تحلیل عمیق مکانیزم‌های حفاظت از خطا برای برش‌های ژنراتور

1. مقدمه

1.1 کارکرد پایه و زمینه GCB
شکن دایره‌ی مولد (GCB)، به عنوان گره‌ی حیاتی متصل‌کننده‌ی مولد به ترانسفورماتور افزایش ولتاژ، مسئول قطع جریان در شرایط عادی و خطا است. برخلاف شکن‌های معمولی زیرстанسیون، GCB مستقیماً جریان کوتاه‌مداری بزرگ از مولد را تحمل می‌کند که جریان قطع کوتاه‌مداری نامیده شده به صد‌ها کیلوآمپر می‌رسد. در واحدهای تولید برق بزرگ، عملکرد مطمئن GCB به طور مستقیم با ایمنی خود مولد و عملکرد پایدار شبکه‌ی برق مرتبط است.

1.2 اهمیت مکانیزم‌های محافظت از خطا
هنگامی که خطا در داخل مولد یا خط خروجی آن رخ می‌دهد، جریان خطا می‌تواند در چند ده میلی ثانیه به بالاترین سطح خود برسد. بدون مکانیزم‌های محافظت مناسب، خسارات غیرقابل برگشتی مانند گرم شدن/تغییر شکل پیچه‌ها و شکست عایق رخ می‌دهد. تحلیل یک حوادث شبکه‌ی منطقه‌ای شمال آمریکا در سال 2010 نشان داد که تجهیزات تولید برق که محافظت سریع نداشتند، هزینه‌های تعمیر پس از خطا بیش از 300٪ بیشتر بود. بنابراین، ایجاد یک مکانیزم محافظت چند بعدی و هماهنگ، هسته‌ی دفاع برای اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم‌های تولید برق است.

2. اصول اساسی مکانیزم‌های محافظت GCB
2.1 تعریف و اهداف اصلی مکانیزم‌های محافظت
مکانیزم محافظت GCB به طور اساسی یک راه‌حل مهندسی سیستم است که پارامترهای الکتریکی ناهماهنگ را در زمان واقعی نظارت می‌کند و بر اساس منطق پیش‌تعیین شده عملیات قطع شکن را فعال می‌کند. اهداف اصلی آن سه‌گانه است: اولاً، قطع جریان خطا در سه دوره (60 میلی ثانیه)؛ ثانیاً، تشخیص دقیق خطاها داخلی از اختلالات خارجی؛ و سوماً، موقعیت دقیق خطا را تعیین کردن برای پشتیبانی تصمیمات نگهداری بعدی.

2.2 مروری بر انواع معمول خطا
سناریوهای نمونه‌ی خطا به سه دسته تقسیم می‌شوند: (1) کوتاه‌مداری فاز به فاز، مشخص شده با افزایش ناگهانی جریان و عدم تعادل سه‌فازی بیش از حد؛ (2) خطای یک‌فاز به زمین، شناسایی شده با تغییر ولتاژ نقطه‌ی میانی؛ و (3) خطاهاي تکامل‌یافته که ابتدا به صورت تخلیه‌ی جزئی ناهماهنگ ظاهر می‌شوند و به تدریج به شکست عایق تبدیل می‌شوند. آمار نشان می‌دهد که در واحدهای بالای 600 MW، خطاهاي یک‌فاز به زمین 67% را تشکیل می‌دهند، که نیاز به حساسیت بیشتر سیستم‌های محافظت را مطرح می‌کند.

3. انواع اصلی مکانیزم‌های محافظت
3.1 مکانیزم محافظت از جریان بیش از حد
معیار ترکیبی چند مرحله‌ای امکان واکنش سطحی را فراهم می‌کند: قطع سریع فوری هدف‌گذاری شده به خطاهاي نزدیک با زمان عملکرد کنترل شده در 25 میلی ثانیه؛ منحنی‌های معکوس وقتی که جریان بیش از 1.5 برابر مقدار اسمی به طور مداوم افزایش یابد، توقف تأخیری را شروع می‌کند؛ عناصر تمایز جهتی به طور موثری از عملکرد اشتباه در خطاهاي خارجی جلوگیری می‌کنند. داده‌های میدانی از یک ایستگاه تولید ساحلی تأیید کرد که این مکانیزم موفقیت‌آمیز بوده است که مدت زمان جریان کوتاه‌مداری را به 83 میلی ثانیه محدود کرده است.

3.2 مکانیزم محافظت دیفرانسیل
یک طرح محافظت کاملاً دیجیتال بر اساس قانون جریان کیرشهف ساخته شده است. ترانسفورماتورهای جریان کلاس 0.2S به طور همزمان در نقطه‌ی میانی مولد و سمت خروجی GCB نصب شده‌اند. هنگامی که تفاوت برداری بین دو طرف از آستانه (معمولاً در 15٪ جریان اسمی تنظیم شده) بیشتر شود، خطا داخلی اعلام می‌شود. آخرین اجرایی از یک الگوریتم تصحیح فازی، موفقیت‌آمیز بوده است که خطای زاویه‌ی فاز 15° ناشی از جریان‌های ظرفیتی پخش‌شده را حل کرده است.

3.3 مکانیزم محافظت از خطای زمینی
برای سیستم‌های زمینی با مقاومت بالا، محافظت جهتی صفر-ترتیب توسعه یافته است: مؤلفه‌های ولتاژ صفر-ترتیب از طریق ترانسفورماتورهای ولتاژ اختصاصی به دست می‌آیند و با جریان صفر-ترتیب ترکیب می‌شوند تا ماتریس تمایز جهتی را تشکیل دهند. تکنیک مسدود کردن هارمونیک سوم به طور نوآورانه‌ای از تداخل ولتاژ هارمونیک در نقطه‌ی میانی در حالت عادی جلوگیری می‌کند. تجربه‌ی میدانی نشان می‌دهد که این مکانیزم موفقیت 98.7٪ در شناسایی خطاهاي زمینی با مقاومت بالاتر از 10 Ω دارد.

<رله‌ها و سیستم‌های کنترل
دستگاه‌های محافظت مدرن بر اساس میکروپروسسور از یک معماری سه لایه استفاده می‌کنند: لایه‌ی اندازه‌گیری شکل‌های موج را با نرخ نمونه‌برداری 4000 Hz به طور واقعی ضبط می‌کند؛ لایه‌ی تصمیم گیری از پردازش موازی چند CPU برای انجام 32 محاسبه شامل تبدیل فوریه و تجزیه هارمونیک در 10 میلی ثانیه استفاده می‌کند؛ لایه‌ی اجرایی از مسیرهای قطع مستقیم توسط لیزر برای اطمینان از اینکه تأخیر انتقال دستور کمتر از 2 میلی ثانیه باشد استفاده می‌کند. واحدهای مهم معمولاً از منطق رای گیری "دو از سه" برای حذف خطرات شکست نقطه‌ی تک استفاده می‌کنند.

4.2 شناسایی خطا و دنباله‌ی عملیات سریع
یک دنباله‌ی قطع معمول شامل هشت مرحله‌ی کلیدی است: وقوع جریان خطا → تبدیل سیگنال ثانویه توسط ترانسفورماتورهای جریان → فعال شدن دستگاه محافظت → شناسایی نوع خطا → محاسبه‌ی منطق قطع → تأیید سیگنال مسدود کننده → تحریک سیم پیچ قطع شکن → خاموشی قوس. مطالعات بهینه‌سازی زمان نشان می‌دهد که استفاده از کامرهای خاموش‌سازی پیش فشاری می‌تواند زمان کل قطع را به 58 میلی ثانیه کاهش دهد، یعنی بهبود 22٪ نسبت به مکانیزم‌های معمولی.

5. نتیجه‌گیری
5.1 خلاصه‌ی نقاط کلیدی مکانیزم‌های محافظت
محافظت GCB مدرن به یک سیستم دفاعی چند لایه و هوشمند تبدیل شده است: محافظت از جریان بیش از حد به عنوان لایه‌ی پایه‌ای، محافظت دیفرانسیل ایزولاسیون منطقه‌ای دقیق را فراهم می‌کند، و محافظت از خطای زمینی پوشش آسیب‌پذیری را تقویت می‌کند. پیشرفت اصلی در رسیدن به پاکسازی خطا در سه دوره در حالی که نرخ قطع اشتباه زیر 0.01 بار در سال نگه داشته می‌شود. با این حال، باید توجه داشت که تنظیمات محافظت هر دو سال یکبار بر اساس منحنی‌های پیری تجهیزات مجدداً تنظیم شوند.

۵.۲ پیشنهادات بهینه‌سازی برای کاربردهای عملی
سه اقدام پیشرفته بهبودی پیشنهاد شده است: اول، یکپارچه‌سازی فناوری موقعیت‌یابی خطا با موج مسافر ترانزیانت برای بهبود دقت موقعیت‌یابی خطا به ±۵ متر؛ دوم، توسعه الگوریتم‌های حفاظتی سازگار که ضرایب حساسیت را بر اساس سن عملکرد واحد به صورت خودکار تنظیم می‌کنند؛ سوم، نظارت آنلاین بر وضعیت مکانیکی قطع‌کننده با استفاده از ۱۲ پارامتر، از جمله سرعت بازشدن و سایش تماس‌ها برای پیش‌بینی قابلیت اطمینان مکانیزم. یک نیروگاه نمونه تأیید کرد که این اقدامات در دسترس بودن سیستم حفاظتی را به ۹۹.۹۷٪ افزایش داده است.