Dubinsko analiziranje mehanizama zaštite od grešaka za prekidače generatora

1.Uvod

1.1 Osnovna funkcija i pozadina GCB-a
Prekidnik generatora (GCB), kao ključni čvor koji povezuje generator s transformatorom za povišenje napona, odgovoran je za prekid struje u normalnim i greškama. Na razliku od konvencionalnih prekidnika podstaničkih postrojenja, GCB izravno izdržava masivne struje križanja iz generatora, s nominativnim strujama prekida do stotina kiloampera. U velikim jedinicama proizvodnje, pouzdan rad GCB-a direktno je povezan s sigurnošću samog generatora i stabilnim radom mreže.

1.2 Važnost mehanizama zaštite od grešaka
Kada se greška pojavi unutar generatora ili na njegovoj izlaznoj liniji, struja greške može dostići svoj vrhunac unutar desetaka milisekundi. Bez ciljanog mehanizma zaštite, doći će do neobrativih oštećenja poput pregrejanja/deformacije vijaka i propadanja izolacije. Analiza incidenta u regionalnoj mreži Sjeverne Amerike iz 2010. godine pokazala je da su troškovi popravka nakon greške za opremu za proizvodnju energije bez brze zaštite bili viši od 300%. Stoga je uspostavljanje višedimenzionalnog, koordiniranog mehanizma zaštite ključna obrana za osiguranje pouzdanosti sistema proizvodnje energije.

2.Osnovni principi mehanizama zaštite GCB-a
2.1 Definicija i ključni ciljevi mehanizama zaštite
Mehanizam zaštite GCB-a je u suštini inženjersko rješenje koje u stvarnom vremenu nadgleda anormalne električne parametre i aktivira operaciju prekida prekidnika na temelju predefinirane logike. Njegovi ključni ciljevi su tri: prvo, prekid struje greške unutar tri ciklusa (60 ms); drugo, točno razlikovanje unutarnjih grešaka od vanjskih perturbacija; i treće, točno lokiranje položaja greške kako bi se podržale odluke o kasnijem održavanju.

2.2 Pregled uobičajenih tipova grešaka
Tipični scenariji grešaka padaju u tri kategorije: (1) fazi-fazi kratične puteve, karakteristični za naglu eksploziju struje i prekomjernu nesimetriju tri faze; (2) jednofazne greške na zemlju, identificirane pomakom napona neutralne točke; i (3) evolutivne greške, koje se početno manifestiraju kao anormalna djelomična isparavanja i postepeno se razvijaju u propadanje izolacije. Statistika pokazuje da u jedinicama preko 600 MW, greške na zemlju čine 67%, što stavlja veće zahtjeve na osjetljivost sustava zaštite.

3.Glavni tipovi mehanizama zaštite
3.1 Mehanizam zaštite od prekomjerne struje
Više-nivozni kompozitni kriterij omogućuje stupnjeviti odgovor: trenutni visokobrzinski prekid cilja teške bliske greške s vremenom rada kontroliranim unutar 25 ms; definirani inverzni krivulje odgovaraju termalnoj izdržljivosti opreme, pokrećući zakasneli prekid kada struja premaši 1,5 puta nominalnu vrijednost kontinuirano; elementi diskriminacije smjera efektivno spremaju pogrešno funkcioniranje tijekom vanjskih grešaka. Podaci s polazišta obalne elektrane potvrdili su da je ovaj mehanizam uspješno ograničio trajanje struje križanja na 83 ms.

3.2 Diferencijalni mehanizam zaštite
Cijeli digitalni shema zaštite temelji se na Kirchhoffovom zakonu struje. Klase 0,2S pretvarači struje su sinkrono instalirani na neutralnoj točki generatora i izlazu GCB-a. Kada vektorska razlika između obje strane premaši prag (obično postavljen na 15% nominalne struje), deklarirana je unutarnja greška. Najnovije implementacije uključuju algoritam korekcije faze, uspješno rješavajući grešku faze od 15° uzrokovanu distribuiranim kapacitivnim strujama.

3.3 Mehanizam zaštite od grešaka na zemlju
Za sustave s visokim impedancijama zemljenja, razvijena je nulto-sekvencijska zaštita: nulto-sekvencijski komponenti napona dobiveni su putem posebnih pretvarača napona i kombinirani s nulto-sekvencijskim strujama kako bi se formirala matrica diskriminacije smjera. Inovativna tehnika blokiranja treće harmonije efektivno izbjegava interferenciju harmonijskih napona na neutralnoj točki tijekom normalnog rada. Praksa na terenu pokazuje da ovaj mehanizam postiže 98,7% stopu uspjeha u detektiranju grešaka na zemlju s otpornosti iznad 10 Ω.

4.Implementacijski proces mehanizama zaštite
4.1 Uloga releja i kontrolnih sustava
Suvremenim mikroprocesorskim uređajima za zaštitu koristi se trostruka arhitektura: sloj mjerenja hvata valove u stvarnom vremenu uz uzorkovanje od 4000 Hz; sloj odlučivanja koristi paralelnu obradu više CPU-ova kako bi dovršio 32 izračuna, uključujući Fourierovu transformaciju i analizu harmonika, unutar 10 ms; sloj izvršenja koristi optičke vezove za direktno paljenje kako bi se osigurala zamka prijenosa naredbi manja od 2 ms. Ključne jedinice obično implementiraju logiku "dva od tri" glasanja kako bi se eliminirali rizici od jedne točke greške.

4.2 Detekcija grešaka i brza operacijska sekvencija
Tipična sekvencija paljenja uključuje osam ključnih koraka: pojavljivanje struje greške → sekundarno pretvaranje signala preko pretvarača struje → aktivacija uređaja za zaštitu → identifikacija tipa greške → izračun logike paljenja → provjera signala blokade → energizacija bobine paljenja prekidnika → ugasište lukova. Studije optimizacije vremena pokazuju da uporaba prepritsanih ugasišnih komora može smanjiti ukupno vrijeme prekida na 58 ms, što je poboljšanje od 22% u odnosu na konvencionalne mehanizme.

5.Zaključak
5.1 Sažetak ključnih točaka mehanizama zaštite
Suvremena zaštita GCB-a evolvirala je u višeslojni, inteligentni sustav obrane: zaštita od prekomjerne struje služi kao osnovni sloj, diferencijalna zaštita pruža preciznu izolaciju zona, a zaštita od grešaka na zemlju jača pokrivenje ranjivosti. Ključni prekid dogodio se u postizanju prekida greške unutar tri ciklusa uz održavanje stopa lažnog paljenja ispod 0,01 puta godišnje. Međutim, treba napomenuti da se postavke zaštite moraju ponovno kalibrirati svake dvije godine prema krivuljama starjenja opreme.

5.2 Preporuke za optimizaciju praktičnih primjena
Propone se tri napredne mjere poboljšanja: prvo, integracija tehnologije lokacije grešaka putem privremene talasne metode kako bi se povećala preciznost lokacije grešaka na ±5 metara; drugo, razvoj algoritama adaptivne zaštite koji automatski prilagođavaju koeficijente osetljivosti prema dobi rada jedinice; treće, uvođenje online nadzora mehaničkog stanja prekidnika, koristeći 12 parametara - uključujući brzinu otvaranja i iscrpljenost kontakata - kako bi se predvidjela pouzdanost mehanizma. Pokazna elektranja je potvrdila da su ove mjere povećale dostupnost sustava zaštite na 99,97%.