Anàlisi en profunditat dels mecanismes de protecció contra faults per a interruptors de circuit de generadors

1.Introducció

1.1 Funció bàsica i antecedents del GCB
El Interruptor de Circuits del Generador (GCB), com a node crític que connecta el generador amb el transformador d'elevar, té la responsabilitat d'interrompre la corrent tant en condicions normals com en casos de fallada. A diferència dels interruptors convencionals de subestacions, el GCB suporta directament la corrent de curto circuit massiva provenient del generador, amb corrents de curto circuit nominal que arriben a centenars de kiloamperes. En les unitats de generació grans, l'operació fiable del GCB està directament vinculada a la seguretat del propi generador i a l'operació estable de la xarxa elèctrica.

1.2 Importància dels mecanismes de protecció contra fallades
Quan es produeix una fallada dins del generador o en la seva línia de sortida, la corrent de fallada pot arribar al seu màxim en deu mil·lisegons. Sense mecanismes de protecció específics, poden produir-se danys irreversibles com el sobrecalentament/deformació de les bobines i la ruptura de l'aïllament. Un anàlisi d'un incident de la xarxa regional nord-americana de 2010 va mostrar que l'equipament de generaciò d'energia que no disposava de protecció ràpida va tenir costos de reparació post-fallada més de 300% superiors. Per tant, establir un mecanisme de protecció multidimensional i coordinat és la defensa central per assegurar la fiabilitat dels sistemes de generació d'energia.

2.Principis fonamentals dels mecanismes de protecció del GCB
2.1 Definició i objectius principals dels mecanismes de protecció
El mecanisme de protecció del GCB és essencialment una solució d'enginyeria de sistemes que monitoritza els paràmetres elèctrics anòmals en temps real i activa l'operació d'interrupció del circuit basant-se en una lògica predefinida. Els seus objectius principals són tres: primer, interrompre la corrent de fallada en tres cicles (60 ms); segon, distingir amb precisió les fallades internes de les pertorbacions externes; i tercer, localitzar amb precisió la posició de la fallada per a suportar les decisions de manteniment posteriors.

2.2 Visió general dels tipus de fallades habituals
Els escenaris típics de fallades es divideixen en tres categories: (1) curtos circuits entre fases, caracteritzats per augmentos bruts de corrent i desequilibri excesiu de les tres fases; (2) fallades de terra d'una sola fase, identificades pel desplaçament de la tensió del punt neutre; i (3) fallades evolutives, que inicialment es manifesten com descàrregues parcials anòmalas i gradualment evolucionen cap a la ruptura de l'aïllament. Les estadístiques mostren que en unitats superiors a 600 MW, les fallades de terra representen el 67%, imposant exigències més elevades a la sensibilitat dels sistemes de protecció.

3.Tipus principals de mecanismes de protecció
3.1 Mecanisme de protecció per sobre-corrent
Un criteri compost de diverses etapes permet una resposta graduada: la tripulació instantània de velocitat alta es dirigeix a fallades greus properes amb temps d'operació controlat a menys de 25 ms; les corbes inverses definides coincideixen amb la capacitat tèrmica del equipament, iniciant la tripulació retardada quan la corrent excedeix 1,5 vegades el valor nominal de manera contínua; els elements de discriminació direccional prevenc efectivament la maloperació durant les fallades externes. Les dades de camp d'una central costanera van confirmar que aquest mecanisme va limitar amb èxit la durada de la corrent de curto circuit a 83 ms.

3.2 Mecanisme de protecció diferencial
Es construeix un esquema de protecció totalment digital basat en la Llei de Corrent de Kirchhoff. S'installen transformadors de corrent de classe 0,2S de forma sincronitzada al punt neutre del generador i al costat de la sortida del GCB. Quan la diferència vectorial entre els dos costats supera el llindar (habitualment fixat a l'15% de la corrent nominal), es declara una fallada interna. La implementació més recent incorpora un algoritme de correcció de fase, resolent amb èxit l'error d'angle de fase de 15° causat pels corrents capacitius distribuïts.

3.3 Mecanisme de protecció contra fallades de terra
Per a sistemes de terra d'alta impedància, s'ha desenvolupat la protecció direccional de seqüència zero: els components de tensió de seqüència zero es obtenen mitjançant transformadors de tensió dedicats i es combinen amb la corrent de seqüència zero per formar una matriu de discriminació direccional. Una tècnica innovadora de bloqueig de l'armònic tercera efectivament evita la interferència de les tensions harmòniques al punt neutre durant l'operació normal. La pràctica de camp mostra que aquest mecanisme assolix una taxa d'èxit del 98,7% en detectar fallades de terra amb resistència superior a 10 Ω.

4.Processos d'implementació dels mecanismes de protecció
4.1 Rol dels relès i sistemes de control
Els dispositius de protecció moderns basats en microprocessadors adopten una arquitectura de tres nivells: la capa de mesura captura les formes d'ona en temps real amb una freqüència de mostratge de 4000 Hz; la capa de decisió utilitza el processament paral·lel de diversos CPU per completar 32 càlculs, inclosos la transformació de Fourier i l'anàlisi harmònica, en menys de 10 ms; la capa d'execució utilitza circuits d'activació directa per fibra òptica per assegurar que el retard de transmissió de l'ordre sigui inferior a 2 ms. Les unitats crítiques implementen sovint una lògica de vot "dos de tres" per eliminar els riscos de fallada en un sol punt.

4.2 Detecció de fallades i seqüència ràpida d'operació
Una seqüència típica d'activació inclou vuit passos clau: ocurreix la corrent de fallada → conversió de senyals secundaris pels transformadors de corrent → activació del dispositiu de protecció → identificació del tipus de fallada → càlcul de la lògica d'activació → verificació del senyal de bloqueig → energització de la bobina d'activació de l'interruptor de circuit → extinció de l'arc. Estudis d'optimització temporal mostren que l'ús de cambres d'extinció d'arc pre-pressuritzades pot reduir el temps total d'interrupció a 58 ms, una millora del 22% respecte als mecanismes convencionals.

5.Conclusió
5.1 Resum dels punts clau dels mecanismes de protecció
La protecció moderna del GCB ha evolucionat cap a un sistema de defensa multinivel i intel·ligent: la protecció per sobre-corrent serveix com a capa fonamental, la protecció diferencial proporciona una isolació de zona precisa, i la protecció contra fallades de terra reforça la cobertura de vulnerabilitats. El gran avanç consisteix en aconseguir la eliminació de la fallada en tres cicles mentre es manté una taxa de falsa activació inferior a 0,01 vegades per any. No obstant això, cal tenir en compte que les configuracions de protecció han de recalibrar-se cada dos anys segons les corbes d'envejeciment dels equips.

5.2 Recomanacions d'optimització per a aplicacions pràctiques
Es proposen tres mesures d'aprimament avançades: en primer lloc, integrar la tecnologia de localització de fallades amb ones de propagació per millorar la precisió de la localització de fallades a ±5 metres; en segon lloc, desenvolupar algoritmes de protecció adaptativa que ajustin automàticament els coeficients de sensibilitat basant-se en l'edat de funcionament de la unitat; en tercer lloc, implementar la monitorització en línia de la condició mecànica dels interruptors, utilitzant 12 paràmetres —incloent la velocitat d'obertura i el desgast del contacte— per preveure la fiabilitat del mecanisme. Una central elèctrica demostrativa va confirmar que aquestes mesures van augmentar la disponibilitat del sistema de protecció fins al 99,97%.