Generator 100%-statoraardfoutbeveiliging — derde-harmonische en laagfrequente injectie (ANSI 64S)

De gids over 87G-statordifferentiaalbeveiliging en de gids over 51V-spanningsafhankelijke overstroombeveiliging noemen beide expliciet dat een fout heel dicht bij het sterpunt van de statorwikkeling buiten hun gevoeligheid valt en dat daarvoor een aparte, toegewijde functie nodig is. Dit artikel behandelt die functie: 100%- statoraardfoutbeveiliging (ANSI 64S).

Waarom conventionele schema's een blinde vlek bij het sterpunt hebben

Zowel 87G als de meeste aardfoutdetectieschema's op basis van de fundamentele frequentie zijn afhankelijk van een meetbare spanning of stroom die door de fout wordt veroorzaakt. Bij een generator die in een hoogohmig geaard stelsel werkt (de gangbare praktijk voor synchroongeneratoren, om de foutstroom bij een eerste aardfout te beperken), neemt de spanning over de wikkeling lineair af naarmate de foutlocatie dichter bij het sterpunt ligt. Een fout die letterlijk op het sterpunt zelf optreedt, veroorzaakt nauwelijks enige spanningsverandering en is voor een op fundamentele frequentie gebaseerd schema vrijwel onzichtbaar. In de praktijk dekken conventionele schema's doorgaans ongeveer de laatste 90-95% van de wikkeling vanaf de klemmen, en laten de resterende 5-10% rond het sterpunt onbeveiligd — vandaar de aanduiding "100%-statoraardfout- beveiliging" voor de aanvullende functie die dat laatste stuk wel dekt.

Schema 1: derde-harmonische spanning — dekking tijdens bedrijf

Een draaiende synchroongenerator genereert van nature een kleine derde-harmonische spanningscomponent, veroorzaakt door niet- sinusvormige fluxverdeling in de luchtspleet. Deze derde-harmonische spanning is verdeeld over de wikkeling met een minimum bij de klemmen en een maximum bij het sterpunt (of omgekeerd, afhankelijk van de wikkelconfiguratie) — precies het omgekeerde profiel van de spanningsverdeling bij een fundamentele-frequentie-aardfout. Twee varianten benutten dit:

• Derde-harmonische onderspanning bij het sterpunt: een relais bewaakt de derde-harmonische spanning gemeten tussen het sterpunt en aarde. Een aardfout dicht bij het sterpunt onderdrukt deze component lokaal, wat een onderspanningsconditie oplevert die van normaal bedrijf te onderscheiden is.
• Derde-harmonische differentieel/verhoudingsschema: vergelijkt de derde-harmonische spanning gemeten bij het sterpunt met die gemeten bij de klemmen (of een afgeleide daarvan); de verhouding tussen beide verandert karakteristiek bij een fout dicht bij het sterpunt, onafhankelijk van bedrijfsbelasting die de absolute derde-harmonische spanning al enigszins laat variëren.

Beide varianten zijn afhankelijk van een voldoende grote, stabiele derde-harmonische spanning, die alleen aanwezig is zodra de generator met voldoende toerental en bekrachtiging draait.

Schema 2: laagfrequente injectie — dekking tijdens stilstand

Het derde-harmonische schema faalt structureel wanneer de generator stilstaat of nog niet op nominaal toerental draait — bijvoorbeeld tijdens opstarten, afkoelen, of onderhoud met de wikkeling nog aangesloten — omdat er dan simpelweg geen derde-harmonische spanning wordt opgewekt. Voor die bedrijfstoestanden wordt een tweede, complementair schema toegepast: een externe bron injecteert een continu, laagfrequent signaal (doorgaans in de orde van 15-20 Hz, dus duidelijk buiten de netfrequentie en diens harmonischen) via een koppeltransformator in het sterpunt-aardingscircuit. Dit signaal monitort continu de isolatieweerstand van de statorwikkeling naar aarde, ongeacht of de machine draait: een dalende isolatieweerstand of een daadwerkelijke aardfout verandert de gemeten injectiestroom op een karakteristieke manier, en het relais detecteert dit onafhankelijk van enige generatorspanning.

Waarom beide schema's samen nodig zijn voor volledige dekking

Geen van beide schema's dekt op zichzelf de volledige wikkeling in elke bedrijfstoestand:

Een volledig 100%-statoraardfoutpakket combineert daarom doorgaans beide functies, met logica die bepaalt welk schema op een gegeven moment het geldige beveiligingssignaal levert — vaak gekoppeld aan een toerental- of spanningsdrempel die de overgang bepaalt. Machines die vaak stoppen en starten (bijvoorbeeld pompaccumulatie-eenheden of noodstroomaggregaten die regelmatig proefdraaien) profiteren het meest merkbaar van de laagfrequente-injectiedekking, omdat zij een groter aandeel van hun bedrijfstijd doorbrengen in de toestand waarin het derde-harmonische schema blind is.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van de beveiligingsdekking van een synchroongenerator moet worden vastgesteld of naast 87G (of een ander op fundamentele frequentie gebaseerd differentieel- of aardfoutschema) daadwerkelijk een aparte 100%-statoraardfoutfunctie aanwezig is, en of deze beide bedrijfstoestanden dekt — draaiend én stilstaand — in plaats van alleen het derde-harmonische schema te installeren en aan te nemen dat de dekking daarmee compleet is. Voor machines met frequent starten/stoppen is de laagfrequente-injectiefunctie geen overbodige luxe maar een reëel benutte beveiligingslaag.

Veelgemaakte fouten

1. Aannemen dat 87G of een derde-harmonisch schema alleen voldoende is voor 100%-dekking — beide laten een deel van de wikkeling onbeveiligd, respectievelijk bij het sterpunt en tijdens stilstand.
2. Geen laagfrequente-injectiefunctie installeren op een machine die regelmatig stopt en start — juist die machines brengen een significant deel van hun tijd door in de toestand waarin het derde-harmonische schema geen bruikbaar signaal levert.
3. De injectiefrequentie kiezen zonder rekening te houden met bestaande systeemharmonischen — een slecht gekozen injectie- frequentie kan interfereren met of gemaskeerd worden door reeds aanwezige harmonische vervuiling in het net.
4. Vergeten dat de sterpunt-aardingstransformator de secundaire impedantie moet accommoderen die het injectiesignaal vereist — een aardingsontwerp dat uitsluitend is gedimensioneerd voor foutstroom- beperking zonder rekening te houden met de injectieketen kan het signaal dempen tot onbruikbare niveaus.

Gerelateerd

• Generatordifferentiaalbeveiliging (87G) — statordifferentieel
• Spanningsafhankelijke overstroombeveiliging (51V) voor generatoren
• Aardfoutbeveiliging (REF, 64N/87N) — hoogohmig
• Weerstandsaarding (NGR) — laagohmig/hoogohmig sterpunt