Analisis Mendalam Mengenai Mekanisme Perlindungan Kerosakan untuk Pemutus Litar Penjana

1. Pengenalan

1.1 Fungsi Asas dan Latar Belakang GCB
Pemutus Litar Jana (GCB), sebagai nod kritikal yang menghubungkan janaan kepada transformator peningkat, bertanggungjawab untuk memutuskan arus dalam keadaan normal dan ketidaknormalan. Berbeza dengan pemutus litar substesen konvensional, GCB secara langsung menanggung arus hubungan pendek yang besar dari janaan, dengan arus putus hubungan pendek yang diberi rating mencapai ratusan kiloamper. Dalam unit penghasilan yang besar, operasi yang boleh dipercayai GCB adalah terikat langsung dengan keselamatan janaan itu sendiri dan operasi stabil grid elektrik.

1.2 Kepentingan Mekanisme Perlindungan Kesalahan
Apabila kesalahan berlaku di dalam janaan atau pada litar keluarannya, arus kesalahan dapat mencapai puncaknya dalam masa puluhan milisaat. Tanpa mekanisme perlindungan yang ditarget, kerusakan yang tidak dapat dibalikkan seperti pemanasan/deformasi gegelung dan pecahnya isolasi akan berlaku. Analisis insiden grid regional Amerika Utara 2010 menunjukkan bahawa peralatan penghasilan tenaga yang kurang perlindungan pantas mengeluarkan kos baiki selepas kesalahan lebih daripada 300%. Oleh itu, penubuhan mekanisme perlindungan pelbagai dimensi dan berkoordinasi adalah pertahanan inti untuk memastikan kebolehpercayaan sistem penghasilan tenaga.

2. Prinsip Asas Mekanisme Perlindungan GCB
2.1 Definisi dan Objektif Utama Mekanisme Perlindungan
Mekanisme perlindungan GCB pada dasarnya adalah penyelesaian kejuruteraan sistem yang memantau parameter elektrik abnormal secara real-time dan memicu operasi pemutusan litar berdasarkan logik yang ditetapkan. Objektif utamanya ada tiga: pertama, memutuskan arus kesalahan dalam tiga siklus (60 ms); kedua, membezakan tepat kesalahan dalaman daripada gangguan luaran; dan ketiga, menentukan lokasi kesalahan dengan tepat untuk menyokong keputusan penyelenggaraan seterusnya.

2.2 Tinjauan Jenis Kesalahan Biasa
Skenario kesalahan biasa jatuh ke dalam tiga kategori: (1) hubungan pendek fasa-ke-fasa, ditandai dengan lonjakan arus mendadak dan ketidakseimbangan tiga fasa yang berlebihan; (2) kesalahan tanah satu fasa, dikenali melalui ofset voltan titik neutral; dan (3) kesalahan yang berkembang, yang mula-mula bermuncul sebagai pelepasan separa yang abnormal dan secara beransur-ansur berkembang menjadi pecahnya isolasi. Statistik menunjukkan bahawa dalam unit di atas 600 MW, kesalahan tanah menyumbang 67%, menuntut sensitiviti sistem perlindungan yang lebih tinggi.

3. Jenis Utama Mekanisme Perlindungan
3.1 Mekanisme Perlindungan Arus Lebih
Kriteria komposit multi tahap membolehkan respons berperingkat: pemutusan pantas segera menargetkan kesalahan hujung dekat yang serius dengan masa operasi dikawal dalam 25 ms; lengkung terbalik tentu waktu sesuai dengan keupayaan tahanan panas peralatan, memulakan pemutusan tertunda apabila arus melebihi 1.5 kali nilai berating secara berterusan; unsur diskriminasi arah efektif mencegah operasi salah semasa kesalahan luaran. Data lapangan dari stesen kuasa pesisir mengesahkan mekanisme ini berjaya membatasi tempoh arus hubungan pendek kepada 83 ms.

3.2 Mekanisme Perlindungan Beza
Skema perlindungan sepenuhnya digital dibina berdasarkan Hukum Arus Kirchhoff. Transformator arus Kelas 0.2S dipasang secara serentak di titik neutral janaan dan sisi outlet GCB. Apabila perbezaan vektor antara kedua-dua sisi melebihi ambang (biasanya ditetapkan pada 15% arus berating), kesalahan dalaman dinyatakan. Pelaksanaan terkini menggabungkan algoritma pembetulan fasa, berjaya menyelesaikan ralat sudut fasa 15° yang disebabkan oleh arus kapasitif tersebar.

3.3 Mekanisme Perlindungan Kesalahan Tanah
Untuk sistem yang dipegang dengan impedansi tinggi, perlindungan arah nol-sequence telah dibangunkan: komponen voltan nol-sequence diperoleh melalui transformator voltan khusus dan digabungkan dengan arus nol-sequence untuk membentuk matriks diskriminasi arah. Teknik pemblokiran harmonik ketiga yang inovatif secara efektif mengelakkan gangguan dari voltan harmonik pada titik neutral semasa operasi normal. Amalan lapangan menunjukkan mekanisme ini mencapai kadar kejayaan 98.7% dalam mendeteksi kesalahan tanah dengan rintangan lebih daripada 10 Ω.

4. Proses Pelaksanaan Mekanisme Perlindungan
4.1 Peranan Rilai dan Sistem Kawalan
Peranti perlindungan berasaskan mikropemproses moden mengambil struktur tiga lapis: lapisan pengukuran menangkap bentuk gelombang secara real-time pada kadar sampel 4000 Hz; lapisan keputusan menggunakan pemprosesan selari multi-CPU untuk melengkapkan 32 pengiraan—termasuk transformasi Fourier dan analisis harmonik—dalam 10 ms; lapisan pelaksanaan menggunakan litar pemutusan langsung serat optik untuk memastikan lemasan penghantaran arahan kurang daripada 2 ms. Unit penting biasanya melaksanakan logik undi "dua daripada tiga" untuk menghapus risiko kegagalan titik tunggal.

4.2 Pengesanan Kesalahan dan Urutan Operasi Pantas
Urutan pemutusan biasa merangkumi lapan langkah kunci: berlakunya arus kesalahan → penukaran isyarat sekunder oleh transformator arus → aktivasi peranti perlindungan → pengenalpastian jenis kesalahan → pengiraan logik pemutusan → pengesahan isyarat pemblokiran → pemberian tenaga kepada gegelung pemutusan litar → pemadam aneka. Kajian pengoptimuman masa menunjukkan bahawa penggunaan bilik pemadam aneka yang dipresurkan terlebih dahulu dapat mengurangkan masa gangguan total kepada 58 ms, peningkatan 22% daripada mekanisme konvensional.

5. Kesimpulan
5.1 Ringkasan Titik Utama Mekanisme Perlindungan
Perlindungan GCB moden telah berkembang menjadi sistem pertahanan berlapis-lapis dan cerdas: perlindungan arus lebih bertindak sebagai lapisan asas, perlindungan beza menyediakan isolasi zon yang tepat, dan perlindungan kesalahan tanah memperkuat cakupan kerentanan. Pencapaian utama terletak pada pencapaian pembebasan kesalahan dalam tiga siklus sambil mengekalkan kadar tripping palsu di bawah 0.01 kali setahun. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa tetapan perlindungan mesti dikalibrasi semula setiap dua tahun mengikut kurva penuaan peralatan.

5.2 Cadangan Pengoptimuman untuk Aplikasi Praktikal
Tiga langkah peningkatan canggih dicadangkan: yang pertama, integrasikan teknologi lokasi kesalahan gelombang perjalanan sementara untuk meningkatkan ketepatan lokasi kesalahan hingga ±5 meter; kedua, kembangkan algoritma perlindungan adaptif yang mengatur koefisien sensitivitas secara automatik berdasarkan umur operasi unit; ketiga, laksanakan pemantauan dalam talian keadaan mekanikal pemutus litar, menggunakan 12 parameter—termasuk halaju pembukaan dan kerusakan kontak—untuk meramalkan kebolehpercayaan mekanisme. Sebuah stesen kuasa demonstrasi mengesahkan bahawa langkah-langkah ini meningkatkan ketersediaan sistem perlindungan hingga 99.97%.