Dieselgenerator in eilandbedrijf en kortsluiting/overbelasting.

[luc]

Beste allen,
 
Ik vroeg mij af hoe snel je een dieselgenerator in eilandbedrijf overbelast op zon manier dat de generator permanente schade oploopt.
Het gaat over overbelasting met lage cosinus phi en een overbelasting met een ‘hoge’ cosinus phi.
bij de lage cosinus phi overbelasting moet je denken aan 8 maal I nominaal met een cosinus phi van 0,1 en in de andere situatie een stroom van 7 maal I nominaal en een cosinus phi van 0,5.  
 
Voor de duidelijkheid de vraag is theoretisch. Er zijn namelijk vele beveiligingen die de generator tegen allerlei zaken beveiligen. Ik wel er echter vanuit gaan dat de beveiligingen niet aanspreken of te laat zijn. Wat gaat er vervolgens fout/draait in de soep? Kan ik berekenen hoe snel ik wat voor overbelasting af moet schakelen voordat dit fout gaat of is dit een gegeven afgeleid uit tests van de generator/diesel zelf?
 
Ps. Ik heb wel wat kennis over generatoren maar niet veel, laat staan het mechanische aspect van de generator of de dieselmotor.

[Merlion]

Je wilt dus een generator belasten met 7 tot 8 maal de nominale stroom (arbeidsfactor is irrelevant hier) en kijken hoe lang deze het volhoud ?
 
Dit lijkt mij onrealistisch omdat deze ofwel correct is afgezekerd net boven de nominale belasting, ofwel het niet lang zal uithouden bij een overbelasting die een factor 7/8 hoger ligt. Wat er fout gaat is dat bij een 8x hogere stroom de warmteverliezen 64x (I x I x R) hoger zijn wat uiteindelijk leidt tot het verbranden van de isolatie rond de windingen. Het is dan enkel een kwestie van tijd vooraleer deze er de brui aan geeft. Hoe lang is koffiedik kijken omdat dit afhangt van de temperatuur waarbij de isolatie verbrandt en hoe snel de inwendige temperatuur oploopt. 
 
Het vermogen van de dieselmotor staat trouwens in verhouding tot het generatorvermogen en ik denk niet dat deze in staat is om de generator draaiende te houden bij een dergelijke overbelasting.

[Benm]

Dat laatste valt nog te bezien: de blindstroom levert in theorie geen kracht op in de generator, dus de motor hoeft die ook niet te leveren. Het is puur een kwestie van de bedrading die niet opgewassen is tegen de lopende stroom.
 
Daarnaast is het natuurlijk zo dat naarmate de bedrading in de generator warmer wordt, de soortelijke weerstand van de draden (ik neem aan koper) toeneemt, wat zorgt voor meer  verliezen, maar niet voor meer mechanische belasting van de motor die het geheel aandrijft.
 
Als alle beveiliging ontbreekt of faalt denk ik dat het er gewoon op neer komt dat de draden in de generator hun isolatie eraf smelten, zelf smelten, en mogelijk de isolatie op een gegeven moment zo heet wordt dat deze in brand vliegt. Maar zoals gezegd is de tijd voordat zoiets gebeurd koffiedik kijken - het hangt af van de exacte constructie van de generator, en is denk ik alleen proefondervindelijk vast te stellen.
 
Dat een motor de erop aangesloten generator (zonder enige beveiliging) kapot kan draaien twijfel ik eerlijkgezegd niet aan: in het slechtste geval wordt al het vermogen opgestookt in de generator. In geval van een kleine generator heb je het dan toch al snel over een vermogen van een paar kilowatt in een volume van een paar liter, dat kan nooit lang goed gaan met enkel passieve koeling.

[Merlion]

Dat laatste valt nog te bezien: de blindstroom levert in theorie geen kracht op in de generator, dus de motor hoeft die ook niet te leveren. Het is puur een kwestie van de bedrading die niet opgewassen is tegen de lopende stroom. 

 
Je hebt gelijk, ik doelde op de generator. T.o.v. de aandrijfmotor speelt de arbeidsfactor inderdaad een rol.
 
Volledigheidshalve:
- Effect van overbelasting op dieselmotor is evenredig met I.cos𝜑  
- Effect van overbelasting op generator is enkel evenredig met I. 
 
Aan de andere kant komen (over)belastingen met een arbeidsfactor < 0,5 in de praktijk bijna niet voor omdat deze zoals je al zei geen of nauwelijks nuttig vermogen opleveren. Realistische (over)belastingen hebben een arbeidsfactor > 0,5. Bij een verachtvoudiging van de stroom betekent dit nog altijd dat het vereiste vermogen van de aandrijfmotor 4x boven het nominale ligt. Ik vroeg me trouwens al af wat een belasting met een arbeidsfactor van 0,1 wel zou kunnen zijn. 
 
 

Als alle beveiliging ontbreekt of faalt denk ik dat het er gewoon op neer komt dat de draden in de generator hun isolatie eraf smelten, zelf smelten, en mogelijk de isolatie op een gegeven moment zo heet wordt dat deze in brand vliegt. 

 
De isolatie rond de wikkelingen is thermohardend materiaal wat verbrandt bij oververhiiting. Vroeger was dit schellak. Ik neem aan dat er hiervoor nu betere synthetische materialen gebruikt worden. Dit is uiteraard ook de reden waarom men over een verbrande motor of generator spreekt.
 

Dat een motor de erop aangesloten generator (zonder enige beveiliging) kapot kan draaien twijfel ik eerlijkgezegd niet aan: in het slechtste geval wordt al het vermogen opgestookt in de generator. In geval van een kleine generator heb je het dan toch al snel over een vermogen van een paar kilowatt in een volume van een paar liter, dat kan nooit lang goed gaan met enkel passieve koeling.

 
Misschien is het meer realistisch om te denken dat deze gewoon stil valt bij een dermate grote overbelasting. Ik kan mij moeilijk voorstellen dat men op een generator van bv 1kVA een 8kW dieselmotor gaat plaatsen. Dit lijkt mij economisch gezien niet rendabel. 

[luc]

Aan de andere kant komen (over)belastingen met een arbeidsfactor < 0,5 in de praktijk bijna niet voor omdat deze zoals je al zei geen of nauwelijks nuttig vermogen opleveren. Realistische (over)belastingen hebben een arbeidsfactor > 0,5. Bij een verachtvoudiging van de stroom betekent dit nog altijd dat het vereiste vermogen van de aandrijfmotor 4x boven het nominale ligt. Ik vroeg me trouwens al af wat een belasting met een arbeidsfactor van 0,1 wel zou kunnen zijn. 

 
Sorry slechte beschrijving, de ‘overbelasting’ van 8 maal Inom met cos phi van 0,1 is een botte 3 fase kortsluiting. Deze zal weinig werkelijk vermogen vragen zoals aan de cosinus phi te zien is.
 
De situatie met een cosinus phi van 0,5 en 7 maal Inom is een vlamboog. Deze vlamboog ofwel arc flash wordt in de meeste gevallen langzamer afgeschakeld dan een kortsluiting. Echter heeft de arc flash een relatief grote reële weerstand en vraagt dus veel werkelijk vermogen.
 
Dat een diesel generator combo geen moeite heeft met blindvermogen was bij mij al wel bekend. De (theoretische) vraag was hoe snel een diesel generator door de knieën gaat bij een flink werkelijk vermogen als de beveiligingen niet (of te laat)  ingrijpen. Uit jullie verhaal begrijp ik echter dat dit lastig te bepalen is.  
 
Wat ik niet vermeld heb in mijn initiële post (zie ik nu), is dat de generator een maximaal werkelijk vermogen kan leveren.
Dit is ongeveer 1.86MW (U*I*cosinus phi * wortel 3 = 690*1950*0,8*wortel 3).
Echter als ik statisch de weerstand van de arc en de arcende stroom bereken en via I^2 * R het vermogen bereken krijg ik  2.5MW. De generator kan uiteraard kortstondig overbelast worden en daarmee de dieselmotor ook. Maar een overbelasting van 35% voor bijna een seconde lijkt me toch wel veel.  
 
Er is veel onderzoek gedaan naar arc flashes in Amerika, echter gaan ze hier wel vanuit van een sterk net die wel kan leveren en niet van een generator in eilandbedrijf (daar komt mijn vraag dus eigenlijk vandaan).

[Merlion]

Nu begrijp ik deze arbeidsfactor van 0,1. 
 
Ik denk echter niet dat je 8x Inom al als een echte kortsluiting mag beschouwen en eerder richting >20x moet denken. 
 

De (theoretische) vraag was hoe snel een diesel generator door de knieën gaat bij een flink werkelijk vermogen als de beveiligingen niet (of te laat)  ingrijpen. Uit jullie verhaal begrijp ik echter dat dit lastig te bepalen is.  

 
Spijtig genoeg moet ik hier passen. Ik neem aan dat dit uiteindelijk wordt bepaald door de verhouding dieselvermogen / generatorvermogen. Niettegenstaande kan me voorstellen dat bij een krappe (correcte?) verhouding een zware overbelasting in staat is om de diesel te doen stilvallen.
 
 
 

[luc]

Nu begrijp ik deze arbeidsfactor van 0,1. 
Ik denk echter niet dat je 8x Inom al als een echte kortsluiting mag beschouwen en eerder richting >20x moet denken. 

 
De piek is inderdaad rond de 20 * Inom (19,6…). De 8 * Inom is gebaseerd op de initiële 3 fase RMS kortsluitstroom. Deze stroom heb ik namelijk nodig gehad bij mijn volgende berekeningen en daar heb ik niet goed opgelet welke stroom ik pakte voor de x*Inom vergelijking die ik in de eerste post maak.

[Benm]

Misschien is het meer realistisch om te denken dat deze gewoon stil valt bij een dermate grote overbelasting. Ik kan mij moeilijk voorstellen dat men op een generator van bv 1kVA een 8kW dieselmotor gaat plaatsen. Dit lijkt mij economisch gezien niet rendabel. 

 
De dieselmotor hoeft niet zoveel meer vermogen te leveren als het uitgangsvermogen van de generator - het rendement zal in de praktijk wellicht 80-90+% zijn bij vollast. Maar dat is bij blindstroom niet zo belangrijk:
 
Stel dat je gewoon een genetor hebt die 2 kW kan leveren (in normaal bedrijf, aan cosphi=1), dat zal daar een dieselmotor aan zitten die tenminste 2 kW (zeg 2.5 kW) mechanisch vermogen kan leveren. Bij een rendement van 90% ontwikkel je 200W aan warmte in de generator, die daarop gebouwd zal zijn.  
 
Belast je het ding volledig met blindstroom, dan verstook je al het vermogen in de windingen van de generator, dus de volle 2.2 kW. Daar zal het apparaat absoluut niet op gebouwd zijn.
 
Maar dit geldt dus alleen voor idioot lage cosphi's en hoge blindstromen. Zou je de generator domweg kortsluiten dan neem ik aan dat de dieselmotor zal afslaan door mechanische overbelasting, voor zover er geen assen breken en dergelijke.