تحلیل عمیق مکانیسم‌های حفاظت از خطاهای برای شیربرق ژنراتور
۱. مقدمه
۱.۱ عملکرد پایه و پیش‌زمینه GCB
قاطع دستگاه تولید (GCB)، به عنوان گره کلیدی اتصال دستگاه تولید به ترانسفورماتور بالابر، مسئول قطع جریان در شرایط عادی و خطا است. برخلاف قاطع‌های زیرстанدیون معمولی، GCB مستقیماً با جریان خطا بسیار بالای دستگاه تولید مقاومت می‌کند که جریان خطا نامی آن به صدها کیلوآمپر می‌رسد. در واحدهای تولید بزرگ، عملکرد مطمئن GCB به طور مستقیم با امنیت خود دستگاه تولید و عملکرد پایدار شبکه برق مرتبط است.
۱.۲ اهمیت مکانیسم‌های محافظت از خطا
هنگامی که خطا در داخل دستگاه تولید یا خط خروجی آن رخ می‌دهد، جریان خطا می‌تواند در چند ده میلی‌ثانیه به حداکثر خود برسد. بدون مکانیسم‌های محافظت هدفمند، آسیب‌های غیرقابل برگشتی مانند سوختن/تغییر شکل پیچه‌ها و شکست عایق رخ می‌دهد. تحلیل یک حوادث شبکه منطقه‌ای آمریکای شمالی در سال ۲۰۱۰ نشان داد که تجهیزات تولید برق که محافظت سریع نداشتند، هزینه‌های تعمیر پس از خطا بیش از ۳۰۰٪ بیشتر بود. بنابراین، ایجاد یک مکانیسم محافظت چندبعدی و هماهنگ، دفاع اصلی برای اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم‌های تولید برق است.
۲. اصول اساسی مکانیسم‌های محافظت GCB
۲.۱ تعریف و اهداف اصلی مکانیسم‌های محافظت
مکانیسم محافظت GCB به طور اساسی یک راه‌حل مهندسی سیستمی است که پارامترهای الکتریکی غیرعادی را در زمان واقعی نظارت می‌کند و بر اساس منطق پیش‌تعیین شده عمل قطع کننده را فعال می‌کند. اهداف اصلی آن سه‌گانه است: اولاً، قطع جریان خطا در سه دوره (۶۰ میلی‌ثانیه)؛ ثانیاً، تشخیص دقیق خطا داخلی از اختلالات خارجی؛ و سوماً، موقعیت دقیق خطا را تعیین کردن برای پشتیبانی تصمیمات نگهداری بعدی.
۲.۲ مروری بر انواع معمول خطاها
سناریوهای خطا معمول به سه دسته تقسیم می‌شوند: (۱) خطا بین فازی، مشخص شده با افزایش ناگهانی جریان و عدم تعادل بیش از حد سه‌فازی؛ (۲) خطا یک‌فازی به زمین، شناسایی شده با تغییر ولتاژ نقطه نوتروال؛ و (۳) خطاها در حال تکامل، که ابتدا با تخلیه جزئی ناهماهنگ ظاهر می‌شوند و به تدریج به شکست عایق تبدیل می‌شوند. آمار نشان می‌دهد که در واحدهای بالای ۶۰۰ MW، خطاها به زمین ۶۷٪ را تشکیل می‌دهند، که نیاز به حساسیت بالاتر سیستم‌های محافظت را می‌طلبد.
۳. انواع اصلی مکانیسم‌های محافظت
۳.۱ مکانیسم محافظت از جریان بیش از حد
معیار ترکیبی چند مرحله‌ای امکان واکنش سطحی را فراهم می‌کند: قطع سریع فوری هدف خطاها نزدیک به سمت نزدیک است که زمان عمل آن کنترل شده و در ۲۵ میلی‌ثانیه محدود می‌شود؛ منحنی‌های معکوس معین با توان تحمل حرارتی تجهیزات مطابقت دارد و قطع تأخیری را وقتی جریان ۱.۵ برابر مقدار اسمی را بیش از حد مداوم عبور دهد، آغاز می‌کند؛ عناصر تمایز جهتی به طور موثری از عملکرد نادرست در خطاها خارجی جلوگیری می‌کنند. داده‌های میدانی از یک نیروگاه ساحلی تأیید کرد که این مکانیسم موفقیت‌آمیز بود در محدود کردن مدت زمان جریان خطا به ۸۳ میلی‌ثانیه.
۳.۲ مکانیسم محافظت دیفرانسیل
یک طرح محافظت کاملاً دیجیتال بر اساس قانون جریان کیرشهف ساخته شده است. ترانسفورماتورهای جریان کلاس ۰.۲S به طور همزمان در نقطه نوتروال دستگاه تولید و سمت خروجی GCB نصب شده‌اند. هنگامی که تفاوت برداری بین دو سمت از آستانه (معمولاً ۱۵٪ جریان اسمی تنظیم شده) بیشتر شود، خطا داخلی اعلام می‌شود. آخرین اجرایی شامل یک الگوریتم تصحیح فازی است که موفقیت‌آمیز بود در حل خطای ۱۵ درجه فازی ناشی از جریان‌های ظرفیتی توزیع شده.
۳.۳ مکانیسم محافظت از خطا به زمین
برای سیستم‌های زمین‌شده با مقاومت بالا، محافظت جهتی صفر-سری توسعه یافته است: مؤلفه‌های ولتاژ صفر-سری از طریق ترانسفورماتورهای ولتاژ اختصاصی به دست آمده و با جریان صفر-سری ترکیب شده تا ماتریس تمایز جهتی را تشکیل دهند. یک تکنیک مسدود کردن هارمونیک سوم نوآورانه به طور موثری از تداخل ولتاژ هارمونیک در نقطه نوتروال در حالت عادی جلوگیری می‌کند. تجربه میدانی نشان می‌دهد این مکانیسم موفقیت ۹۸.۷٪ در شناسایی خطا به زمین با مقاومت بالای ۱۰ Ω دارد.
۴. فرآیند اجرای مکانیسم‌های محافظت
۴.۱ نقش رله‌ها و سیستم‌های کنترل
دستگاه‌های محافظت مبتنی بر میکروپروسسور مدرن یک معماری سه لایه‌ای را اتخاذ می‌کنند: لایه اندازه‌گیری موج‌ها را در زمان واقعی با نرخ نمونه‌برداری ۴۰۰۰ Hz ضبط می‌کند؛ لایه تصمیم گیری از پردازش موازی چند CPU برای انجام ۳۲ محاسبه - از جمله تبدیل فوریه و تجزیه هارمونیک - در ۱۰ میلی‌ثانیه استفاده می‌کند؛ لایه اجرایی از مدارهای قطع مستقیم با الیاف نوری برای اطمینان از تأخیر انتقال دستور کمتر از ۲ میلی‌ثانیه استفاده می‌کند. واحدهای مهم معمولاً از منطق رای‌گیری "دو از سه" برای حذف ریسک‌های خرابی نقطه واحد استفاده می‌کنند.
۴.۲ تشخیص خطا و دنباله عملیات سریع
یک دنباله قطع معمول شامل هشت مرحله کلیدی است: وقوع جریان خطا → تبدیل سیگنال ثانویه توسط ترانسفورماتورهای جریان → فعال شدن دستگاه محافظت → شناسایی نوع خطا → محاسبه منطق قطع → تأیید سیگنال مسدود کننده → تغذیه سیم قطع کننده قطع کننده → خاموشی قوس. مطالعات بهینه‌سازی زمان نشان می‌دهد که استفاده از کامرهای خاموش‌کننده تحت فشار قبلی می‌تواند زمان کل قطع را به ۵۸ میلی‌ثانیه کاهش دهد، که یک بهبود ۲۲٪ نسبت به مکانیسم‌های معمولی است.
۵. نتیجه‌گیری
۵.۱ خلاصه نقاط کلیدی مکانیسم‌های محافظت
محافظت GCB مدرن به یک سیستم دفاعی چندلایه و هوشمند تبدیل شده است: محافظت از جریان بیش از حد به عنوان لایه پایه، محافظت دیفرانسیل تجزیه منطقه‌ای دقیق و محافظت از خطا به زمین پوشش آسیب‌پذیری را تقویت می‌کند. شکست اصلی در رسیدن به پاک‌سازی خطا در سه دوره در حالی که نرخ قطع اشتباه زیر ۰.۰۱ بار در سال حفظ می‌شود. با این حال باید توجه داشت که تنظیمات محافظت باید هر دو سال یکبار بر اساس منحنی‌های پیری تجهیزات بازنگری شوند.
پیشنهادات بهینه‌سازی برای کاربردهای عملی
سه تدابیر پیشرفته بهبود ارائه شده است: اول، یکپارچه‌سازی فناوری موقعیت‌یابی خطا با موج‌های مسافر برای بهبود دقت موقعیت‌یابی خطا به ±۵ متر؛ دوم، توسعه الگوریتم‌های حفاظتی تطبیقی که ضرایب حساسیت را بر اساس سن عملکرد واحد به طور خودکار تنظیم می‌کنند؛ سوم، نظارت آنلاین بر وضعیت مکانیکی برشکن با استفاده از ۱۲ پارامتر از جمله سرعت بازشدن و افت سطح تماس برای پیش‌بینی قابلیت اطمینان مکانیزم. یک نیروگاه نمونه تأیید کرد که این تدابیر در دسترسی سیستم حفاظتی را به ۹۹.۹۷٪ افزایش داده است.
