Напредна анализа на механизми за заштита од грешки за прекинувачи на генератори

1.Вовед

1.1 Основна функција и позадина на GCB
Генераторскиот прекинувач (GCB), како критичка точка која поврзува генераторот со трансформаторот за подигање на напон, е одговорен за прекинување на струјата при нормални и дефектни услови. Одлично од обичните прекинувачи во подстанцијата, GCB директно ја издржува масивната струја од генераторот при кратки спојувања, со номинални струи за прекинување на кратко спојување што достигнуваат неколку стотици килоампери. Во големите производствени единици, надежната работа на GCB е директно поврзана со безбедноста на самите генератори и стабилната работа на електричната мрежа.

1.2 Важноста на механизми за заштита од дефекти
Кога се случи дефект во генераторот или на излезната линија, дефектната струја може да достигне својот врв за неколку десетици милисекунди. Без целосмерени механизми за заштита, би се случиле необратливи повреди како прегревање/деформација на витканиците и разбирање на изолацијата. Анализа на инцидент во регионската мрежа на Северна Америка во 2010 година покажа дека опремата за производство на енергија која немаше брзи механизми за заштита имаше пост-дефектни поправни трошоци повисоки за повеќе од 300%. Затоа, установувањето на многодимензионален, координиран систем за заштита е основниот одбранител за осигурување на надежноста на системите за производство на енергија.

2.Основни принципи на механизми за заштита на GCB
2.1 Дефиниција и основни цели на механизми за заштита
Механизмот за заштита на GCB е суштински инженерско решение којо реално време следи аномалии на електричните параметри и активира операцијата за прекинување на прекинувачот според предефинирана логика. Неговите основни цели се три: прво, да прекине дефектната струја во три циклуси (60 милисекунди); второ, да точно разликува интерни дефекти од екстерни пречки; и трето, да прецизно локализира позицијата на дефектот за поддршка на последователните одлуки за одржба.

2.2 Преглед на заедничките типови на дефекти
Типичните сценарија на дефекти се делат на три категории: (1) кратки спојувања меѓу фази, карактеризирани со брзо зголемување на струјата и екстремна несбалансираност на три фази; (2) јединични дефекти на земја, идентификувани со офсет на напонот на нулта точка; и (3) развиващи се дефекти, кои најпрво се појавуваат како аномални делни испуштања и постепено се развиваат во разбирање на изолацијата. Статистиките покажуваат дека во единици над 600 MW, дефектите на земја чинат 67%, што поставува поголеми барања за чувствителноста на системите за заштита.

3.Главни типови на механизми за заштита
3.1 Механизам за заштита од премногу струја
Многостепен критериум овозможува степенуван одговор: моментално брзо прекинување се насочува кон сериозни дефекти во близина со време на операција контролирано до 25 милисекунди; временски обратни криви се согласуваат со термалната издржливост на опремата, започнувајќи забавено прекинување кога струјата надминува 1,5 пати вредноста на номиналната струја; елементи за дискриминација по правец ефективно ги предотврашуваат погрешните операции при екстерни дефекти. Полеви податоци од приморска електростанција го потврдиле овој механизам успешно ограничува длабината на краткотрајната струја до 83 милисекунди.

3.2 Диференцијален механизам за заштита
Полната цифровна шема за заштита е изградена базирана на законот за струја на Кирхоф. Трансформатори на струја од класа 0,2S се синхронно инсталирани на нултата точка на генераторот и излезната страна на GCB. Кога векторската разлика помеѓу двата дела надминува прагот (обично поставен на 15% од номиналната струја), се декларира интерен дефект. Најновата реализација вклучува алгоритам за корекција на фаза, успешно решавајќи 15° фазен агол на грешка причинета од распределени капацитетни струи.

3.3 Механизам за заштита од дефекти на земја
За системи со висок импеданс на земја, е развиен протекционен механизам со нултен ред: компоненти на нултен напон се добиваат преку специфични трансформатори на напон и комбинирани со нултата струја за формирање на матрица за дискриминација по правец. Иновативната техника за блокирање на трећа хармоника ефективно избегнува интерференцијата од хармонични напони на нултата точка во нормална работа. Полевска практика покажува дека овој механизам постигнува 98,7% успешност во детекцијата на дефекти на земја со отпор над 10 Ω.

4.Процес на имплементација на механизми за заштита
4.1 Улога на релеите и системите за контрола
Современите микропроцесорски уреди за заштита го прифаќаат три-слојна архитектура: слојот за мерење ги зачувува волновите форми во реално време со фреквенција на узимање на примероци од 4000 Hz; слојот за одлука користи паралелно процесирање со повеќе CPU за да заврши 32 пресметки - вклучувајќи Фуриеова трансформација и анализа на хармонии - во 10 милисекунди; слојот за извршување користи оптички волокни за директно прекинување за да се осигура дека забавата во преносот на команди е помала од 2 милисекунди. Критичните единици обично имплементираат логика за „две од три“ гласање за да се елиминираат ризиците од единствен точка на неуспех.

4.2 Детекција на дефекти и брз оперативен редослед
Типичен редослед на прекинување вклучува осум клучни чекори: појава на дефектна струја → вторична конверзија на сигнал од трансформатори на струја → активација на уредот за заштита → идентификација на типот на дефект → пресметка на логика за прекинување → проверка на сигнал за блокирање → активација на бобина за прекинување на прекинувачот → угашување на дуг. Студии за оптимизација на време покажуваат дека користејќи претходно притиснати камери за угашување на дуг, тоа може да се намали тоталното време на прекинување до 58 милисекунди, што е подобрување од 22% според конвенционалните механизми.

5.Заклучок
5.1 Сумирање на ключни точки на механизми за заштита
Современата заштита на GCB се развилa во многослојен, интелигентен систем за одбрана: заштитата од премногу струја служи како основен слој, диференцијалната заштита пружа прецизна изолација на зона, а заштитата од дефекти на земја ја јача покривноста на слабостите. Ключната премина е постигнувањето на очистување на дефект во три циклуси, додека се одржува ниво на лажни прекинувања под 0,01 пати на година. Меѓутоа, треба да се забележи дека подесувањата на заштитата мора да се ре-калебрираат секои две години според кривите на стареење на опремата.

5.2 Претходници за оптимизација на практичните применувања
Предложени се три напредни меры за подобрување: прво, интеграција на технологијата за локализација на грешки со помош на транзиторни патујачки таласи за подобрување на точноста на локализацијата до ±5 метри; второ, развој на алгоритми за адаптивна заштита што автоматски ја прилагодуваат чувствителноста на коефициентите во зависност од оперативната доб на агрегатот; треќо, имплементација на онлайн мониторинг на механичката состојба на прекинувачите, користејќи 12 параметри - вклучувајќи брзина на отварање и износ на износеност на контактите - за предвидување на релевантноста на механизмот. Демонстрационата електростанција потврди дека овие мерења ја зголемија достапноста на системот за заштита до 99,97%.