Sähkögeneraattorien sähkökatkaisijoiden virhekuormituksen suojausmekanismien yksityiskohtainen analyysi

1. Johdanto

1.1 GCB:n perustoiminnot ja tausta
Generaattorin virtakytkin (GCB) toimii kriittisenä solmukohtana generaattorin ja jännitteen nostokytkimen välillä ja vastaa virran katkaisemisesta sekä normaaleissa että vikatiloissa. Toisin kuin perinteiset sähköaseman virtakytkimet, GCB kestää suoraan generaattorin aiheuttaman valtavan oikosulkuvirran, jonka nimellinen katkaisukyky saavuttaa satoja kiloampeeria. Suurissa generaattoriyksiköissä GCB:n luotettava toiminta liittyy suoraan generaattorin turvallisuuteen ja sähköverkon vakaiseen toimintaan.

1.2 vikasuojamekanismien merkitys
Kun vika tapahtuu generaattorin sisällä tai sen ulostulolinjalla, vikavirta voi saavuttaa huippuarvonsa muutamassa kymmenessä millisekunnissa. Ilman kohdistettuja suojamekanismeja tapahtuu peruuttamatonta vahinkoa, kuten käämien ylikuumenemistä/muodonmuutosta ja eristyskatkoa. Vuonna 2010 Pohjois-Amerikan alueverkossa tapahtuneen tapauksen analyysi osoitti, että nopeaa suojaa puuttuvilla sähköntuotantolaitteistoilla korjauskustannukset olivat yli 300 % korkeammat. Siksi moniulotteisen, koordinaation suojamekanismin luominen on keskeinen suojaus sähköntuotantojärjestelmien luotettavuuden varmistamiseksi.

2. GCB:n suojamekanismien perusteet
2.1 Suojamekanismien määritelmä ja ydinmääritteet
GCB:n suojamekanismi on oleellisesti järjestelmäinsinööriratkaisu, joka seuraa reaaliaikaisesti poikkeavia sähköisiä parametreja ja käynnistää virtakytkimen lauennan ennalta määritellyn logiikan mukaan. Sen kolme ydintavoitetta ovat: ensinnäkin katkaista vikavirta kolmessa syklissä (60 ms); toiseksi tarkasti erottaa sisäiset vikat ulkoisista häiriöistä; ja kolmanneksi paikallistaa tarkasti vian sijainti, jotta voidaan tukea jälkikäteen tehtäviä huoltopäätöksiä.

2.2 Yleisten vikatyyppejen katsaus
Tyypilliset vikatilanteet jakautuvat kolmeen luokkaan: (1) vaiheenväliset oikosulut, jotka tunnistetaan äkillisinä virranhuippujen ja voimakkaan kolmivaiheisen epätasapainon kautta; (2) yksivaiheiset maasulut, joita tunnistetaan neutraalipisteen jännitepoikkeaman avulla; ja (3) kehittyvät vikat, jotka alkavat poikkeavana osittaispurkauksena ja kehittyvät vähitellen eristyskatkoksi. Tilastot osoittavat, että yli 600 MW:n yksiköissä maasulut muodostavat 67 %, mikä asettaa korkeammat vaatimukset suojajärjestelmien herkkyydelle.

3. Suojamekanismien päätyypit
3.1 Ylivirtasuojamekanismi
Moniasteinen yhdistetty kriteeri mahdollistaa portaittainen reagoinnin: hetkellinen nopea laukeaminen kohdistuu vakaviin lähivikoihin, ja toiminta-aika pidetään alle 25 ms; määrätyn ajan käänteiset käyrät vastaavat laitteiston lämpökestoisuutta ja aloittavat viivästyneen laukeamisen, kun virta ylittää nimellisarvon 1,5-kertaisesti jatkuvasti; suuntaherkkä erotuselementti estää tehokkaasti väärän toiminnan ulkoisten vikojen aikana. Rannikolla sijaitsevan voimalaitoksen kenttätiedot vahvistivat tämän mekanismin rajoittaneen oikosulkuvirran keston 83 ms:ään.

3.2 Erokytkinsuojamekanismi
Täysin digitaalinen suojajärjestelmä perustuu Kirchhoffin virtalakiin. Luokan 0.2S virtamuuntajat asennetaan synkronisesti generaattorin nollapisteeseen ja GCB:n ulostulopuolelle. Kun kahden puolen välinen vektoriero ylittää kynnysarvon (yleensä asetettu 15 % nimellisvirrasta), julistetaan sisäinen vika. Uusin toteutus sisältää vaiheselvitysalgoritmin, joka ratkaisee menestyksekkäästi 15° vaihekulmavirheen, jonka aiheuttavat hajautetut kapasitiiviset virrat.

3.3 Maasulunsuojamekanismi
Korkearesistanssisesti maadoitetuille järjestelmille on kehitetty nollajärjestyksen suuntasuojamekanismi: nollajärjestyksen jännitekomponentit saadaan erikoisilla jännitemuuntajilla ja yhdistetään nollajärjestyksen virran kanssa muodostaakseen suuntaherkän erotusmatriisin. Uudistava kolmannen harmonisen estotekniikka välttää tehokkaasti häiriötä harmonisista jännitteistä neutraalipisteessä normaalitoiminnan aikana. Käytännön kokemukset osoittavat, että tämä mekanismi saavuttaa 98,7 %:n onnistumisprosentin maasulkujen havaitsemisessa, kun resistanssi on yli 10 Ω.

4. Suojamekanismien toteutusprosessi
4.1 Releiden ja ohjausjärjestelmien rooli
Nykyajan mikroprosessoripohjaiset suojalaitteet käyttävät kolmikerroksista arkkitehtuuria: mittauskerros tallentaa aaltomuotoja reaaliajassa 4000 Hz:n näytteenottotaajuudella; päätöskerros käyttää monen CPU:n rinnakkaiskäsittelyä suorittaakseen 32 laskutoimitusta – mukaan lukien Fourier-muunnos ja harmoninen analyysi – 10 ms:ssa; toteutuskerros käyttää kuituoptisia suoria laukeamispiirejä varmistaakseen, että komennon siirtoviive on alle 2 ms. Tärkeissä yksiköissä käytetään yleensä "kahden kolmesta" äänestyslogiikkaa eliminoidakseen yhden pisteen vikariskin.

4.2 Vian havaitseminen ja nopea toimintosekvenssi
Tyypillinen laukeamissekvenssi sisältää kahdeksan avaintapahtumaa: vikavirran esiintyminen → virtamuuntajien toissijainen signaalimuunnos → suojalaitteen aktivointi → vikatyypin tunnistaminen → laukeamislogiikan laskenta → estosignaalin tarkistus → virtakytkimen laukeamiskelan energointi → kaariterminointi. Aikaoptimointitutkimukset osoittavat, että esijännitteistettyjen kaarientehostimien käyttö voi vähentää kokonaiskatkaisuajan 58 ms:iin, mikä on 22 % parannus perinteisiin mekanismeihin verrattuna.

5. Johtopäätös
5.1 Avainsuojamekanismien yhteenveto
Nykyajan GCB:n suojaus on kehittynyt monitasoiseksi, älykkääksi puolustusjärjestelmäksi: ylivirtasuojauksesta tulee perustaso, ero-osa tarjoaa tarkan vyöhykkeen eristyksen ja maasulunsuojaus vahvistaa haavoittuvuusaluetta. Ydinläpimurto on saavutettu vihan poistamisessa kolmessa syklissä samalla, kun väärien laukeamisten määrä pysyy alle 0,01 kertaa vuodessa. On kuitenkin huomattava, että suojauksen asetuksia on kalibroitava uudelleen joka kaksi vuotta laitteiston ikääntymiskäyrien mukaan.

5.2 Käytännön sovelluksia varten suositellut optimointitoimenpiteet
Ehdotetaan kolmea edistynyttä parannusta: ensimmäiseksi, integroidaan väliaikainen kulmakulman sijaintitekniikka, joka parantaa sijaintitarkkuutta ±5 metrin tarkkuuteen; toiseksi, kehitetään sopeutuvia suojausalgoritmeja, jotka säädettävät herkkyytekspertienta automaattisesti yksikön käyttöajan mukaan; kolmanneksi, toteutetaan sulkeiden mekaanisen tilan reaaliaikainen valvonta, käyttäen 12 parametria, kuten avautumisnopeuden ja kontaktien kulun, jotta ennustetaan mekanismin luotettavuus. Demostusvoimalassa todettiin, että nämä toimenpiteet lisäsivät suojausjärjestelmän saatavuutta 99,97 %:iin.