Mélyreható elemzés a generátor áramkör-törésvédők hibavédelmi mechanizmusairól

1.Bevezetés

1.1 A GCB alapvető funkciói és háttere
A Generátor Átkapcsoló (GCB), mint a generátort a léptető transzformert kötő kritikus csomópont, felelős az áram megszakításáért mind normál, mind hibás körülmények között. A hagyományos átalakítóállomási átkapcsolók ellentétében a GCB közvetlenül elviseli a generátortól eredő óriási rövidzárlő áramot, amelynek megengedett rövidzárlő áramerőssége százaljai kiloamper. Nagy teljesítményű generáló egységeknél a GCB megbízható működése közvetlenül összefügg a generátor saját biztonságával és a villamosenergia-hálózat stabil működésével.

1.2 A hiba-védelmi mechanizmusok jelentősége
Amikor a generátoron belül vagy annak kimeneti vezetékén bekövetkezik hiba, a hibaáram százalékosan pár millisekondban érheti el csúcsértékét. Célszerű védelmi mechanizmusok nélkül visszaállíthatatlan károk, például tekercsök túlmelegedése/elformódása és izoláció-szakadás történhet. Egy 2010-es észak-amerikai regionális hálózati incidens elemzése szerint a gyors védelem nélküli villamosenergia-termelési berendezések utáni javítási költségei több, mint 300%-kal magasabbak voltak. Ezért a többdimenziós, koordinált védelmi mechanizmusok beállítása a termelési rendszerek megbízhatóságának garantálása szempontjából alapvető.

2.A GCB védelmi mechanizmusainak alapelvei
2.1 A védelmi mechanizmusok definíciója és alapvető céljai
A GCB védelmi mechanizmusa lényegében egy rendszermérnöki megoldás, ami valós időben figyeli a nem szabványos elektromos paramétereket, és előre definiált logika alapján aktiválja az átkapcsoló trippelési műveletét. Három alapvető célt tartalmaz: első, hogy három ciklus (60 ms) alatt megszakítsa a hibaáramot; másod, hogy pontosan megkülönböztethesse a belső hibákat a külső zavaroktól; harmad, hogy pontosan helyezze a hiba pozícióját, támogatva ezzel a későbbi karbantartási döntéseket.

2.2 A gyakori hibatípusok áttekintése
A tipikus hibajelenségek három kategóriába esnek: (1) fázis-közti rövidzárlat, amit hirtelen áramugrás és túlzott háromfázis-egyensúlytalanság jellemzi; (2) egyfázisú földkapcsolás, ami neutrális pontbeli feszültség-elmozdulással azonosítható; (3) fejlődő hibák, amelyek kezdetben anomális részleges kitakarékozást mutatnak, majd lassan átalakulnak izoláció-szakadásra. A statisztikák szerint 600 MW feletti egységeknél a földkapcsolások 67%-át teszik ki, ami magasabb igényt tesz a védelmi rendszerek érzékenységére.

3.A védelmi mechanizmusok fő típusai
3.1 Túlmenő áram védelmi mechanizmusa
Egy többlépcsős összetett kritérium lehetővé teszi a sorról-sorral történő válaszadást: az azonnali gyors trippelés a súlyos közeli hibákat célozza, működési ideje 25 ms alatt van; a határozott idő inverz görbéje illeszkedik a berendezések hőtartó képességéhez, késleltetett trippelést indít, ha az áram folyamatosan 1,5-szerese a megengedett értéknél; az iránydiscriminációs elemek hatékonyan megelőzik a hibás működést külső hibák esetén. Parti erőmű adatok alapján ez a mechanizmus sikeresen korlátozta a rövidzárló áram időtartamát 83 ms-re.

3.2 Differenciális védelmi mechanizmus
Egy teljesen digitális védelmi séma épült ki Kirchhoff áramtörvénye alapján. 0,2S osztályú áramerősségi transzformátorok szinkronban települtek a generátor neutrális pontján és a GCB kimeneti oldalán. Amikor a két oldal vektorelkülönülése meghaladja a küszöböt (általában a megengedett áram 15%-át állítják be), belső hibát jelölnek. A legfrissebb implementáció fázis-javító algoritmust integrál, sikerrel orvosolva a 15° fáziskülönbséget, amit a terjesztett kapacitív áramok okoznak.

3.3 Földkapcsolás védelmi mechanizmusa
Magas impedanciájú földkapcsolt rendszerek esetén fejlesztették ki a null sorrendű irányvédelmet: a null sorrendű feszültségkomponenseket dedikált feszültségtranszformátorok segítségével szerezik, és kombinálják a null sorrendű árammal, hogy iránydiscriminációs mátrixot formáljanak. Az innovatív harmadik harmonikus blokkoló technika hatékonyan elkerüli a harmonikus feszültségek zavarát a neutrális ponton normál működés közben. A gyakorlatban ez a mechanizmus 98,7%-os sikeres detektálási arányt ért el 10 Ω feletti ellenállású földkapcsolások esetén.

4.A védelmi mechanizmusok implementációs folyamata
4.1 A relék és a vezérlő rendszerek szerepe
A modern mikroprocesszor-alapú védelmi berendezések háromrétegű architektúrát alkalmaznak: a mérési réteg valós időben rögzíti a hullámalakokat 4000 Hz mintavételi sebességgel; a döntési réteg több-CPU párhuzamos feldolgozással 32 számítást, beleértve a Fourier-transzformációt és a harmonikus elemzést is, 10 ms alatt végez; a végrehajtási réteg szoftvervezetékű közvetlen trippelési köröket használ, hogy a parancsátviteli késleltetés 2 ms alatt maradjon. Kritikus egységek gyakran "háromból kettő" szavazási logikát alkalmaznak, hogy kizárják az egyetlen pont hibájának kockázatát.

4.2 Hiba detektálása és gyors műveleti sorrend
A tipikus trippelési sorrend nyolc kulcsfontosságú lépést tartalmaz: hibaáram fellépése → áramerősségi transzformátorok általi másodlagos jel konvertálása → védelmi berendezés aktiválása → hiba típusának azonosítása → trippelési logika számítása → blokkoló jel ellenőrzése → átkapcsoló trippelési címkének felenergizálása → íves kioltása. Időoptimalizálási tanulmányok szerint a nyomásra előre készített íves kioltókamrák használata 58 ms-re csökkentheti az összes megszakítási időt, ami 22%-os fejlesztést jelent a hagyományos mechanizmusokhoz képest.

5.Összefoglalás
5.1 A védelmi mechanizmusok kulcspontjainak összefoglalása
A modern GCB védelem egy többrétegű, intelligens védelmi rendszerbe fejlődött: a túlmenő áram védelem a fundamentális réteg, a differenciális védelem precíz zónaisolációt biztosít, míg a földkapcsolás védelem megerősíti a sebezhetőségek lefedettségét. A lényeges áttörés abban áll, hogy három ciklus alatt tiszta hibaáramot érnek el, miközben a hamis-trippelési arány 0,01 évben alatt marad. Ugyanakkor megjegyzendő, hogy a védelmi beállításokat kétévente újra kell kalibrálni a berendezések öregedési görbéi alapján.

5.2 Gyakorlati alkalmazások optimalizálási javaslatai
Három fejlett fejlesztési intézkedést javasolunk: először, az átmeneti hullámú hibahelymeghatározó technológia integrálása a hibahely megállapítás pontosságának ±5 méterre történő javítása érdekében; másodszor, olyan adaptív védelmi algoritmusok kifejlesztése, amelyek automatikusan módosítják a szavatlansági együtthatókat az egység üzemkori korától függően; harmadszor, a kapcsolók mechanikai állapotának online figyelése, 12 paraméter használatával – beleértve a nyitási sebességet és a kapcsolók súrlódását – a mechanizmus megbízhatóságának előrejelzésére. Egy bemutató erőműben ezek az intézkedések a védelmi rendszer elérhetőségét 99,97%-ra növelte.