Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weerstand

Voor al je vragen over het elektriciteitsnet, hoog- en middenspanningstechniek waarop je het antwoord maar niet kunt vinden. Wellicht kan iemand je helpen
Mastbeeld van deze aansluiting
ICM4206
middenspanning
Loads: 12
Aangesloten op: 10 sep 2022 07:47
Dichtstbijzijnde trafo: Leeuwarden-110

Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weerstand

Load door ICM4206 » 14 okt 2022 19:28

Geachte hoogspanningsexperts.

In de hoop dat iemand mij wellicht kan vertellen of mijn gedachtegang klopt, deze vraagbaak post over een 2850 kVA / 2280 kW generator met doorgebrande stator na belastingtest. Ik heb enige elektrische kennis, maar onderstaande casus gaat mij boven de pet.

Voor het gemak:
Genset = dieselmotor + generator (alternator)
Generator = De dynamo / alternator

Korte inleiding:
Tijdens jaarlijks onderhoud is volgende onderhoudsvoorschriften op een locatie in Nederland is een genset gekoppeld aan het Ohmse belastingbank die maximaal tot 3 MW kan worden belast. In de onderhoudsrapportage van voorgaande jaren wordt gesproken over een opvallende arbeidsfactor van 0.86. De belasting van de genset is tijdens de laatste test tot 70% belast. Deze belasting was ongeveer 600 kW UPS-vermogen + aangevuld met Ohmse belasting van ongeveer 1000 kW. Tijdens transformator bedrijf (10 kV -> 400V) is op de schakelborden af te lezen dat de belasting 600 kW (200 kW per fase) is met een arbeidsfactor van 0,99. Dit lijkt aan te duiden dat de UPS-belasting ook nagenoeg Ohms is.

Wat is er gebeurd:
Tijdens schakelen naar de 70% belasting is de stator op een plek in de generator doorgebrand met aanzienlijke schade tot gevolg. Er is nu een onderzoek gestart naar de oorzaak van de schade, en daar is de focus komen te liggen op die arbeidsfactor van 0,86 waar een arbeidsfactor van nagenoeg 1 wordt verwacht (bij een soortgelijke belasting op een identieke generator zien wij wel 0,99 arbeidsfactor). Er is vastgesteld dat de generator:
1: Geen windingtemperatuur opnemers heeft, waardoor oververhitting van de windingen niet wordt geregistreerd.
2: Tussen nul van de generator en behuizing zit een connectie (sterpunt?) zonder "current transformer" (CT) bewaking.
3: De CT's van de Generator Schakelaar met busbar naar verdeler lijken van een te klein kaliber waardoor een daadwerkelijk overcurrent situatie buiten het meetbereik valt en de schakelaar dan ook niet zal trippen op overcurrent. Er is dus niet bekend over er een te hoge stroom heeft gelopen. Er is geen enkele 4000A schakelaar getript.

Tijdelijke conclusie:
De (momenteel) voorlopige conclusie is nu dat er sprake is (geweest) van een partieel contact tussen twee fases. Dit kan zijn gekomen door een fabricagefout bij de fabrikant waarbij er mogelijk een wisseling van fasekabels in de interne bekabeling is geïnstalleerd en naarmate er vaker door een Ohmse belasting is geweest er schade is ontstaan met uiteindelijke de huidige schade. Het kan ook zijn dat er in het afgaande veld iets niet in orde is. Dit zijn zowel per fase 5 x 125 mm2 kabels + nul voor de generatorschakelaar als enkele meter busbar na generatorschakelaar (gezien vanuit de generator).

Nu kan een generator volgens de fabrikant een scheve belasting aan, en ook tot redelijke extreme arbeidsfactoren lijkt er nog niet veel aan de hand. Echter doordat er mogelijk dus een ongewenst contact heeft bestaan tussen 2 fases in combinatie met een extreme Ohmse belasting in voorgaande jaren (+/- 2200 kW / 2250 kVA) is de generator buiten het toegestane belastinggebied gekomen en daardoor (ongemerkt) oververhit geraakt.

Vragen:
Nu de vragen waar ik niet helemaal uit kom:
1: Hoe kan een mogelijke verbinding tussen twee fases een lagere arbeidsfactor veroorzaken?
2: Naarmate misschien er meer lak in de generator is gesmolten, neemt dan de arbeidsfactor verder af?
3: Waarom veroorzaakt een gedeeltelijke wisseling tussen twee fases in een driefase circuit geen kortsluiting?

Ik hoop dat ik alle relevante details heb opgetypt, maar mocht ik iets elementairs over het hoofd hebben gezien als onbelangrijk dan hoor ik dat graag.

Mastbeeld van deze aansluiting
Johan
380 kV + Netkaartcrew
Loads: 586
Aangesloten op: 12 sep 2014 20:15

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door Johan » 15 okt 2022 15:18

Als je een UPS vermogen van 600 KW met een arbeidsfactor van 0.99 samen met 1MW met een arbeidsfactor van 1 aansluit dan kan de arbeidsfactor van die twee belastingen samen nooit 0.86 zijn.
Dat klopt ook niet met je gegevens van het voorafgaande jaar 2200 KW/ 2250KVA geeft een arbeidsfactor van 0.98 terwijl de meter 0.86 aangeeft! Er lijkt dan ook wat mis met de Cos Phi meter.

Van een kortsluiting in de installatie kan ook geen sprake zijn, een sluiting die zo groot is dat het aggregaat stuk gaat geeft een grote schade in de installatie.

Van overbelasting bij de testen is ook geen sprake, de waarden blijven ruim binnen de grenzen.
Bij verwisselen van twee fase draait de draairichting van motoren om maar zou alleen kortsluiting maken bij parallel schakelen met het openbare net.

Ik zou het probleem zoeken binnen het aggregaat maar weet onvoldoende van generatoren om daar wat zinvols over te zeggen.

Johan

larsg
50 kV
Loads: 59
Aangesloten op: 13 jan 2021 02:05
Dichtstbijzijnde trafo: Malle-BE

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door larsg » 15 okt 2022 16:38

Is het niet mogelijk dat die UPS het jaar ervoor anders geschakeld stond?
Je hebt namelijk online UPS'en AC->DC->AC en switchende UPS'en die gewoon de load doorschakelen of een online UPS met bypass. IT apparatuur lijkt me een meer plausibele load met 0.86 cos phi.

In ieder geval zou ik even bellen naar je generatorboer, die weten dat normaal wel. (deel gerust hier)

Mastbeeld van deze aansluiting
kevelek
220 kV
Loads: 225
Aangesloten op: 05 jun 2019 20:00

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door kevelek » 15 okt 2022 19:01

Even mijn visie op deze vraagstelling.

Om te beginnen heeft een ohmse belasting altijd een arbeidsfactor gelijk aan 1, anders spreken we over impedantie waar een deel ohms kan zijn en de rest reactief is. Bij een ohmse belasting is er dus geen sprake van blindlast. Actief vermogen (kW) en schijnbaar vermogen (kVA) zijn hierbij gelijk aan elkaar.

Je spreekt over belastingen in kW, maar wat is het werkelijke schijnbare vermogen dat de generator moest leveren? gezien de niet zo duidelijke waarde van de arbeidsfactor is het prima mogelijk dat een slechte arbeidsfactor er voor zorgde dat de generator toch wel een behoorlijke stroom moest leveren niet tegenstaande het aanvaardbare actieve vermogen.

Een generator van 2850kVA is toch al een behoorlijke jongen, zeker op 400V. Die zal toch wel voorzien zijn van een fatsoenlijke beveiliging?
Je zegt Er is geen enkele 4000A schakelaar getript dan neem ik aan dat er meerdere afgaande parallelle circuits zijn? Er moet toch ook een algemene beveiliging zijn ingesteld op ongeveer 4150A .

Een overgangsverschijnsel kan in een extreem geval zorgen voor een kortstondige overspanning die dan een doorslag veroorzaakt in de wikkelingen. Hetzelfde kan gebeuren bij een transformator. Dit overgangsverschijnsel noemt "ferroresonantie" en is eerder zeldzaam maar evenwel een mogelijk verklaring voor jouw defecte generator.

Je moet altijd rekening houden dat er gewoon een zwakte zat in de wikkelingen die er toevallig nu is uitgekomen.
Wat is de normale bedrijfstoestand van de generator gedurende het jaar?
Wordt tijdens het onderhoud ook de isolatieweerstand van de generator nagemeten?

Je spreekt van onder gedimensioneerde stroommeettransformatoren, kan je hier wat cijfers op plakken?
Weet dat er een belangrijk verschil is tussen een meettransformator (zeer nauwkeurig maar snel in verzadiging) en een beveiligingstransformator (iets onnauwkeuriger maar kan enkele malen de nominale stroom aan alvorens te verzadigen). Ook hier kan een verkeerde keuze desastreuse gevolgen hebben voor de werking van het beveiligingscircuit.

Als laatste moet er ook gekeken worden naar de harmonische vervuiling veroorzaakt door de aangesloten belasting. Spanningsharmonischen kunnen opnieuw overspanningen veroorzaken die de isolatie van de wikkelingen beschadigen. Stroomharmonischen veroorzaken een extra opwarming van de wikkelingen.
Weet dat UPS'n door hun hoogfrequent geschakelde voedingen een mooi voorbeeld zijn van apparatuur die indien niet correct uitgevoerd zeer sterke harmonischen kunnen produceren (typisch 5de en 7de harmonische voor een 6-pulsige gelijkrichter.)
Meten is Weten, Gissen is Missen. Raak niets aan wat niet geaard is en aard nooit zonder te meten.

Mastbeeld van deze aansluiting
ICM4206
middenspanning
Loads: 12
Aangesloten op: 10 sep 2022 07:47
Dichtstbijzijnde trafo: Leeuwarden-110

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door ICM4206 » 16 okt 2022 10:19

Allen in ieder geval dank voor de feedback. Dit maakt voor mij ook zichtbaar dat ik wellicht toch nog wat zaken over het hoofd heb gezien om te benoemen.

@Johan:
Inderdaad, de cosinus φ lijkt niet te kloppen. Ik heb verzuimd te vermelden dat ik in het schakelbord een Eaton power analyzer heb met eigen CT's en voltage metingen, maar dat de generator controller (DEIF) ook zijn eigen meting heeft met eigen CT's en Voltage metingen. Beide metingen in de historie geven een arbeidsfactor van 0,86. Mijn eigen conclusie was dan ook dat het onwaarschijnlijk is dat beide metingen defect zijn. Er is kortsluiting in de stator geweest. Dat de stator echt defect is, is zichtbaar als je in de stator kijkt en wikkelen ziet met een gat erin van zo'n 20 cm en gesmolten koperen bolletjes onderin de generator. We moeten nu de keuze maken om die opnieuw te laten wikkelen of een vervangende generator aanschaffen. Doordat zowel de generatorschakelaar als het inkomende veld in het schakelbord niet zijn getript doet de indruk dat de kortsluiting de generator niet heeft verlaten en dat slechte wikkelingen/oververhitting/verkeerde interne uitbedrading hier de reden voor zijn. Ik ga in mijn reactie aan keveleke hier nog even wat dieper op in.


@larsg:
Het zou kunnen dat de UPS op direct conversion stond in plaats van AC-DC-AC. Echter, dan zou de poweranalyzer meting van Eaton op het moment dat de transformator de UPS voedt diezelfde 0,86 moeten laten zien. Die geeft echter 0,99 aan met dezelfde load (zit een verschil tussen de meting van 30 minuten). De generatorboer heeft in het root cause onderzoek alleen maar gezegd " ja, de stator is stuk. Die moet terug naar de fabriek voor onderzoek, dat kost jullie ongeveer 15k.". In de onderhoudsrapportage wordt door de generatorboer echter wel al in 2020 opgemerkt dat de cosinus φ een afwijking geeft en verder onderzoek noodzakelijk is. Helaas heeft het onderhoudsteam er sinds 2020 geen verdere aandacht aan gegeven en helaas ook geen enke Megger of andere isolatiemeting beschikbaar.

@kevelek:
Een deel van de reeks meetgegevens van de belastingtest op 2 MW in 2020 (helaas geen cosinus φ in het rapport):
2000 kW. 400V op L1, L2, L3. L1: 3345A, L2: 3220A, L3: 3220A, zelfde test op sectie D:
2000 kW. 400V op L1, L2, L3. L1: 2900A, L2: 2900A, L3: 2900A

Een summier rapport uit 2016 geeft aan (zonder loadbank voor F) bij een belasting van 610 kW een verdeling over de fases: L1: 877A, L2: 883A, L3: 875A.

Bovenstaande lijkt aan te tonen dat D minder stroom opwekt om tot 2000 kW te komen en dat er een onbalans bestaat bij F tussen de fases. De belasting tussen op de generatoren is nagenoeg gelijk: 600 kW UPS-belasting (+/- 200 kW per fase) + 1400 kW Ohmse belasting van de loadbanks.

Ik heb beide breakers (generatorschakelaar + inkomende schakelaar in schakelbord) benoemd als niet getript als iets wat opvalt en waardoor er vermoedelijk dan ook geen 4000A over die lijnen heeft gestaan. Dat dit niet met zekerheid valt te zeggen is de grootte van de CT's. Aankomende week zal de generatorschakelaar worden gedemonteerd, wat hopelijk ook zicht geeft op de CT's en de verhouding in wikkeling t.o.v. stroom.

Zou ferroresonatie dan ook zichtbaar moeten zijn bij de zustergeneratoren?

Per fase zitten er 5 x 125mm2 kabels aangesloten in het paneel waar ook de generatorschakelaar woont. In totaal dus 20 x 125 mm2 kabels. Mocht er van bijvoorbeeld fase 2 en fase 3, 1 van die kabels met een verdraaiing zitten, bijvoorbeeld:
5 kabels fase 1 generator naar fase 1 generator aansluit kast (gak)
4 kabels fase 2 + 1 kabel fase 3 naar fase 2 gak
4 kabels fase 3 + 1 kabel fase 2 naar fase 3 gak
5 kabels nul naar nul gak

of

5 kabels fase 1 generator naar fase 1 gak
5 kabels fase 2 generator naar fase 2 gak
4 kabels fase 3 + 1 kabel nul naar fase 3 gak
4 kabels nul + 1 kabel fase 3 naar nul gak

Zou zo'n verdraaiing een verandering in cosinus φ veroorzaken zonder dat er sprake is van kortsluiting?

Er staat momenteel een tijdelijke generator. Ik heb daar afgelopen week met een Fluke 435 een meting uitgevoerd (zonder loadbank) op de fases + nul + voltage meting op aarde. Deze voedt momenteel dus veld F, en die gaf netjes aan dat er sprake is van een arbeidsfactor van 1. En in alleen in de 5e orde was er een uitlezing op de harmonische vervuiling van 3,4V. Alle andere ordes gaven geen uitlezing op harmonische vervorming. Deze tijdelijk generator voedt veld F via een bus die voor zowel een loadbank als een tijdelijk generator gebruikt kan worden om 1 generator te vervangen. Vanaf tijdelijke generator tot aan " loadbank"-veld in het schakelbord is het pad gelijk. Ook nu geeft de Eaton poweranalyzer in het schakelbord een cosinus φ aan van 0,99.

Dan komen we waarschijnlijk weer aan bij het punt dat er mogelijk een productiefout in de generator heeft bestaan. Ik zou alleen zo graag willen snappen dat deze zwakte mogelijk al sinds 2020 zichtbaar was in de opvallend afwijkende arbeidsfactor en hoe ik dan kan verklaren. Zou bijvoorbeeld een slechte coating op een (zeer) lokaal stuk in de generator en voor kunnen zorgen dat de cosinus φ verslechterd en er bijvoorbeeld door lopen van stroom over de nul + overbelasting door extreme Ohmse belasting door de loadbank de generator het laatste setje geeft gehad met de kortsluiting in de stator tot gevolg?
Capture.JPG
belastingsgrafiek
Capture.JPG (129.8 KiB) 940 keer geschouwd

Peter Forbes
50 kV
Loads: 57
Aangesloten op: 19 aug 2015 19:35
Dichtstbijzijnde trafo: Werk: Geertruidenberg Zuid / Moerdijk Noord Prive: Marconistraat

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door Peter Forbes » 17 okt 2022 20:33

Ik snap de vraag niet helemaal. Je hebt een generator waarvan de stator sluiting heeft. Dat zit intern in de generator. Ik verwacht dat een generator van dit vermogen in ster is geschakeld, de stromen blijven dus intern in de generator en zul je niet direct zien op de generator schakelaar. Deze kan ze ook niet afschakelen, omdat de sluiting intern zit. Het enige wat in kan grijpen is een generator differentiaal beveiliging of eventueel een stator aardfout beveiliging. Zijn deze aanwezig?

Ik zou me persoonlijk niet te blind staren op de cos phi. Een slechte cosinus phi geeft geen generator sluiting. Het is ook geen indicatie op een komende sluiting. Als je al iets zou hebben moeten zien tijdens een test, dan zou dat in de stator temperatuur metingen misschien te zien zijn, zijn daar gegevens van?

Overigens:
2000 kW. 400V op L1, L2, L3. L1: 3345A, L2: 3220A, L3: 3220A
==> 3220 x 3 x 230 = 2220 kVA ==> 2000 kW / 2220 kVA geeft een cos phi van 0,9, nu weet je ook hoe je het moet uitrekenen als een van de getallen 3345A is.

Mastbeeld van deze aansluiting
Johan
380 kV + Netkaartcrew
Loads: 586
Aangesloten op: 12 sep 2014 20:15

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door Johan » 18 okt 2022 14:28

Zijn de spanningen ook bekend van de laatste test?
Vooral de onbelaste fase en lijn spanningen voorafgaand aan de test kunnen mogelijk wat zeggen over de staat van het aggregaat op dat moment.

Johan

Mastbeeld van deze aansluiting
ICM4206
middenspanning
Loads: 12
Aangesloten op: 10 sep 2022 07:47
Dichtstbijzijnde trafo: Leeuwarden-110

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door ICM4206 » 18 okt 2022 19:03

@Peter Forbes:
Het enige wat in kan grijpen is een generator differentiaal beveiliging of eventueel een stator aardfout beveiliging. Zijn deze aanwezig?
: Niet in zo'n hoedanigheid dat er is ingegrepen, de stator is nu defect met een gat van 10cm x 10cm in de wikkelingen :grin: .
==> 3220 x 3 x 230 = 2220 kVA ==> 2000 kW / 2220 kVA geeft een cos phi van 0,9, nu weet je ook hoe je het moet uitrekenen als een van de getallen 3345A is.
. Dat is duidelijk. Onder het stukje wat in uw quote staat, staat een identieke generator met dezelfde belasting met 2000 kW belasing: 400V op L1, L2, L3. L1: 2900A, L2: 2900A, L3: 2900A" . : Diezelfde berekening 2900 x 3 x 230 = 2001 kVA. Dit geeft een arbeidsfactor van nagenoeg 1. Dit is wat dus opvalt en waar ik probeer een verklaring voor te vinden. Die verklaring zou in een ideale wereld ook de oorzaak kunnen zijn van de oorzaak van de schade. Het kan ook zijn dat ik beren op de weg zie die er misschien niet zijn ;) .

Dank voor de aanvulling. Vraag blijft dan nog: Waar kunnen die 300A per fase gebleven zijn? Stromen die Amps naar/door de nul?

@Johan: Ik heb zojuist de logs van de UPS'en nagekeken. Die geven geen "out of tolerance" van de lijnspanningen. Ook de gegevens van de Eaton power analyzer toont geen afwijken. Echter, de power analyzer sampled elke minuut volgens de timestamp van de logs, mocht het iets zijn wat in die minuut is gevallen dan is dat niet meer te achterhalen. Zover ik weet is de genset door de generator tijdens het voorafgaande jaarlijks onderhoud in orde bevonden en zijn er geen bedenkingen geweest om niet met de loadbanktest te starten.

Peter Forbes
50 kV
Loads: 57
Aangesloten op: 19 aug 2015 19:35
Dichtstbijzijnde trafo: Werk: Geertruidenberg Zuid / Moerdijk Noord Prive: Marconistraat

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door Peter Forbes » 18 okt 2022 19:54

Als je een generator koppelt aan het openbaar net, kun je de arbeidsfactor regelen middels de bekrachtiging. Een overbekrachtigde generator levert blindvermogen, een onderbekrachtigde generator neemt blind vermogen op. Als een generator echter op eiland bedrijf aan een belasting gekoppeld is, bepaald de belasting het blindvermogen. De bekrachtiging is dan alleen van invloed op de spanning. Overigens geld de instelling van de bekrachtiging voor alle drie de fasen. Je kan niet de spanning of arbeidsfactor van één fase beïnvloeden.

Het is dus van belang om te begrijpen hoe de generator in je test bedreven is, om iets zinnigs over de arbeidsfactor te zeggen.

Bij verschillende stromen in de fasen in een in ster geschakeld net, gaat de overbleven stroom inderdaad door de nul.

Mastbeeld van deze aansluiting
ICM4206
middenspanning
Loads: 12
Aangesloten op: 10 sep 2022 07:47
Dichtstbijzijnde trafo: Leeuwarden-110

Re: Vraag over defecte 3F400V - 2850 kVA generator en relatie tussen blindlast in fases en arbeidsfactor bij Ohmse weers

Load door ICM4206 » 19 okt 2022 08:16

In dit geval is er sprake van eilandbedrijf, waarbij de belasting op het moment van voeden uit de transformator een arbeidsfactor van 0,99 geeft. Dit is dan uiteraard alleen met UPS-load, aangezien de loadbanks worden gebruikt om jaarlijks de genset te beproeven op minimaal 90% belasting. De UPS-load is volgens de Eaton power analyzer in het schakelbord nagenoeg Ohms, ten tijde van loadbanken in eilandbedrijf komt hier alleen nog maar meer Ohmse belasting op. Dat is een interessante bevinding zoals ik al eerder heb verwoord: Waar is dat blindvermogen gebleven.

Ik zal eens in de materie duiken hoe zo'n Poweranalyzer eigenlijk de arbeidsfactor bepaald :)

De AVR in de generator regelt zelf de bekrachtiging. Ik heb geen gegevens momenteel beschikbaar hoe die is ingesteld.

Plaats reactie