenja. U slučaju transformatora potrebno je imati elemente za sprečavanje nepotrebnog djelovanja kod velikih struja magnećenja izazvanih uključivanjem transformatora i porastom primarnog napona mreže na koju je transformator priključen. Zona djelovanja diferencijalnih releja je strogo ograničena strujnim transformatorima ispred i iza štićenog objekta. Zbog toga zaštita djeluje trenutno, tj. nije potrebno vremensko stepenovanje da bi se postigla selektivnost kao što je bio slučaj kod prekostrujne zaštite.

2.2 NAPONSKI RELEJI

Naponski releji djeluju kad napon na koji su priključeni odstupi od određene, unaprijed podešene vrijednosti. U zavisnosti da li djeluju kod povišenja ili sniženja napona, dijele se na nadnaponske i podnaponske releje.

Nadnaponski releji
Nadnaponski (prenaponski, maksimalni naponski) releji djeluju kada napon na koji su preključeni premaši podešenu vrijednost. Upotrebljavaju se kao zaštita od nadozvoljenog povišenja napona, kao i elementi složenijih zaštitnih uređaja. Naponski releji su ustvari strujni releji, jer djeluju na povećanje struje kroz namotaj releja. Pošto se priključuju paralelno naponu, a ne u seriji kao prekostrujni releji, potrebno je da im je otpor što veći. Prema tome, to su u stvari strujni releji s velikim brojem zavoja tanke žice. Ako proradna struja takvog releja iznosi Ipr, a relej ima impedansu ZN, proradni napon iznosi:


Podnaponski releji
Podnaponski releji djeluju kad napon nestane ili opadne ispod podešene vrijednosti. Upotrebljavaju se za zaštitu motornih i drugih pogona osjetljivih na smanjenje ili nestanak napona.
Naponski i podnaponski releji izvode se kao elektromagnetski releji, zatim kao indukcioni releji sa zakretnim diskom, a u kombinaciji s ispravljačima primjenjuju se i galvanometarski releji sa zakretnom kotvom. Vremenski usporeno djelovanje može se postići primjenom dodatnih vremenskih releja. Naponski nezavisna vremenska karakteristika jednostavno se postiže primjenom dodatnih vremenskih releja. Naponski zavisna vremenska karakteristika jednostavno se postiže primjenom indukcionih releja sa zakretnim diskom ili primjenom prigušenih galvanometarskih releja.
Naponski releji izvode se kao jednopolni, dvopolni, ili tropolni, u zavisnosti da li treba da nadziru jedan, dva ili sva tri linijska ili fazna napona. Priključuju se na naponske mjerne transformatore i to direktno ili putem filtera nulte ili inverzne komponente napona.

2.3. UČINSKI RELEJI

Učinski releji imaju važnu ulogu u tehnici relejne zaštite. Koriste se pretežno kao releji smjera (usmjereni releji, releji s mjerenjem faznog položaja), a manje kao releji snage. Zadatak usmjerenih releja je da djeluju kad kontrolisana snaga promjeni smjer (ili ima određeni fazni položaj), dok releji snage treba da djeluju kad snaga premaši podešenu vrijednost.
Elektromehaničke izvedbe učinskih releja imaju pogonski sistem koji razvija zakretni moment zavisan od snage, a koji se uopšteno može izraziti jednačinom:


gdje je:
Mr - rezultujući momenat koji djeluje na pomični sistem releja;
ur,ir - sekundarni napon i struja priključeni na relej;
φr - fazni pomak između struje i napona priključenih na relej;
α - tzv. unutrašnji ugao releja;
k - konstanta određena konstrukcijom releja.


Indukcioni učinski releji su se izvodili prije sa indukcionim mjernim sistemom sa zakretnim diskom. Nedostatak ovih sistema je nemogućnost postizanja brzog djelovanja zbog inercije diska. Zbog toga se takvi releji koriste tamo gdje je poželjno vremensko kašnjenje djelovanja. Brzi indukcioni releji izvode se sa cilindričnim rotorom.

Karakteristike releja snage

Osnovni parametri koji karakterišu releje smjera snage su:
- karakterističan ugao α (unutrašnji ugao) releja, kao ugao između mjernih veličina koje napajaju relej, karakterističan za djelovanje releja. Kod elektromehaničkih releja to je ugao maksimalne osjetljivosti releja;
- ugao spoja β, kao ugao između napona koji odgovara struji priključenoj na relej i napona stvarno priključenog na relej;
- ugaona greška, kao greška između deklarisanih i stvarno izmjerenih vrijednosti;
- osjetljivost: minimalna vrijednost jedne ulazne veličine kod koje relej djeluje pri čemu druga veličina ima referentnu vrijednost;
- efektivna vrijednost ulaznih mjernih veličina: obično 5 ili 1 A i ili 100 V.

2.4. DISTANTNI DALJINSKI RELEJI

Zbog razvoja električnih mreža složenog oblika i zbog potrebe što bržeg eliminisanja kratkih spojeva, već davno se pojavila potreba za zaštitom koja će djelovati to brže što je mjesto kvara bliže mjestu ugradnje releja. Kao kriterijum za djelovanje zaštite uzima se struja i napon. Što je struja kvara veća i što je napon niži, to relej treba da djeluje brže. Vrijeme djelovanja takvog releja može se izraziti kao:

Pošto odnos U/I predstavlja otpor ili impedansu, ovakvi releji nazivaju se i otporni ili impedantni releji. Napon na mjestu ugradnje zaštite kod tropolnog kratkog spoja, jednak je padu napona na impedansi voda:

Uvrštavanjem u izraz za tdj i stavljanjem kZ1 = K1 dobija se:

tdj = K1L
gdje je L udaljenost od mjesta ugradnje releja do mjesta kvara, a Z1 jedinični otpor dalekovoda.
Prema tome, vrijeme djelovanja zaštite proporcionalno je udaljenosti ili distanci od mjesta ugradnje releja do mjesta kvara zbog čega se ovi releji nazivaju i distantni ili daljinski releji.
Distantni releji su složeni zaštitni uređaji. Sastoje se od više članova: pobudni, usmjerni, mjerni, vremenski, izvršni i pomoćni članovi.
Pobudni član P stavlja u pokret rad zaštite u slučaju pojave kvara i time priključuje mjerni i usmjerni član na potrebne struje i napone. U srednjenaponskim mrežama primjenjuju se prekostrujni, a u mrežama viših napona podimpedatni pobudni članovi. Član smjera S ili usmjerni član nadzire smjer snage kratkog spoja. Ako ona teče od sabirnica prema štićenom vodu, on omogućava djelovanje zaštite, dok u suprotnom smjeru blokira.
Mjerni član M, priljučen na struju i napon, mjeri otpor petlje, odnosno udaljenost od mjesta kvara do mjesta ugradnje releja. Ako se kvar nalazi unutar predviđene zone, izmjereni otpor je manji od podešenog, relej zatvara kontakt i daje nalog izvršnom članu koji djeluje na isključenje prekidača.
Vremenski član T omogućava vremensko stepenovanje djelovanja zaštite u zavisnosti od udaljenosti mjesta kvara.
Izvršni član ima zadatak da, u slučaju potrebe, a na nalog mjernog ili vremenskog člana, izvrši potrebna isključenja i aktivira signalne uređaje.
Pomoćni članovi služe za različite pomoćne svrhe, kao: signalizacija djelovanja, sprečavanje pogrešnih djelovanja, automatsko ponovno uključenje, ispitivanje releja u pogonu itd.
Relej se priključuje na naponske i strujne mjerne transformatore štićenog voda (sl. 2.52). Kod kratkog spoja kroz strujne namotaje releja teče struja, a napon na releju opadne na vrijednost određenu strujom kvara i udaljenošću mjesta kvara. Prevelika struja izazove pobudu pobudnog člana P. On zatvara kontakt i produžava plus pol pomoćnog izvora struje na pomični kontakt usmjernog člana S.

Ovaj je priključen na struju i napon. Ako snaga kratkog spoja teče od sabirnica u štićeni vod, pomoćni kontakt otklanja se u desno, produžava plus pol na kontakt mjernog člana M i istovremeno aktivira vremenski član releja T. Mjerni član je priključen na sekundarnu struju, a preko prekidača kojim upravlja vremenski član na odgovarajući otcjep dodatnog naponskog međutransformatora MT. U početnom položaju prekidač je u položaju I i napon na releju je najveći. Ako mjerni član utvrdi da se kvar nalazi u prvoj zoni on zatvara svoj kontakt i pobuđuje izvršni član I, koji zatvaranjem svojih kontakata djeluje na isključenje prekidača.
Ako se kvar nalazi u drugoj zoni, izmjereni otpor je veći od proradnog otpora mjernog člana i on neće zatvoriti kontakt. Nakon isteka podešenog vremenskog zatezanja vremenski član priključi naponski namotaj na otcjep II s manjim naponom, što prividno smanjuje mjerni otpor. Zbog toga dolazi do djelovanja mjernog člana i aktiviranja izvršnog.
Ako se kvar nalazi u trećoj zoni, mjerni član ne prorađuje na punom naponu ni na otcjepu II. Nakon isteka podešenog vremena vremenski član prebacuje prekidač u položaj III zbog čega mjereni otpor još više prividno opadne i dolazi u zonu djelovanja mjernog člana.

2.5. FREKVENTNI RELEJI

Frekventni releji djeluju kad frekvencija napona na koji su priključeni opadne ispod ili naraste iznad podešene vrijednosti. Upotrebljavaju se za frekventno rasterećenje elektroenergetskih sistema kod manjka aktivne snage izvora praćenog opadanjem frekvencije. Kod određene frekvencije ovi releji mogu da automatski isključuju potrošače koji nisu jako osjetljivi na prekide u snabdjevanju električnom energijom. Kod još većeg pada frekvencije mogu da isključe i druge grupe potrošača. Na taj način sprečava se dalje opadanje frekvencije i raspad sistema do kojeg bi došlo u slučaju da sistem nije bio pravovremeno rasterećen.
Releji djeluju tako da im je mjerni član rezonantno podešen na određenu frekvenciju. Kad frekvencija napona na koji je relej priključen odstupi od nominalne i dođe u područje podešene, relej prorađuje i zatvara kontakt. U zavisnosti od izvedbe mjernog člana releji mogu biti releji sa mehaničkom rezonansom, releji sa električnom rezonansom i statički frekventni releji.

2.6. VREMENSKI RELEJI

Vremenski releji nisu u pravom smislu zaštitni releji jer kod kvarova ne djeluju samostalno i jer im vrijeme djelovanja ne zavisi od električnih veličina koje se javljaju kod kvarova. Ono je određeno podešavanjem releja.
Zadatak vremenskih releja je da uspore djelovanje brzih zaštitnih releja kad je to potrebno s obzirom na postizanje selektivnosti djelovanja ili kad se želi spriječiti nepotrebno djelovanje zaštitnih releja kod kratkotrajnih i neopasnih prelaznih pojava.
U zavisnosti od načina na koji se postiže vremensko zatezanje dijele se na:
- releji sa satnim mehanizmima
- releji sa malim sinhronizovanim motorčićima
- releji sa elektromehaničkim kočenjem
- bimetalni vremenski releji
- releji sa RC kolima
- statički vremenski releji

2.7. STATIČKI ZAŠTITNI RELEJI

Svi razmotreni elektromehanički releji pretvarali su kontrolisanu električnu veličinu u privlačnu mehaničku silu ili obrtni moment, koji je upoređivan sa protumomentom opruge, trenja i drugih vrsta kočenja. Kad je proizvedeni pogonski moment ili sila postala veća od protumomenta, relej je prorađivao i zatvarao kontakte i na taj način djelovao na potrebna isključenja i signalizacije.
Pored svojih prednosti i mehaničke usavršenosti, elektromehanički releji imaju i niz nedostataka:
- pokretni djelovi (kotve releja) imaju relativno veliku tromost, što se negativno odražava na brzinu rada;
- protumomenti releja imaju za posljedicu smanjenu osjetljivost releja;
- sigurnost djelovanja može biti ugrožena zbog postojanja pokretnih djelova ako dođe do povećanog trenja u ležajevima, korozije i sl. ;
- kontakti su kod djelovanja izloženi luku i mehaničkom trošenju, što ograničava životno trajanje, može dovesti u pitanje ispravan rad releja i zahtjeva periodične revizije;
- vlastita potrošnja elektromehaničkih releja je znatna, što zahtjeva odgovarajuću snagu mjernih transformatora;
- dimenzije i težina zaštitnih releja s elektromehaničkim relejima su znatne.
Pojavom poluprovodnika, a naročito razvojem i pojavom tranzistora, stvorene su nove mogućnosti za primjenu elektronike u tehnici relejne zaštite. Primjena poluprovodnika i drugih statičkih elemenata za sintezu zaštitnih uređaja ima niz prednosti u odnosu na elektromehaničke releje:
- osjetljivost i tačnost mogu biti neuporedivo veći nego kod elektromehaničkih konstrukcija i ograničeni su praktično samo ekonomskim razlozima;
- brzina djelovanja, zbog nepostojanja pokretnih djelova i tromosti, može biti znatno veća. Dok su praktično svi elektromehanički releji djelovali na bazi integracije jedne ili više perioda, statički releji mogu reagovati i na trenutne vrijednosti;
- zbog nepostojanja kontakata i pokretnih djelova izloženih trošenju, životno trajanje uređaja i moguć broj djelovanja praktično su neograničeni;
- statički uređaji su neosjetljivi na vanjske uticaje, kao: vibracije, vlaga, prašina, agresivna atmosfera i sl., jer se elementi mogu zaštiti zalijevanjem u vještačke mase i na drugi način;
- mala vlastita potrošnja i nizak energetski nivo omogućavaju realizaciju daleko elastičnijih i kompleksnijih zaštitnih sistema s određenom logikom djelovanja, kao i prenos mjernih kriterijuma i naloga na daljinu;
- modularnom gradnjom statičkih releja mogu se znatno smanjiti dimenzije i težina složenijih zaštita.
Kao nedostatak statičkih zaštita mogao bi se navesti njihov malen energetski nivo, što zahtjeva upotrebu pojačala i izlaznih elektromehaničkih pomoćnih releja za izvršavanje upravljačkih funkcija. Zbog niskog energetskog nivoa, potrebne su i posebne mjere za zaštitu osjetljivih statičkih komponenata od proboja ili lažnih djelovanja zbog vanjskih elektrostatičkih ili elektromagnetskih uticaja, koji mogu biti znatni u visokonaponskom postrojenju.

3. ZAŠTITA GENERATORA

3.1 KVAROVI I NENORMALNA STANJA U POGONU GENERATORA

Izolacija generatora izvrgnuta je u pogonu raznim naprezanjima i uticajima. Na nju djeluju mehanička naprezanja zbog centrifugalnih sila, dinamička sila kratkih spojeva, zbog vibracija, dilatacija kod grijanja i hlađenja i sl. Izolacija je izložena i termičkim i hemijskim uticajima zbog kojih ona postepeno stari i gubi svoja svojstva. Zbog ovih uticaja može doći do proboja izolacije generatora. Prema vrsti i mjestu kvara razlikuju se:
- kratki spoj u statorskom namotaju
- zemljospoj statorskog namotaja
- spojevi među zavojima jedne faze statorskog namotaja
- zemljospojevi pobudnog namotaja
- spojevi među zavojima pobudnog namotaja

Prilikom raznih kvarova i poremećaja u mreži koju generator napaja mogu se pojaviti takvi pogonski uslovi koji sami po sebi ne predstavljaju kvar u generatoru, ali koji dovode do vedozvoljeno visokih termičkih, električnih ili mehaničkih naprezanja generatora ili pogonske turbine. Ukoliko se ne bi pravovremeno preduzele potrebne mjere da se takvo opasno pogonsko stanje ukloni, moglo bi doći do težeg oštećenja i pojave kvara na generatoru. Nenormalna pogonska stanja opasna za rad generatora su:
- preveliko strujno opterećenje generatora zbog preopterećenja radnom ili jalovom snagom
- prevelika struja kod kratkih spojeva u mreži koju napaja generator
- previsok napon generatora
- nesimetrično opterećenje
- rad generatora u motornom području
- asinhroni rad generatora
- prevelik broj obrtaja
- nedozvoljeno zagrijavanje.

3.1 ZAŠTITA OD KRATKIH SPOJEVA IZMEĐU STATORSKIH NAMOTAJA

Međufazni kratki spoj može nastati između provodnika različitih faza ili kod proboja izolacije pojedinih faza na glavama namotaja. Na sl. 3.1. prikazan je tok struja kod dvopolnog kratkog spoja između namotaja u fazama R i S. Kroz mjesto kvara teče struja Ikg koju proizvodi sam generator i struja Ikm koja dolazi iz mreže. Kod tropolnog kratkog spoja na stezaljkama generatora on daje struju:

Kod dvopolnog kratkog spoja struja kvara jednaka je:


a kod jednopolnog kratkog spoja:

uz uslov da je zvjezdište generatora direktno uzemljeno, što se izvodi vrlo rijetko.



Pošto se reaktansa generatora mijenja s vremenom, to će se i iznos struje kratkog spoja mijenjati od svoje maksimalne vrijednosti (udarna struja kratkog spoja ) do vrijednosti trajne struje kratkog spoja.
Iznos struje kratkog spoja koja dolazi iz mreže Ikm zavisi od broja generatora koji rade paralelno i od otpora između njih i mjesta kvara.
Ako se kvar desi u generatoru na udaljenosti α od zvijezdišta (sl. 3.2), elektromotorna sila koja izaziva vlastitu struju kratkog spoja iznosi αEf. Reaktansa generatora, međutim, opada približno sa kvadratom broja zavoja, a, prema tome, i s kvadratom α tako da se orijentaciona vrijednost struje kratkog spoja može uzeti:

Ova proporcionalnost važi do umjereno malih udaljenosti α kada počinju da znatno utiču prelazni otpori na mjestu kvara. Zbog toga struja neće rasti s približavanjem mjestu kvara zvjezdištu po krivoj 1. koja zanemaruje prelazni otpor, nego će u blizini zvjezdišta opadati prema krivoj 2.



Ako se uzme u obzir da su nominalne struje današnjih generatora vrlo velike (reda 5-15 KA i više) i da je struja kratkog spoja kod kvara u generatoru znatno veća od nominalne vidi se da kroz mjesto kvara teku ogromne struje kratkog spoja. Zbog nastalog električnog luka, na mjestu kvara nastaje jako razaranje namotaja i okolnog željeza. Naročito teške posljedice imali bi kvarovi kod kojih bi došlo do izgaranja aktivnog željeza, jer bi to zahtjevalo izradu novog statora generatora. Zbog toga se postavlja zahtjev da se generator u slučaju pojave unutrašnjeg kratkog spoja što je moguće brže odvoji od mreže, razbudi i zaustavi.
Zbog malih struja kvara u slučaju kratkog spoja preko prelaznog otpora u blizini zvjezdišta ne može se koristiti prekostrujna zaštita.
Kao efikasna zaštita od unutrašnjeg kratkog spoja upotrebljava se stabilizovana diferencijalna zaštita. Diferencijalni releji priključuju se na strujne transformatore u zvjezdištu i ispred generatora. Podešavaju se na minimalnu proradnu struju reda 10 do 20% nominalne struje, što osigurava dovoljnu osjetljivost kod svih vrsta kratkih spojeva. Pretjerano visoka zahtjevana osjetljivost releja (npr. 5%In ) zahtjeva savršeno prilagođavanje strujnih transformatora i krije u sebi opasnost od nepotrebnog djelovanja kod kratkog spoja u mreži.
Ako generator ima otcjep za napajanje vlastite potrošnje, izvedba diferencijalne zaštite je nešto komplikovanija jer treba da obuhvati i struju koja odlazi na napajanje sopstvene potrošnje.
Kod kratkog spoja u postrojenju vlastite potrošnje struja na otcjepu se bitno povećava i dovodila bi do nepotrebnog djelovanja osjetljive diferencijalne zaštite generatora. Zbog toga se primjenjuje rješenje prema sl. 3.4. Generator se štiti posebnom diferencijalnom zaštitom. Diferencijalni relej za zaštitu bloka priključen je tako da kroz diferencijalni namotaj teče razlika struje koju proizvodi generator ig i sume struja koja teče u mrežu i postrojenje vlastite potrošnje, tj. struja:

U ovom slučaju su potrebni međutransformatori za prilagođavanje sekundarnih struja po iznosu i po fazi. Zbog istih magnetskih uslova rada, poželjno je da strujni transformatori u zvjezdištu i na otcjepu vlastite potrošnje imaju isti prenosni odnos (p2 = p3).
U slučaju da strujni transformatori ne zadovoljavaju zahtjevima za priključak osjetljive diferencijalne zaštite zbog zasićenja strujnih transformatora strujama jednosmjerne komponente, može se primjeniti visokoimpedantna diferencijalna zaštita. U diferencijalnom krugu umjesto niskoomskog strujnog namotaja priključen je visokoomski naponski namotaj ili dodatni otpornik. To u normalnom pogonu i kod vanjskih kratkih spojeva ne smeta jer struja cirkuliše kroz oba strujna transformatora tako da sekundari transformatora nisu opterećeni visokoomski.

Kod kvara u štićenoj zoni razlika struja trebala bi da poteče kroz naponski namotaj velikog otpora što uzrokuje porast sekundarnog napona. Da ne bi došlo pri tome do oštećenja izolacije strujnih transformatora ili releja, paralelno namotaju ugrađuju se nelinearni otpornik.
Osnovni zahtjev za diferencijalnu zaštitu generatora je velika brzina djelovanja (15-40 ms), pored zahtjeva za dovoljnom osjetljivošću zaštite (15-20% In). U slučaju kvara diferencijalna zaštita djeluje na isključenje generatorskog prekidača, na brzo demagnećenje generatora, na zaustavljanje turbine i aktiviranje signalno-alarmnih uređaja.
Kod djelovanja ove zaštite generator se ne smije ponovo pustiti u pogon dok se ne izvrši pregled i ne ispita da li je izolacija generatora ispravna, odnosno dok se ne utvrdi uzrok eventualnog nepotrebnog djelovanja zaštite.

3.2 ZAŠTITA OD ZEMLJOSPOJA STATORSKOG NAMOTAJA

Proboj izolacije statorskog namotaja prema uzemljenim djelovima, odnosno aktivnom željezu statora dosta je čest kvar u pogonu generatora. Do proboja dolazi zbog mehaničkog oštećenja izolacije kod izrade, montaže ili remonta generatora, zbog mehaničkih naprezanja i oštećenja izazvanih vibracijama namotaja ili statorskih limova, zbog starenja izolacije i prekomjernog naprezanja atmosferskim ili pogonskim prenaponima.
Na sl. 3.5 prikazan je generator s izolovanim zvjezdištem i sa zemljospojem na udaljenosti α od zvjezdišta. Zemljospojna struja može se zatvarati samo preko kapaciteta C generatora i priključene mreže prema zemlji. Prije proboja na mjestu kvara bio je napon αUf. Kod proboja napon pada na nulu, a zvijezdište generatora dobije napon - αUf prema zemlji. Metodom simetričnih komponenata može se ovaj napon rastaviti na direktnu, inverznu (koja je u ovom slučaju jednaka nuli) i na nultu komponentu, koja je jednaka Uo = - αUf. Na sl. 3.5 takođe su prikazani naponi i struje u slučaju zemljospoja. Zbog kapacitivnog otpora, struje prednjače naponima za 90o. Pošto je impedansa statorskog namotaja generatora zanemarivo mala u odnosu na kapacitivne nulte otpore, može se uzeti da su struje u pojedinim fazama:




Nulta komponenta struje je jednaka u sve tri faze i iznosi:

Struje koje teku kroz pojedine faze jednake su:

Kroz mjesto kvara teče suma svih struja:

Struja kvara je direktno propocionalna kapacitetu i udaljenosti mjesta kvara od zvjezdišta generatora. Ako je α =1, tj. kod zemljospoja na stezaljkama generatora, struja je maksimalna, zvjezdište ima puni fazni napon prema zemlji, a napon zdravih faza ima vrijednost linijskog napona. Kod zemljospoja u zvjezdištu generatora (α =0) nema nikakvih promjena u naponima, jedino je zvjezdište kruto uzemljeno i u slučaju zemljospoja na namotaju pojavljuju se velike struje jednopolnog kratkog spoja.
Kapacitet C1 sadrži u sebi kapacitet generatorskog namotaja, spojnih vodova od generatora do transformatora.
Ako je zvjezdište generatora uzemljeno preko radnog otpora R struja IZ će biti:

Što je veći kapacitet namotaja i objekata priključenih na generator to će i kapacitivna struja zemljospoja biti veća. Što je manji otpor preko kojeg je uzemljeno zvjezdište struja je veća i ako bi otpor bio sasvim malen, zemljospoj prelazi u jednopolni kratki spoj.
Kod većine zemalja zvjezdišta generatora su izolovana ili uzemljena preko visokih vrijednosti otpora tako da se struje zemljospoja drže u granicama relativno neopasnim za generator. Mnogobrojna ispitivanja pokazuju da su struje reda 3-5 A neopasne i kod dužeg trajanja. Struje reda 10-20 A može generator izdržati kratko vrijeme bez posljedica za željezo statora. Ove struje mogu, međutim, dovesti do oštećenja zbog jakog lokalnog zagrijavanja i eventualnog tinjanja izolacije, što može dovesti do spoja među susjednim zavojcima i s tim povezanim velikim strujama kratkog spoja. Kod struja reda 50 A dolazi brzo do topljenja željeza statora tako da je potrebno vrlo brzo isključenje i demagnećenje generatora. Kao kriterijum za djelovanje zaštite može se uzeti pojava napona zvjezdišta -αUf i (ili) pojava struje zemljospoja. Releji priključeni na ovaj napon ili struju (naponski ili strujni releji) ili na obje veličine (vatmetarski releji) mogu sigurno i selektivno utvrditi pojavu zemljospoja i pravovremeno djelovati na isključenje generatora. Za izvedbu zaštite mjerodavan je način priključka generatora na mrežu. Kod generatora u blok-spoju sa transformatorom generatorska strana je galvanski odvojena od mreže tako da je rješenje zaštite jednostavno. Zaštita se izvodi prema sl. 3.7. pomoću naponskog releja priključenog na napon zvjezdišta generatora prema zemlji (ili napon otvorenog trougla naponskih transformatora) ili pomoću strujnih releja kroz koje teče struja zemljospoja.


Zaštita djeluje u slučaju zemljospoja u statorskom namotaju (K1), na spojnim elementima između generatora i transformatora (K2) i na primarnoj strani transformatora (K3). Na sl. 3.7. su prikazane dvije varijante zaštite. Punom linijom prikazan je naponski relej priključen na naponski transformator prenosnog odnosa pu u zvjezdištu generatora. Kod zemljospoja pojavljuje se napon - αUf prema zemlji i relej djeluje preko vremenskog člana na isključenje, demagnećenje i zaustavljanje agregata. Crtkano je prikazana druga varijanta kontrole napona nulte komponente. Relej je priključen na otvoreni trokut zemljospojnog transformatora prenosnog odnosa p’u. Ovaj napon je u normalnom pogonu približno jednak nuli, a kod zemljospoja je proporcionalan naponu zvjezdišta generatora. Osjetljivost zemljospojne zaštite ograničena je uticajem zemljospojeva u mreži višeg napona. Zbog postojanja kapaciteta između primarnog i sekundarnog namotaja transformatora, i zemljospojevi u mreži višeg napona izazivaju pojavu napona nulte komponente u zvjezdištu generatora, što može izazvati nepotrebno djelovanje zaštite. Na sl. 3.8. prikazani su ovi kapaciteti i ekvivalentna šema ovog spoja. Ako je zvjezdište generatora izolovano, a zvjezdište transformatora ima zbog zemljospoja napon U’o prema zemlji, napon zvjezdišta generatora Uo iznosi:

Kod mreža sa izolovanim zvjezdištem napon U’o jednak je faznom naponu mreže. Ako je zvjezdište mreže uzemljeno direktno, napon U’o mijenja se duž namotaja od nule do punog iznosa. Za praktične proračune može se uzeti da je srednja vrijednost napona 0,5 Uf mreže.
Ako je zvjezdište generatora uzemljino preko otpora R, struja kroz kapacitet Co iznosi:






a napon U’o:

Prema tome, napon zvjezdišta generatora uzrokovan zemljospojevima u mreži višeg napona iznosi:

Na napon Uo, a i na osjetljivost zaštite, može se uticati odgovarajućim dimenzionisanjem otpora R i povećanjem kapaciteta C1. Pri tome treba imati na umu da se smanjivanjem R povećava struja zemljospoja.
Ako postoji otcjep za napajanje vlastite potrošnje na generatorskom naponu vezan galvanski s razvodom vlastite potrošnje (odnosno preko prigušnice), pojavljuje se problem selektivnosti djelovanja zaštite. Zaštita ne bi trebala da djeluje na isključenje generatora kod zemljospojeva u razvodu vlastite potrošnje koji su relativno česti. Na sl. 3.10. prikazana su dva načina za postizanje selektivnosti djelovanja zaštite. U slučaju a) upotrebljen je diferencijalni spoj obuhvatnih transformatora u zvjezdištu generatora i na kablovskom odvodu. Kod zemljospoja u postrojenju vlastite potrošnje struja teče kroz oba obuhvatna transformatora tako da je struja kroz diferencijalni relej jednaka nuli. U slučaju b) za blokiranje djelovanja zaštite kod kvarova u postrojenju vlastite potrošnje upotrebljen je vat-metarski relej priključen na struju zemljospoja i napon zvjezdišta. Pri tome se zemljospojna struja može dobiti ili sumarnim spojem tri strujna transformatora ili obuhvatnim transformatorom.
U slučaju zemljospoja na generatorskoj strani zaštita isključuje generator, a kod zemljospoja u postrojenju za napajanje vlastite potrošnje vrši se isključenje prekidača otcjepa i automatsko prebacivanje napajanja vlastite potrošnje na zdravu sekciju.



3.3 ZAŠTITA OD SPOJA MEĐU ZAVOJIMA STATORSKOG NAMOTAJA

Do kratkog spoja među zavojima iste faze može doći zbog proboja izolacije zavojaka koji leže u istom žlijebu ili između zavoja koji se ukrštaju na glavi namotaja. Dva zemljospoja na različitim mjestima iste faze takođe predstavljaju ovu vrstu kvara. I zemljospoj sa relativno malim strujama može dovesti do izgaranja i proboja izolacije među zavojima.
Kod ovog kvara pojavljuje se u oštećenoj fazi kratko spojeni namotaj sa više ili manje zavojaka. Magnetsko polje statora indukuje u tom zavoju struju, koja uz male prelazne otpore može dostići vrlo visoke vrijednosti, tako da može doći do razaranja toga dijela namotaja i do oštećenja aktivnog željeza statora.
Ako se posmatra generator odvojen od mreže i pobuđen, struja kvara zatvara se samo unutar kratko spojenih zavojaka tako da je ne može obuhvatiti ni prekostrujna ni diferencijalna zaštita. Ako je generator priključen na mrežu, onda se mjesto kvara napaja i iz mreže. Generator s kratko spojenim zavojima u jednoj fazi može se posmatrati kao transformator s mnogo zavoja u zdravim fazama i s malim brojem zavoja koji su kratko spojeni. U tome omjeru biće i struje tako da i ovom slučaju ne može djelovati prekostrujna zaštita iako u kratko spojenom namotaju teku velike struje. Ni diferencijalna zaštita ne djeluje, jer su struje koje dolaze iz mreže raspoređene tako da je diferencijalna struja jednaka nuli.
Kao kriterijum za djelovanje zaštite može se uzeti nesimetrija proizvedenih napona generatora. Zbog izvjesnog broja kratko spojenih zavoja, deformiše se trougao proizvedenih napona tako da nul-tačka ne leži više u težištu naponskog trougla, tj. pojavljuje se izvjesna nulta komponenta napona. Ukoliko se na vještački način stvori zvjezdište koje leži tačno u težištu naponskog trougla, dobije se razlika potencijala između tog zvjezdišta i zvjezdišta generatora. Ova razlika potencijala ili struja izjednačenja između ova dva zvjezdišta može se uzeti kao kriterij za djelovanje naponskog ili strujnog releja. Na sl. 3.12. prikazan je princip djelovanja zaštite.


Vještačko zvjezdište s fiksiranom nul-tačkom postignuto je pomoću 3 primarna dvopolna izolovana naponska transformatora sa sekundarnim spojem u otvoreni trougao. Ovo zvjezdište spojeno je sa zvjezdištem generatora direktno ili preko strujnog transformatora na koji je priključen relej. U normalnom pogonu oba zvjezdišta su na istom potencijalu. Kod spoja među zavojima javlja se razlika potencijala između oba zvjezdišta i između njih poteče struja zavisna o otporima generatora i mreže i broju kratko spojenih zavoja. Ona izaziva proradu prekostrujnog releja (slučaj a) ili osjetljivog naponskog releja priključenog paralelno otporniku R (slučaj b). Pošto kroz spojni vod normalno teku struje trećeg harmonika, releji se priključuju preko filtera koji propušta samo struje od 50 Hz. Kod generatora većih snaga i viših napona namotaj se izvodi sa dvije paralelne grane po fazi. Sa sigurnošću se može tvrditi da se spoj među zavojima neće pojaviti istovremeno u obje paralelne grane, i to sa istim brojem kratko spojenih zavoja. Zaštita se prema tome, može izvesti jednostavno, prema sl. 3.13., spojem u osmicu strujnih transformatora i priključkom osjetljivog releja na razliku struja. Nominalna struja strujnih transformatora jednaka je polovini nominalne struje generatora, odnosno polovini nominalne struje strujnih transformatora ispred generatora.


Da bi se izbjeglo eventualno nepotrebno djelovanje zaštite zbog izvjesnih nesimetrija u izvedbi paralelnih grana, zbog nagle promjene magnetskog polja ili prelaznih procesa, zaštita se može stabilizovati strujom opterećenja i kombinovati sa uzdužnom diferencijalnom zaštitom generatora. Na sl. 3.14. prikazan je ovaj spoj za jednu fazu.

Spojevi među zavojima iste faze mogu se očekivati kod generatora s namotajem sa više provodnika po žlijebu. Pošto se veliki generatori izvode sa štapnim namotajem, do spoja među zavojima moglo bi doći na glavama namotaja, što je malo vjerovatno. Zbog toga se ova zaštita primjenjuje rijetko na generatorima s jednostrukim namotajem. Ako je namotaj izveden sa dvije paralelne grane, zaštita se redovno primjenjuje. Ovakav oblik zaštite naziva se i poprečna diferencijalna zaštita generatora, za razliku od klasične uzdužne diferencijalne zaštite. Pošto se kod spoja među zavojima radi o ozbiljnom kvaru, zaštita mora da djeluje brzo (0,1-0,5 s) i da isključi generatorski prekidač, aktivira demagnećenje, zaustavljanje agregata i signalno-alarmne uređaje.

3.4 ZAŠTITA OD ZEMLJOSPOJA U POBUDNOM NAMOTAJU

Pojava zemljospoja u pobudnom namotaju je relativno čest kvar u pogonu generatora. Rotorski namotaji sinhronih generatora izvrgnuti su u pogonu jakim centrifugalnim silama i silama zbog toplotne dilatacije namotaja. Do zemljospoja može doći zbog proboja oštećene ili ostarjele izolacije rotorskog namotaja ili zbog oštećenja, proboja ili onečišćenja izolacije kliznih prstenova i spojnih vodova.
Zemljospoj u jednoj tački ne predstavlja kvar opasan po generator, jer kroz mjesto kvara ne teče struja niti pojava utiče na rad generatora. Prema tome, generator bi mogao ostati u pogonu bez štetnih posljedica. Postoji, međutim, opasnost da dođe do još jednog zemljospoja. Time bi došlo do kratkog spajanja izvjesnog broja zavojaka rotorskog namotaja. To bi imalo za posljedicu pojavu velikih struja i neravnomjerno zagrijavanje i razaranje rotora što bi kod turbogeneratora s relativno dugim rotorima moglo dovesti do krivljenja i s tim u vezi do vibracija ili struganja rotora od stator. Osim toga, kratkim spajanjem izvjesnog broja zavoja narušava se simetrija proizvedenog magnetskog toka, što ima za posljedicu pojavu neravnoteže radijalnih sila koje uzrokuju jake vibracije cijelog agregata. Ove vibracije povećavaju se s povećanjem pobude i nestaju kad se generator razbudi, za razliku od vibracija izazvanih krivljenjem rotora koje ne zavise o pobudi.
Da bi se spriječile posljedice pojave drugog zemljospoja, većina zemalja upotrebljava zaštitu koja signalizira pojavu prvog zemljospoja. Prema pogonskim mogućnostima, takav generator se isključuje iz pogona što je moguće prije da bi se utvrdio uzrok pojave zemljospoja. Signalizacija zemljospoja se izvodi na jednostavan način, a zaštita od dvostrukog zemljospoja je komplikovana i ima više nedostataka.
Na sl. 3.16. prikazan je princip djelovanja ove zaštite koji se do sada koristio kod generatora srednjih snaga sa jednosmjernim budilicama. Preko odgovarajućeg djelitelja napona D, kondenzatora C i releja R pobudni krug generatora priključuje se na jednu stezaljku transformatora sekundarnog napona reda 40-50 V. Drugi pol transformatora je uzemljen.

Ako je izolacija pobudnog kruga dobra, kroz relej teče samo mala kapacitivna struja zbog kapaciteta pobudnog namotaja Cu prema zemlji. Ako se pojavi smanjenje ili proboj izolacije, zatvara se strujni krug, kroz relej poteče struja i on djeluje na signalizaciju. Kao releji primjenjuju se vrlo osjetljivi magnetoelektrični, indukcioni ili statički releji.
Nedostatak ove izvedbe je što kroz kondenzator C i kapacitet pobudnog namotaja Cu prema zemlji teče trajno izvjesna struja koja bi kod nešto većih iznosa mogla štetno djelovati na ležaj generatora kroz koji se zatvara. Osim toga, zaštita može da ne djeluje ako nestane pomoćnog napona na transformatoru. Postojanje kapaciteta Cu, osim toga, smanjuje osjetljivost zaštite.
Na sl. 3.17. prikazana je varijanta kojom se izbjegavaju kapacitivne struje. Napon pomoćnog izvora se ispravlja preko mosnog spoja ispravljača. Pozitivan pol spojen je na zemlju, a negativan preko releja i otpornika na pozitivan pol pobudnog sistema. Zaštita djeluje na smanjenje izolacionog otpora na bilo kojem mjestu namotaja. Djeluje i ako nestane napon pomoćnog izvora, a zemljospoj se nalazi samo malo udaljen od pozitivne stezaljke pobudnog sistema. Kao relej primjenjuje se osjetljivi jednosmjerni relej.

Kod velikih generatora i primjene tiristorskih pobudnih sistema postoje teškoće s izvedbom dovoljno osjetljive zaštite. Relativno veliki kapaciteti pobudnih sistema prema zemlji i sadržaj viših harmonika u pobudnom naponu zahtjevaju da zaštita ne bude suviše osjetljiva. S druge strane, bila bi poželjna signalizacija već kod malog sniženja izolacionog otpora, dok bi kod jakih sniženja izolacionog otpora zaštita djelovala na isključenje.
Da bi se obuhvatili i visokoomski zemljospojevi, primjenjuju se na velikim generatorima niskofrekventni izvori naizmjeničnog ili pravougaonog napona priključeni preko odgovarajućih filtera na pobudni krug generatora i kontrolisani specijalnim statičkim uređajima.

3.5 ZAŠTITA OD SPOJEVA MEĐU ZAVOJIMA POBUDNOG NAMOTAJA GENETORA

Zbog jakih mehaničkih naprezanja kojima je izložen namotaj rotora, naročito kod čestih obustava i upuštanja generatora, može doći do oštećenja izolacije među zavojima na jednom ili više polova. To ima za posljedicu smanjenje aktivnih amperzavojaka na rotoru. Ovo ima za posljedicu nesimetriju magnetskih tokova pojedinih polova i s tim povezanu pojavu radijalne sile koja uzrokuje povećanje vibracija generatora. Osim toga za postizanje istog magnetskog toka potrebna je veća pobudna struja. Spojevi među zavojima mogu prouzrokovati i nejednolično zagrijavanje rotora, što može dovesti do krivljenja osovine rotora turbogeneratora. Vibracije izazvane krivljenjem osovine razlikuju se od vibracija izazvanih nesimetričnim magnećenjem po tome što posljednje nastaju kad se generator razbudi, a povećavaju se s povećanjem pobude.
U pogonu ne može doći do nagle pojave spoja između većeg broja zavoja istog pola, nego se taj proces odvija sporo. Zbog toga, a i zbog komlikovanosti izvedbe eventualne zaštite, ne primjenjuje se posebna zaštita za ovu vrstu kvarova. Spojevi među zavojima otkrivaju se periodičnim mjerenjem vibracija generatora i snimanjem karakteristika kratkog spoja i pobudne karakteristike. Primjećuju se u normalnom pogonu generatora po tome što se kod normalne pobudne struje dobije manja prividna snaga generatora.

3.6 PROTUPOŽARNA ZAŠTITA GENERATORA

Mogućnost pojave vatre u generatoru su danas vrlo male, jer se izolacija danas izvodi od slabo gorivih materijala. Relejna zaštita od unutrašnjih kvarova generatora je vrlo osjetljiva i djeluje vrlo brzo tako da je razvijanje vatre teško moguće. Veliki generatori hlade se danas vodonikom što onemogućava gorenje jer nema kiseonika. Da bi se ipak spriječilo eventualno razvijanje vatre, pored velikih generatora, naročito u podzemnim elektranama, postavljaju se boce sa kompresovanim CO2. U slučaju pojave vatre u generatoru otvaraju se ventili za puštanje CO2 u krug hlađenja generatora. Aktiviranje može da se vrši automatski pomoću raznih izvedbi detektora vatre ili ručno. Postoje i izvedbe predviđene za gašenje generatora vodom.

3.7 ZAŠTITA OD PREOPTEREĆENJA GENERATORA

Preopterećenje generatora javlja se kod ispada iz pogona pojedinih generatora ili kompletnih elektrana, koje paralelno napajaju zajedničko potrošačko područje, ili kod ispada prenosnih vodova. U oba slučaja može se desiti da potrošači zahtjevaju veću aktivnu i reaktivnu snagu nego što je instalisana snaga generatora tako da dolazi do njihovog preopterećenja.
Mogućnost preopterećenja generatora aktivnom snagom je vrlo mala jer je ograničena maksimalnom snagom koju može proizvesti turbina. Moguće preopterećenje reaktivnom snagom je znatno veće. Ono zavisi o maksimalno mogućoj pobudi generatora. Zbog potreba brze regulacije napona i povećanja stabilnosti sistema, pobudni djelovi savremenih generatora su znatno predimenzionisani u odnosu na nominalnu snagu tako da je kod niskog napona na sabirnicama elektrane i maksimalne pobude moguće znatno preopterećenje generatora.
Uzimajući u obzir radnu i jalovu komponentu struje, moguća su preopterećenja reda 1,6 puta nominalne struje generatora. Vrijeme za koje će se namotaj preopterećenog generatora zagrijati do maksimalno dozvoljene temperature zavisi od konstruktivnih karakteristika generatora, njegovog prethodnog opterećenja i od inteziteta preopterećenja. Zbog dosta velikog toplotnog kapaciteta generatora kod polaganog zagrijavanja strujama preopterećenja, ne postavlja se zahtjev za brzim isključenjem generatora iz pogona, jer bi se to negativno odrazilo na rad sistema u kojem već ionako postoji manjak snage. Zaštitni releji trebali bi da isključe generator nešto prije nego što namotaj dostigne maksimalno dozvoljenu temperaturu. U tu svrhu najpogodniji su termički prekostrujni releji koji preslikavaju zagrijavanje generatora i isključuju ga iz pogona sa vremenskim zatezanjem zavisnim od iznosa struje. Kod izbora termičkih releja treba imati na umu da vremenska konstanta zagrijavanja releja treba da bude što sličnija vremenskoj konstanti zagrijavanja štićenog generatora. Zbog toga je najbolje da proizvođač generatora predloži termičku zaštitu. Orijentaciono se može uzeti termička konstanta 25 do 30 min kod normalno hlađenih generatora, a 15 do 30 min kod generatora hlađenih vodonikom ili forsirano na neki drugi način. Kod vrlo velikih generatora s naročito efikasnim sistemima hlađenja ona može da se kreće od 5 do 15 min. Vremenska konstanta je veća kod većih snaga i manjeg broja obrtaja, a smanjuje se sa efikasnošću sistema za hlađenje.
Pošto je opterećenje simetrično, dovoljno je da se termički relej priključi na strujne transformatore u jednoj fazi. Djeluje na signalizaciju i isključenje generatorskog prekidača. Poželjna je signalizacija čim nastupi preopterećenje, a isključenje nakon potrebnog vremenskog zatezanja termičkog releja.
Član za signalizaciju podešava se na struju nešto višu od nominalne i treba da djeluje sa vremenskim zatezanjem većim od vremena djelovanja dalekovodnih zaštita kako ne bi dolazilo do nepotrebnih signalizacija kod kvarova u mreži.

3.8 ZAŠTITA OD STRUJA KRATKIH SPOJEVA U MREŽI

U slučaju pojave kratkog spoja na sabirnicama elektrane ili u napajanoj mreži generator proizvodi struju kratkog spoja, koja može biti znatno veća od struje preopterećenja. Ukoliko zataje dalekovodne zaštite kod kvara u mreži ili ako se pojavi kratki spoj na sabirnicama, potrebno je brzo isključenje generatora. Da bi se omogućilo selektivno djelovanje stepenovanjem zaštitnih uređaja u mreži, vremensko zatezanje djelovanja treba da je za vremenski stepen iznad vremena djelovanja dalekovodnih zaštita na sabirnicama elektrane. Ovo vrijeme iznosi 2 do 4 s.
Prekostrujni releji sa strujno nezavisnom karakteristikom priključuju se kao na sl. 3.19 na strujne transformatore u zvjezdištu generatora. Na taj način zaštita predstavlja i rezervnu zaštitu za slučaj kvara u generatoru i zatajenja osnovnih zaštita. Proradna struja zaštite u slučaju da postoji termička zaštita od preopterećenja podešava se prema izrazu:


gdje je:
Ip max - maksimalna struja preopterećenja kod koje ne želimo da zaštita isključi generator
ks - koficijent sigurnosti (1,05-1,1)
a - omjer otpuštanja releja
pi - prenosni odnos strujnih transformatora
ksp - koeficijent spoja (jednak jedinici kod spoja strujnih transformatora u zvijezdu)


Da bi zaštita predstavljala rezervu za slučaj zatajenja dalekovodnih zaštita, proradna struja treba da je manja od minimalne struje kratkog spoja na kraju rezervne zone štićenja. Prema ovom uslovu, proradna struja treba da je:

Ik min je minimalna vrijednost struje kratkog spoja (dvopolno ili jednopolni kratki spoj). Koeficijent osjetljivosti kos treba da je veći od 1,5 kod kvara na kraju osnovne zone štićenja (sabirnice) i veći od 1,2 kod kvara na kraju rezervne zone.
Problem ispravnog podešenja zaštite pojavljuje se ako su na sabirnice elektrane priključeni vrlo dugi vodovi. Ako se proradna struja podesi suviše nisko, postoji opasnost da zaštita djeluje nepotrebno kod preopterećenja, a ako se podesi visoko, postoji opasnost da zaštita ne djeluje kod minimalnih struja kvara i zatajenja dalekovodnih zaštita.
Da bi se spriječilo nepotrebno djelovanje kod preopterećenja ako je proradna struja podešena nisko, može se primjeniti prekostrujna zaštita s podnaponskim relejem, prema sl. 3. 20.

U slučaju normalnog napona zaštita ne može da djeluje iako se pobudi prekostrujni relej, jer je + pol prekinut na kontaktima podnaponskog releja. Tek kod kratkog spoja u mreži izvrši se deblokiranje zaštite otpuštanjem kontakata podnaponskih releja. Proradni napon ovih releja podešava se prema:

gdje je:
Up min - minimalni pogonski napon koji se pojavljuje kod preopterećenja i loših naponskih prilika
a - omjer otpuštanja releja
ks - koeficijent sigurnosti

Koeficijent osjetljivosti s obzirom na podnaponske releje je:

gdje je:
Uk max - maksimalni napon na mjestu ugradnje zaštite kod kratkog spoja na kraju predviđene zone djelovanja zaštite.
Prekostrujna zaštita predstavlja i rezervnu zaštitu u slučaju kvarova u generatoru i blokovskom transformatoru i zatajenja diferencijalne zaštite. Nedovoljna osjetljivost prekostrujne zaštite kod kvarova na kraju dugih dalekovoda kao i veliko vremensko zatezanje djelovanja doveli su do primjene brzih distantnih releja kao zaštite od struja vanjskih kratkih spojeva. Najčešći priključak i podešenje distantne zaštite prikazani su na sl. 3.21.

Distantni relej napaja se strujom iz strujnih transformatora u zvjezdištu generatora. Na taj način obezbjeđeno je usmjereno djelovanje kod kvara u generatoru, transformatoru i mreži. Naponski krugovi zaštite napajaju se iz naponskih mjernih transformatora na generatorskom naponu. Kod dvopolnih i eventualno tropolnih kratkih spojeva u generatoru na spojevima generator - transformator i u transformatoru dolazi do sloma napona i zaštita djeluje u osnovnom stepenu (25-40 ms). Na taj način obezbjeđena je brza rezervna zaštita diferencijalnoj zaštiti.
Na sl. 3.22. prikazana su struje i naponi kod tropolnog kratkog spoja. Označeni otpori voda Zv i transformatora ZT odnose se na generatorski nominalni napon.

Da bi mjerni član mjerio otpor transformatora i voda, potrebno je da bude priključen na fazni napon i odgovarajuću faznu struju.
Struje i naponi na generatorskoj strani kod dvopolnog kratkog spoja između faza S i T prikazani su na sl. 3.23. Struja u fazama R i S na primarnoj strani prenosi se na sve tri faze na generatorskoj strani. Da bi se i u ovom slučaju vršilo ispravno mjerenje, potrebno je da se pobudi relej u fazi kroz koju protiče dvostruka struja i da mjerni član bude priključen na fazni napon te struje.
U pogledu tačnosti mjerenja prilike su mnogo nepovoljnije u slučaju jednopolnog kratkog spoja u mreži. Blokovski transformator može biti direktno uzemljen; uzemljenje može biti izvedeno preko otpora za ograničenje struje jednopolnog kratkog spoja ili zvjezdište može biti izolovano, a uzemljenje neutralne tačke mreže ostvaruje se na nekom od transformatora u mreži. Na sl. 3.24. prikazani su ovi slučajevi odvojeno.



Na primjeru a) prikazana je struja koju proizvodi generator i koja se zatvara preko uzemljenog zvjezdišta blokovskog transformatora. Na slici b) prikazan je tok struje I2 koja dolazi od drugih generatora u mreži i zatvara se preko blokovskog transformatora s uzemljenim zvjezdištem. Na primeru c) prikazan je tok struja koje proizvodi generator, a koje se zatvaraju preko uzemljenih zvjezdišta transformatora u mreži.
Napon U na primarnoj strani transformatora jednak je padu napona na otporima:


Generatorski napon jednak je naponu prenesenom s primarne strane, uvećan za pad napona u otporu transformatora, tj.:

Struja koja teče kroz generator je:

Da bi mjereni otpor bio jednak ZT +ZV, potrebno je u mjerni napon uvesti korekciju koja će eliminisati uticaj pada napona na otporu za uzemljenje zvjezdišta, tj.:

Da bi nazivnik izraza Zmj/Imj bio jednak , potrebno je uvesti i korekciju za struju, tj.

Da bi nazivnik izraza Zmj/Imj bio jednak , bilo bi potrebno naponskim krugovima dodati korigovani napon i korigovanu struju . Ovo je moguće pomoću naponskog transformatora spojenog između zvjezdišta blokovskog transformatora i zemlje i pomoću strujnog transformatora u krugu uzemljenja zvjezdišta kroz koje upravo protiče struja . Ova struja teče i u sumarnom krugu triju strujnih transformatora na strani višeg napona blokovskog transformatora.

3.9 ZAŠTITA OD PREVISOKOG NAPONA

Povećanje napona iznad nominalnog ima za posljedicu povećano naprezanje izolacije generatora i uređaja priključenih na napon generatora. Osim toga, došlo bi do nedozvoljeno visokih napona u postrojenju i mreži koju napaja generator.
Do prevelikih napona na generatoru može doći zbog prenapona, koji u obliku prenaponskih talasa atmosferskog ili pogonskog porjekla dolaze iz mreže ili zbog povišenja napona kojega proizvodi sam generator.
Opasnostima od prenapona koji dolaze iz mreže izloženi su najviše generatori priključeni direktno na sabirnice sa kojih se mreža napaja. Kao zaštita takvih generatora služe odvodnici prenapona priključeni na dolazne vodove, na generatorske sabirnice i zvjezdištu generatora. Kod blok-spoja generator-transformator naprezanja od prenapona koji dolaze iz mreže preuzima na sebe mnogo otporniji transformator. Prenaponi se na generatorsku stranu mogu prenjeti preko kapaciteta između primara i sekundara transformatora ili induktivnim putem. Kapacitivno preneseni prenaponi mogu se držati dovoljno malenim ako je kapacitet generatorske strane znatno veći od kapaciteta transformatora, kao i odgovarajućim dimenzionisanjem otpornika u zvjezdištu generatora. Induktivno preneseni naponi preko namotaja transformatora spojenog kao Yd pojavljuju se na generatorskoj strani kao međufazni prenaponi. Njih prigušuje zasićenje statora, a mogu se primjeniti specijalni odvodnici prenapona u Y spoju.
Do povišenja napona kojega proizvodi sam generator može doći kad on ne radi paralelno s ostalim generatorima u mreži. Ako npr. dođe do ispada generatora iz pogona prilikom njegovog punog opterećenja, ukupna prvobitna struja magnećenja postaje struja magnećenja praznog hoda i napon se povisi na 130-140% nominalnog napona. Prilikom naglog rasterećenja dolazi, međutim, i do povećanja broja obrtaja, jer se sva raspoloživa energija troši na ubrzavanje. S povećanim brojem obrtaja raste i napon generatora, i to u zavisnosti od izvedbe pobudnog sistema generatora sa trećim ili četvrtim stepenom (ne uzimajući u obzir zasićenje kod viših napona) ako su glavni i pomoćni pobudni sistemi na istoj osovini.
Da bi se napon i broj obrtaja generatora držao u normalnim granicama, generatori su opremljeni automatskom regulacijom napona, a turbine automatskom regulacijom broja obrtaja. Ispravni regulatori napona mogu savladati poraste napona koji se nalaze u njihovom regulacionom području. Ako je zbog povećanog broja obrtaja napon još uvijek previsok, regulator uključuje sav regulacioni opseg, a napon i dalje raste. Kod parnih turbina postoji, pored regulatora broja obrtaja, i brzi zaporni ventil koji sigurno djeluje na zatvaranje pare ako broj obrtaja premaši 108-110% nominalnog. Kod hidrogeneratora, zbog velike kinetičke energije vodenih masa, regulator broja obrtaja ne smije suviše naglo zatvoriti dovod vode tako da se i uz ispravan regulator može pojaviti prolazno povećanje broja obrtaja
Do povećanja napona može doći i zbog pojave samopobude generatora u slučaju kad generator ostaje sam da napaja duge i neopterećene dalekovode znatnog kapaciteta. Da bi se generatori zaštitili od takvih povišenja napona, primjenjuje se nadnaponska zaštita, obavezno na hidrogeneratorima, a preporučljivo je i na turbogeneratorima.
Principijelna šema nadnaponske zaštite generatora prikazana je na sl. 3.26.

Nadnaponski relej priključuje se na generatorski napon preko naponskog mjernog transformatora i to na one faze na koje nije priključen regulator napona. Da zaštita ne bi djelovala na prolazna povećanja napona, koje je u stanju da savlada regulacija, nadnaponski relej može imati naponski zavisnu karakteristiku ili se mogu uzeti dodatni vremenski releji (0,1-0,5 s kod velikog povišenja napona, 1-5 s kod manjih povišenja napona).
Proradni napon nadnaponskog releja određuje se iz uslova da zaštita ne djeluje nepotrebno kod maksimalnog pogonskog napona, tj.:

gdje je:
ks - koeficijent sigurnosti (1,1-1,15);
Umax pog - maksimalni pogonski napon koji se javlja u normalnom pogonu ili kratkovremeno, a kod kojega ne želimo djelovanje zaštite;
pu - prenosni odnos naponskog mjernog transformatora.
Vremensko zatezanje djelovanja zaštite treba da je veće od vremena djelovanja regulatora napona i snage kod naglog rasterećenja generatora.
Nadnaponska zaštita treba da djeluje na demagnećenje generatora, zatvaranje predturbinskog zatvarača i aktiviranje signalno-alarmnih uređaja. Osim toga, djeluje i na isključenje generatorskog prekidača.

3.10 ZAŠTITA OD NESIMETRIČNOG OPTEREĆENJA GENERATORA

Do nesimertičnog opterećenja može doći iz više razloga. Već i u normalnom pogonu pojedine kategorije potrošača nesimetrično opterećuju mrežu na koju su priključeni (npr. elektrolučne peći u metalurgiji, električna vuča). Snaga ovih potrošača mala je u odnosu na snagu generatora koji paralelno napajaju sistem tako da se na generatorima ne mogu pojaviti opasne nesimetrije.
Kod nesimetričnih kratkih spojeva ove nesimetrije su neuporedivo veće, jer generatori proizvode znatnu nesimetričnu struju kratkog spoja. Ovakva jaka nesimetrična opterećenja isključuju dovoljno brzo dalekovodne zaštite od kratkih spojeva. U slučaju zatajenja dalekovodnih zaštita generator isključuje prekostrujna zaštita.
Dugotrajnija nesimetrična opterećenja mogu se pojaviti kod prekida jednog voda kojim se prenosi energija iz elektrane ako takav prekid nije praćen padom voda na zemlju. Slične prilike mogu nastati i ako dobro ne uključi jedan pol rastavljača na dalekovodnom polju. I primjenom tehnike automatskog ponovnog uključenja dalekovoda javlja se u periodu beznaponske pauze nesimetrija.
Na sl.3.27 prikazan je slučaj nesimetričnog opterećenja generatora kod dvopolnog kratkog spoja ili kod prekida faze T.

Rastavljanjem na simetrične komponente dobije se da je struja direktne i inverzne komponente jednaka:

Ako je generator spojen kao na slici preko transformatora grupe Yd5, struje na generatorskoj strani su:

Prilike kod jednopolnog kratkog spoja u mreži, prikazane su na sl. 3.28. Kad bi generator bio direktno priključen na mrežu, struja bi tekla samo kroz fazu R, a ako je spojen preko transformatora struja se dijeli na faze R i T generatora. Iznosi struja pojedinih simetričnih komponenata prikazani su na slici 3.28. Prema tome, kod nesimetričnog opterećenja u svim slučajevima pojavljuje se inverzan sistem struja. On proizvodi inverzno obrtno magnetsko polje koje rotira sinhronom brzinom u obrnutom smjeru od rotora. Ovo inverzno polje indukuje u prigušnom namotaju i masi rotora struje dvostruke frekvencije koje zbog dodatnog zagrijavanja mogu da izazovu nedozvoljeno visoka zagrijavanja i oštećenja rotora.
Dozvoljena vrijednost inverzne komponente struje Ii određena je toplotom koju ova struja proizvodi u rotoru. Odnos inverzne struje i dozvoljenog trajanja dat je izrazom:
[s]


Zaštita se izvodi pomoću strujnih releja priključenih preko filtera inverzne komponente struje. Da bi se spriječilo nepotrebno djelovanje zaštite kod nesimetričnih kratkih spojeva u mreži, potrebno je da djeluje s vremenskim zatezanjem.

3.11 ZAŠTITA OD POVRATNE SNAGE

Ako iz bilo kog razloga nestane dovod pogonske energije turbini, ona prestaje da daje pogonsku snagu generatoru. Sinhroni generator prelazi u motorni režim i kao sinhroni motor pogoni turbinu uzimajući za to potrebnu snagu iz mreže. Kod djelovanja brzog turbinskog zatvarača zbog raznih kvarova u turbinskom ili kotlovskom postrojenju dolazi najčešće do takvog pogonskog stanja.
Ovakvo pogonsko stanje nije opasno za generator. Ono može izazvati oštećenje turbine. Pošto u turbinu ne dolazi svježa para, gubici trenja i ventilacije u njoj se troše na zagrijavanje preostale pare tako da se temperatura lopatica može popeti na nedozvoljeno visoke vrijednosti. To može imati za posljedicu njihovo krivljenje, struganje rotorskih o statorske lopatice i težak kvar cijele turbine.
Zbog toga se postavlja zahtjev da se generator opremi zaštitom koja bi ga u ovakvim slučajevima odvojila od mreže. Kao kriterijum za djelovanje zaštite uzima se snaga koju generator uzima iz mreže. Ova snaga iznosi oko 2-4% nominalne snage generatora. Prema tome, za zaštitu se može, prema sl. 3.29., primjeniti vat-metarski relej dovoljne osjetljivosti. U slučaju povratne snage djeluje na isključenje generatorskog prekidača.
Da ne bi dolazilo do nepotrebnog djelovanja zaštite kod kratkotrajnih pojava povratne snage, djelovanje releja treba da je usporeno oko 3-15 s.
Djelovanje vat-metarskog releja može se usloviti i položajem brzog zapornog ventila turbine. Ako je on zatvoren, što je redovito slučaj kod kvara u turbinskom postrojenju, zaštita može da djeluje brzo (1-5 s). Ako zaporni ventil nije zatvoren, tj. povratna snaga je posljedica djelovanja sistema regulacije, djelovanje zaštite zateže se 5-15 s i više.



3.12 ZAŠTITA OD ASINHRONOG RADA GENERATORA

Generator radi u asinhronom režimu sa mrežom na koju je priključen ako mu nestane pobude ili ako iz bilo kojeg razloga ispadne iz sinhronizma.
Do podpobude generatora može doći zbog prekida pobudnog kruga, ispada pobudnog prekidača, kvara automatskog regulatora napona, itd.
Kod nestanka pobude nestaje sinhronizaciona sila, tj. ostaje samo moment reakcije definisan kao:

gdje je: U - napon, a Xd i Xq uzdužna, odnosno poprečna reaktansa generatora.
Ako je generator u trenutku gubitka pobude opterećen aktivnom snagom tako da je pogonski momenat turbine veći od momenta reakcije, generator ispada iz sinhronizma, povećava mu se broj obrtaja i prelazi u režim rada asinhronog generatora. Povećanje broja obrtaja zavisi od izvedbe i karakteristike generatora. Kod generatora s izraženim polovima asinhroni protumoment nije velik tako da se ravnoteža pojavljuje pri klizanju rotora reda 3-5%. Turboagregati razvijaju vrlo jak asinhroni protumomen tako da se ravnoteža javlja već kod klizanja rotora reda 0,3-0,6%.
Kod gubitka pobude dolazi, prema tome, do indukovanih struja u rotoru frekvencije sfn koje dodatno zagrijavaju rotor i kod dužeg pogona mogu dovesti do oštećenja rotora. Nestanak pobude generatora ima negativne posljedice i za sistem. Generator počinje iz mreže da uzima jalovu snagu potrebnu za magnećenje a time i struju magnećenja koja može narasti i do 2In kad generator daje u mrežu i aktivnu snagu.
Na sl. 3.30. prikazano je područje rada generatora u P-jQ dijagramu. Ucrtane su i proradne karakteristike zaštite od preopterećenja generatora, kao i zaštite od struja kratkih spojeva u napajanoj mreži. U smjeru aktivne snage radno područje je ograničeno maksimalnom snagom turbine. U području +jQ snaga je ograničena nominalnom pobudnom strujom za nazivni cosφ generatora. Zbog predimenzionisanog sistema pobude, moguća su u tom smjeru i preopterećenja i velike struje kratkog spoja.

Ova pogonska stanja obuhvaćena su zaštitom od preopterećenja (ν>) i zaštitom od prevelikih struja kratkog spoja (I> ili Z<). Područje u II i III kvadrantu, opasno za turbinu, ne dozvoljava zaštita od povratne snage (P). Radno područje u IV kvadrantu ograničeno je statičkom i dinamičkom stabilnošću generatora.

3.13 ZAŠTITA OD PREVISOKOG BROJA OBRTAJA

Kod naglog rasterećenja generatora energija vode ili pare ne može se predati u mrežu, nego se troši na ubrzavanje obrtnih djelova turbine i generatora. Parne turbine snadbjevene su brzim zapornim ventilima koji djeluju na zatvaranje pare kad broj obrtaja premaši 108-110%nn.
U hidroelektranama se, nasuprot tome mora računati sa mogućnošću pobjega turbine kod zatajenja regulatora broja obrtaja. Iako su turbina i generator konstruisani tako da izdrže slobodan broj obrtaja, u pogonu se izbjegava takvo suvišno naprezanje generatora. Zbog toga se postavlja zahtjev za zaštitom koja bi djelovala kod 120-140%nn. Uz pretpostavku ispravnog djelovanja regulatora i pogodnim izborom zamašnog momenta generatora, ova zaštita ne djeluje nepotrebno kod naglog rasterećenja generatora.
Zaštita se po pravilu izvodi kao mehanička i kao električna. U prvom slučaju radi se o jednostavnom okidaču koji djeluje na porast centrifugalne sile. Kod električnih zaštita može se koristiti napon za pogon regulatora snage, koji je proporcionalan broju obrtaja, frekvencija proizvedenog napona pomoćnog generatora vezanog na osovinu agregata ili statičke konstrukcije koje direktno mjere broj obrtaja generatora ili brzinu porasta broja obrtaja. Zaštita od prevelikog broja obrtaja treba da djeluje na zatvaranje predturbinskog zatvarača, te na spuštanje vodostanskog zatvarača ukoliko bi predturbinski ostao otvoren. Pored toga djeluje na isključenje generatorskog prekidača i demagnećenje generatora.



3.14 ZAŠTITA GENERATORA OD PREGRIJAVANJA

Dio mehaničke snage koju turbina predaje generatoru troši se na gubitke u generatoru. Oni se sastoje od gubitaka u bakru statorskog i rotorskog namotaja, od gubitaka u željezu zbog vrtložnih struja i histereze, te od gubitaka trenja i ventilacije. Kod normalnog rada generatora toplota proizvedena gubicima se odvodi pomoću rashladnog vazduha ili drugog medija za hlađenje. Do povećanog i nedozvoljeno visokog zagrijavanja pojedinih djelova generatora može doći zbog povećanog strujnog opterećenja generatora, zbog dodatnih indukovanih struja u rotoru, kao i zbog povećanih gubitaka trenja i ventilacije. Osim toga, uzrok može biti i kvar u sistemu za hlađenje generatora. Propisima su određene maksimalne dozvoljene nadtemperature za pojedine djelove generatora.
Za signalizaciju nedozvoljeno visokog zagrijavanja pojedinih djelova generatora postavljaju se u generatore na odgovarajuća mjesta sonde s nelinearnim otporom. Na osnovu promjene otpora s temperaturom vrši se i mjerenje ili signalizacija opasne temperature. Mjerenje se vrši na više mjesta. Pored mjernih instrumenata, postavljaju se i osjetljivi releji koji na nižoj temperaturi signaliziraju, a na nešto višoj isključuju generator iz pogona.




4. PODACI O ZAŠTITI GENERATORA U TE GACKO

Rudnik i Termoelektrana Gacko nalaze se u gatačkom energetskom bazenu u jugoistočnom dijelu Republike Srpske. Prva faza Termoelektrane, blok snage 300 MW pušten je u pogon 9. februara 1983. godine i projektovana je na 200000 sati rada. Vrijeme godišnjeg rada je oko 6000h sa prosječnom godišnjom proizvodnjom od 1400GWh. Specifična potrošnja toplote je 11200 kJ/kWh sa donjom kaloričnom vrijednošću uglja 6000 - 8000 kJ/kg.
Za napajanje sopstvene potrošnje Termoelektrane predviđeno je 6 kV postrojenje koje se sastoji od dvije sekcije 1RA i 1RB. Sopstvena potrošnja se napaja preko otcjepnog transformatora 21T, snage 40MVA i napona 20x1,5%/6,3/6,3 kV, priključenog direktno na 20 kV sabirnice i rezervnog transformatora 1TR snage 40MVA i napona 115x1,78%/6,3/6,3 kV. Pobuda generatora je izvedena pomoću transformatora i tiristorskih ispravljača. Za pobudu su predviđeni glavni transformator GUT 3,54 MVA; 20/0,78 kV i rezervni transformator RUT 3,54 MVA; 6/0,78 kV. Glavni transformator se napaja direktno sa 20 kV sabirnica kruta veza, a rezervni transformator 6 kV kablom sa sekcije 1RB. 20 kV oklopljeni vodovi povezuju generator sa pobudom, otcjepnim i blok-transformatorima. U TE Gacko su smještena još i 400kV, 110kV i 35kV postrojenja.
U toku posjete u TE Gacko, u sklopu obuke pripravnika dispičera, prikupio sam dokumentaciju o relejnoj zaštiti generatora i blok transformatora. Projektovanje i ugradnju je radilo privatno preduzeće Termograding. Lokacija pojedinih releja u električnoj šemi je objašnjena u opštem razmatranju zaštite generatora. Te zaštite su sljedeće:

4.1 Diferencijalna zaštita

- Tip releja: 7TD4351-0/CC, SIEMENS
- Nominalni podaci: 5A, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: g = 20% In


4.2 Zaštita od preopterećenja statora generatora

- Tip releja: 7SK2, SIEMENS
- Nominalni podaci: 5A, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I>=2,5A
I stepen: IE/In = 0,92, tA(5IE) = 5,0s
II stepen: I/ In>> 4,2, t = 0s



4.3 Zaštita od preopterećenja rotora generatora

- Tip releja: 7SK2, SIEMENS
- Nominalni podaci: 5A, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I>=6,0A
I stepen: IE/In = 0,94, tA(5IE) = 5,0s
II stepen: I/ In >> 2,4, t = 6s

4.4 Zaštita od kratkog spoja među zavojima statora generatora
(Poprečna diferencijalna zaštita generatora)

- Tip releja: 7TU15, 7TT10, SIEMENS
- Nominalni podaci: 0,4-6,6V, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: 2,4V
- Podešenost vremenskog člana: 3s

4.5 Zaštita od nesimetrije generatora

- Tip releja: 7US20
- Nominalni podaci: 5A, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I stepen: I2/In >10%, t= 5,0s (sign.)
II stepen: I2/In > 20%, t = 1s (isklj.)

4.6 Prenaponska zaštita generatora

- Tip releja: 7TM36, 7TT10, SIEMENS
- Nominalni podaci: -V, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I stepen: U>=132V, t= 2s
II stepen: U>=150V, t = 0,1s

4.7 Zemljospojna zaštita statora generatora

- Tip releja: 7TM36, 7TT10, SIEMENS
- Nominalni podaci: -V, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: U>=11V, t= 0,5s

4.8 100% zemljospojna zaštita statora generatora

- Tip releja: 7UE21, SIEMENS
- Nominalni podaci:
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I=36mA, t = 0,1s

4.9 Zemljospojna zaštita rotora generatora

- Tip releja: 7UR20, SIEMENS
- Nominalni podaci:
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I stepen: RPROR = 80kΩ (sign.)
II stepen: RPROR = 5kΩ (isklj.)

4.10 Zemljospojna zaštita sabirnica 20kV

- Tip releja: 7TM36, 7TT11, SIEMENS
- Nominalni podaci: 25-56V, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: 40V
- Podešenost vremenskog člana: 0,2s

4.11 Zaštita od povratne snage

- Tip releja: 7M143, 7M373, 7TL283
- Nominalni podaci: 5A, 100V, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: 2%Pn

4.12 Zaštita od gubitka pobude

- Tip releja: 7UU2
- Nominalni podaci: 5A, 100V, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: davač A: a1=90o, I1 = 0,5
davač B: a2=80o, I2 = 0,55
davač C: a3=90o, I3 = 1,05

4.13 Podimpedantna zaštita generatora

- Tip releja: 7SL14
- Nominalni podaci: 5A, 100V, 50Hz
- Pomoćni napon: 220V=
- Podešenje: pobudni član mjerni član vremenski član
I/In >> 1,3 1o = 0,65Ω t1 = 0,3s
U<= 70V 2o = 0,9Ω t2 = 1,3s

4.14 Diferencijalna zaštita bloka generator-transformator

- Tip releja: 7TD3351-1/CC, SIEMENS
- Nominalni podaci: 5A, 50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: g = 25% In

4.15 Zaštita od zemljospoja blok transformatora 1GT na strani 400kV

- Tip releja: 7TJ10, 7TT10, SIEMENS
- Nominalni podaci: 0,5-3,5A,50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I>=2,05A, t= 2,5s

4.16 Kotlovska zaštita blok transformatora 1GT

- Tip releja: 7TJ10, 7TT10, SIEMENS
- Nominalni podaci: 1A,50Hz
- Pomoćni napon: 24V=
- Podešenost mjernog člana: I>=1A, t= 2s

4.15 Distantna zaštita bloka generator-transformator

- Tip releja: 7SL24
- Nominalni podaci: 1A, 100V, 50Hz
- Pomoćni napon: 220V=
- Podešenje: pobudni član mjerni član vremenski član
I/In > 0,75 1o = 0,65Ω t1 = 0,025s
U<= 42V 2o = 0,9Ω t2 = 0,15s






















5. ZAKLJUČAK

U ovom radu su obrađeni osnovni problemi kod zaštite generatora.
Generatori su skupocjeni dio elektroenergetskog sistema. Teži kvarovi generatora imaju za posljedicu velike materijalne izdatke za popravak ili zamjenu oštećenog dijela. Štete prouzrokovane nemogućnošću proizvodnje mogu biti još veće. Zbog toga se zaštiti generatora posvećuje velika pažnja. Jedinične snage generatora se danas puno razlikuju. Počevši od generatora na malim vodotocima (nekoliko 100KW), preko generatora u industrijskim elektranama (1-30 MW) jedinične snage u sistemskim hidro i termoelektranama srednje veličine iznose 30, 100, 200 i 300 MW (TE Gacko i TE Ugljevik). Povećane jedinične snage generatora dovele su i do promjena parametara generatora i njihovih eksplatacionih karakteristika. Tako su npr. problemi odvođenja relativno velikih toplotnih gubitaka doveli do hlađenja vodonikom ili direktnog hlađenja vodom. To se odražava na preopteretivost takvih generatora i zaštitu od preopterećenja. Velike jedinične snage dovele su i do malih radnih otpora, a s povećanjem nominalnih napona i do većih induktivnih otpora. To je dovelo do velikih vremenskih konstanti generatora i bloka. Ovo ima za posljedicu veliku asimetriju struje kratkog spoja sa polaganim opadanjem jednosmjerne komponente struje kratkog spoja, što utiče na izbor projektovane zaštite (problemi zasićenja strujnih transformatora, neprolaženje struje kvara kroz nulu tokom relativno dugog vremena). Razvojem poluprovodnika došlo je i do bitnih izmjena u sistemima pobude generatora što takođe zahtjeva specifična rješenja. Sve ovo utiče da je i danas problematika zaštite generatora izuzetno važna sa stanovišta pouzdanog i stabilnog rada TE, a samim tim i EES-a.




























LITERATURA

[1] F. Božuta: Automatski zaštitni uređaji elektroenergetskih postrojenja
[2] H. Požar: Visokonaponska rasklopna postrojenja
[3] M. Đurić: Rešeni problemi iz relejne zaštite. Teorija kratkih spojeva i prekida
[4] Termograding: Ispitivanje generatorskih zaštita u TE Gacko
[5] Dnevnik rada vođen u toku obavljanja poslova dispečera-pripravnika











































SADRŽAJ

1. UVODNI DIO.......................................................................................................................1
2. ZAŠTITNI RELEJI...............................................................................................................6
2.1 Strujni releji.........................................................................................................................6
2.2 Naponski releji....................................................................................................................9
2.3 Učinski releji.....................................................................................................................10
2.4 Distantni daljinski releji....................................................................................................11
2.5 Frekventni releji................................................................................................................12
2.6 Vremenski releji................................................................................................................13
2.7 Statički zaštitni releji.........................................................................................................13
3. ZAŠTITA GENERATORA................................................................................................14
3.1 Zaštita od kratkih spojeva..................................................................................................14
3.2 Zaštita od zemljospoja statorskog namotaja......................................................................17
3.3 Zaštita od spoja među zavojima statorskog namotaja.......................................................21
3.4 Zaštita od zemljospoja u pobudnom namotaja..................................................................23
3.5 Zaštita od spojeva među zavojima pobudnog namotaja....................................................25
3.6 Protupožarna zaštita generatora.........................................................................................25
3.7 Zaštita od preopterećenja generatora.................................................................................25
3.8 Zaštita od struja kratkih spojeva u mreži...........................................................................26
3.9 Zaštita od previsokog napona............................................................................................32
3.10 Zaštita od nesimetričnog opterećenja generatora............................................................33
3.11 Zaštita od povratne snage................................................................................................35
3.12 Zaštita od asinhronog rada generatora.............................................................................36
3.13 Zaštita od previsokog broja obrtaja.................................................................................37
3.14 Zaštita generatora od pregrijavanja.................................................................................38
4. PODACI O ZAŠTITI GENERATORA U TE GACKO.....................................................38
5. ZAKLJUČAK.....................................................................................................................43

LITERATURA........................................................................................................................44

Nema komentara: