Глубокий анализ механизмов защиты от неисправностей для выключателей генераторных цепей

1.Кіріспе

1.1 ГСБ-ның негізгі қызметі мен тарихы
Генераторлық ажыратқыш (ГСБ) генераторды жоғарылатқыш трансформаторға жалғайтын негізгі буын ретінде қалыпты және қысқа тұйықталу жағдайларында токты үзу үшін жауапты. Дәстүрлі тарату қондырғыларының ажыратқыштарынан өзгеше, ГСБ генератордан туындайтын мыңдаған килоамперге дейінгі үлкен қысқа тұйықталу тогын төзуге тиіс. Үлкен қуатты генераторларда ГСБ-ның сенімді жұмысы генератордың өзінің қауіпсіздігі мен электр желісінің тұрақты жұмысымен тікелей байланысты.

1.2 Ақаулардан қорғау механизмдерінің маңызы
Генератор ішінде немесе шығыс сызығында ақау пайда болған кезде, ақау тогы онша миллисекунд ішінде максимумға жетеді. Мақсатты қорғау механизмдері болмаған жағдайда орамдардың қызып кетуі/деформациялануы мен изоляцияның бұзылуы сияқты түзетуі мүмкін емес зақымданулар туындайды. 2010 жылғы Солтүстік Америкадағы аймақтық желідегі аварияны талдау ақаудан кейінгі жөндеу шығындары жылдам қорғауы жоқ электр станцияларында 300%-дан аса жоғары болатынын көрсетті. Сондықтан көп деңгейлі, үйлестірілген қорғау механизмін құру – электр энергиясын өндіру жүйелерінің сенімділігін қамтамасыз етудің негізгі қорғаныс шарасы.

2. ГСБ қорғау механизмдерінің негізгі принциптері
2.1 Қорғау механизмдерінің анықтамасы мен негізгі мақсаттары
ГСБ қорғау механизмі шын мәнінде электрлік параметрлердегі аномалияларды нақты уақыт режимінде бақылап, алдын ала анықталған логика бойынша ажыратқыштың жұмыс істеуін іске қосатын жүйелік инженерлік шешім. Оның негізгі мақсаттары үшеу: біріншіден, ақау тогын үш цикл ішінде (60 мс) үзу; екіншіден, ішкі ақауларды сыртқы бұзылыстардан дәлме-дәл ажырату; үшіншіден, ақау орнын дәл анықтау, ол кейінгі жөндеу шешімдерін қолдайды.

2.2 Жиі кездесетін ақау түрлеріне шолу
Типтік ақау сценарийлері үш топқа бөлінеді: (1) фазалар арасындағы қысқа тұйықталу — токтың сәттен шығып кетуі мен үш фазалық тепе-теңдіктің бұзылуымен сипатталады; (2) жеке фазаның жерге тұйықталуы — нейтралдық нүктедегі кернеудің ығысуы арқылы анықталады; (3) дамушы ақаулар — бастапқыда жартылай разрядтағы аномалия ретінде көрінеді де, постепенно изоляцияның бұзылуына дейін дамиды. Статистикаға сәйкес 600 МВт-тан жоғары қондырғыларда жерге тұйықталу ақаулары 67% құрайды, бұл қорғау жүйелерінің сезімталдығына жоғары талап қояды.

3. Негізгі қорғау механизмдерінің түрлері
3.1 Токтың артуынан қорғау механизмі
Көптеген сатылы композитті критерий дәрежелі жауап беруді қамтамасыз етеді: сәттен әсер ететін жоғары жылдамдықты үзу жақын арадағы ауыр ақауларға бағытталған және жұмыс уақыты 25 мс ішінде бақыланады; белгілі уақытты кері қисықтар құрылғының жылулық төзімділігіне сай келеді, ток 1,5 есе артық болып тұрақты түрде ұзақ уақыт өткенде кешіктірілген үзу іске қосылады; бағытты ажырату элементтері сыртқы ақаулар кезінде жарамсыз жұмыс істеуді тиімді түрде болдырмауға мүмкіндік береді. Сахалық деректер бір теңіз жағалауындағы электр станциясында бұл механизм қысқа тұйықталу тогының ұзақтығын 83 мс дейін шектеді.

3.2 Дифференциалды қорғау механизмі
Толық цифрлық қорғау схемасы Кирхгофтың ток заңы негізінде құрылған. Генератордың нейтралдық нүктесі мен ГСБ шығысының жағында 0,2S класындағы ток трансформаторлары синхронды орнатылған. Екі жақ арасындағы векторлық айырмашылық порогынан (әдетте номиналды токтың 15% ретінде орнатылған) асқан кезде ішкі ақау деп жарияланады. Соңғы жүзеге асыру фазалық түзету алгоритмін қамтиды, ол таратылған сыйымдылық токтарынан туындайтын 15° фазалық бұрыш қатесін сәтті шешті.

3.3 Жерге тұйықталудан қорғау механизмі
Жоғары кедергілі жерге тұйықталған жүйелер үшін нөлдік тізбекті бағытты қорғау әзірленген: нөлдік тізбекті кернеу компоненттері арнайы кернеу трансформаторлары арқылы алынып, нөлдік тізбекті токпен бірігіп бағытты ажырату матрицасын құрады. Инновациялық үшінші гармоникалық блоктау әдісі қалыпты жұмыс режимі кезінде нейтралдық нүктедегі гармоникалық кернеулерден туындайтын ықпалдан тиімді қорғанысты қамтамасыз етеді. Сахалық тәжірибе бұл механизм 10 Ом-нан жоғары кедергісі бар жерге тұйықталу ақауларын анықтауда 98,7% сәттілікке ие болатынын көрсетті.

4. Қорғау механизмдерін жүзеге асыру процесі
4.1 Реле мен басқару жүйелерінің рөлі
Заманауи микропроцессорлық қорғау құрылғылары үш деңгейлі архитектураны қабылдайды: өлшеу деңгейі 4000 Гц дискреттеу жиілігінде форма толқындарын нақты уақыт режимінде ұстап алады; шешім қабылдау деңгейі 10 мс ішінде Фурье түрлендіруі мен гармоникалық талдауын қамтитын 32 есептеуді орындау үшін көп ядролы процессорларды параллельді өңдеу үшін қолданады; орындау деңгейі командалардың берілу уақыты 2 мс-тан аз болатындай етіп оптикалық тікелей үшу тізбегін қолданады. Маңызды қондырғыларда жалғыз нүктелік істен шығу қаупін жою үшін «үштен екеу» дауыс беру логикасы қолданылады.

4.2 Ақауды анықтау және жылдам әрекет ету реті
Типтік үшу реті сегіз негізгі қадамды қамтиды: ақау тогының пайда болуы → ток трансформаторлары арқылы екінші сигналға түрлену → қорғау құрылғысының іске қосылуы → ақау түрін анықтау → үшу логикасын есептеу → блоктау сигналын тексеру → ажыратқыштың үшу катушкасына кернеу беру → доғаны өшіру. Уақытты оптимизациялау зерттеулері алдын ала қысымдалған доға өшіру камераларын қолдану толық тоқтату уақытын 58 мс-қа дейін қысқартып, дәстүрлі механизмдерге қарағанда 22% жақсартуға мүмкіндік беретінін көрсетті.

5.Қорытынды
5.1 Негізгі қорғау механизмдері бойынша негізгі тұжырымдар
Заманауи ГСБ қорғау көп қабатты, интеллектуалды қорғаныс жүйесіне дейін дамыды: токтың артуынан қорғау негізгі қабат болып табылады, дифференциалды қорғау дәл аймақты бөлуін қамтамасыз етеді, ал жерге тұйықталудан қорғау әлсіз жерлердің қамтылуын күшейтеді. Негізгі жетістік — жыл сайынғы жарамсыз істеу жиілігі 0,01 реттен аспайтындай етіп ақауды үш цикл ішінде жоюды қамтамасыз ету. Алайда, қорғау параметрлері қондырғының қарқындылық қисықтарына сәйкес екі жылда бір рет қайта калибрленуі керек екенін ескеру қажет.

5.2 Нағыз қолданбада оптимизациялық сұңғарламалар
Үш жетістікке жеткізген жетістіктер ұсынылады: бірінші, кезекті ауытқу жайындағы деңгейде түрлену технологиясын интеграциялау, онымен қатар, қателерді ±5 метрге дейін тактау; екінші, автоматты түрде нысандың іске қосылу уақытына негізделген адаптивті қорғау алгоритмдерін әзірлеу; үшінші, шығу жылдамдығы мен контакттық ыдыру сияқты 12 параметрлерін пайдаланып, ағаштың механикалық ағымдағы мониторингін жүзеге асыру, механизмдің ыңғайлауын болжау. Демонстрация электр станциясында, бұл қадамдар қорғау жүйесінің қолданылатындығын 99,97%-ге дейін арттырғаны расталды.